(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電電力をより有効利用できるようにし、かつ、弁の固着時でもこの固着を解除して、安定した運転を可能とすることである。【解決手段】酸化ガス供給流路１４を構成する本経路３０に設けた入口シャット弁２０と、本経路３０の迂回路である加湿器バイパス経路３２に設けた加湿器バイパス弁１８と、燃料電池スタック１２を迂回する燃料電池バイパス経路３６に設けた燃料電池バイパス弁３８と、燃料電池バイパス弁制御手段とを備える。燃料電池バイパス弁制御手段は、入口シャット弁２０と加湿器バイパス弁１８とのうち、一方の弁の開弁用圧力室５２内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、燃料電池バイパス弁３８の開度を絞り、開弁用圧力室５２内の圧力を上昇させることにより、上記課題の解決を図る。【選択図】図１
2008226520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
流体供給部から供給される流体の圧力変化に応じて駆動する弁と、
流体供給部と通じる圧力室に第１の圧力値を作用させることにより、弁を駆動させる圧力付与手段と、
圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、圧力室内の第１の圧力値を変化させる圧力変化手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、
燃料電池から酸化ガス系ガスを排出する酸化ガス系ガス排出流路と、
酸化ガス供給流路と酸化ガス系ガス排出流路とを、燃料電池を迂回して接続する燃料電池バイパス流路と、
燃料電池バイパス流路に設けられた燃料電池バイパス弁と、を備え、
圧力変化手段は、始動時に燃料電池バイパス弁を所定開度開放させるとともに、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、燃料電池バイパス弁の開度を絞ることにより、圧力室に供給する流体の圧力値を第１の圧力値よりも増大させる燃料電池バイパス弁制御手段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１に記載の燃料電池システムにおいて、
圧力変化手段は、流体供給部により圧力室に供給する流体の供給圧を第１の圧力値よりも上昇させる流体供給部制御手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、
燃料電池から酸化ガス系ガスを排出する酸化ガス系ガス排出流路と、
酸化ガス供給流路と酸化ガス系ガス排出流路とを、燃料電池を迂回して接続する燃料電池バイパス流路と、
燃料電池バイパス流路に設けられた燃料電池バイパス弁と、を備え、
圧力変化手段は、始動時に燃料電池バイパス弁を所定開度開放させるとともに、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、燃料電池バイパス弁の開度を絞るとともに、流体供給部による流体の吐出流量を上昇させる流体供給部燃料電池バイパス弁制御手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
圧力変化手段は、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、圧力室内の圧力を上下交互に変動させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
圧力変化手段は、流体供給部により圧力室に供給する流体の供給圧を上下交互に変動させる流体供給部制御手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、
燃料電池から酸化ガス系ガスを排出する酸化ガス系ガス排出流路と、
酸化ガス供給流路と酸化ガス系ガス排出流路とを、燃料電池を迂回して接続する燃料電池バイパス流路と、
燃料電池バイパス流路に設けられた燃料電池バイパス弁と、を備え、
圧力変化手段は、燃料電池バイパス弁の開度を大小交互に変化させる燃料電池バイパス弁制御手段であ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、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの反応ガスの電気化学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ための反応ガス供給流路と、燃料電池から反応ガスを排出するための反応ガス系排出流路とを備える。また、このような反応ガス供給流路と、反応ガス系排出流路とに、燃料電池用遮断弁を設けることも考えられている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された燃料電池システムは、燃料電池スタックから反応ガス系ガスを排出する反応ガス系排出流路に設けた遮断弁と、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路に設けた三方切替弁と、燃料電池スタックに空気を供給する酸化ガス系供給流路に設けた弁とに、アキュムレータを通じて空気を供給し、パイロット弁である各弁の切り替えを行うようにしている。
【０００４】
また、特許文献２に記載された燃料電池システムの場合、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する流通経路に、その前後の流路の間の圧力差により閉じられるバルブを設け、第１の時刻において、バルブと燃料電池スタックとの間における第１の圧力と、第２の時刻においてバルブと燃料電池スタックとの間における第２の圧力との間の圧力差が所定値未満であるときにバルブが開故障であると判定する。そして、バルブが開故障であると判定された場合に、燃料電池スタック内の燃料を消費させ、バルブの前後の流路の間で差圧を生じさせるようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３７１７号公報
【特許文献２】特開２００５−３４７１８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献１に記載された燃料電池システムの場合、反応ガス系排出流路に設けた遮断弁と、燃料ガス供給流路に設けた三方切替弁と、酸化ガス系供給流路に設けた弁とが、氷点下等低温環境で使用される等により弁体周辺部が凍結したり、弁体の軸が摺動部に対し傾斜する等により弁体が固定の部分に引っ掛かる等により、通常駆動する圧力値を弁の圧力室に作用させたのでは弁が駆動しない可能性がある。このように弁が駆動せず、正常に開弁しない場合には、電池スタックにガスを良好に供給したり、電池スタックからガスを良好に排出することが困難になり、著しい場合には、燃料電池システムの運転が自動的に停止してしまう可能性がある。
【０００７】
これに対して、特許文献２に記載された燃料電池システムの場合、流通経路に、その前後の流路の間の圧力差により閉じられるバルブを設けている。また、バルブが開故障であると判定された場合に、燃料電池スタック内の燃料を消費させ、バルブの前後の流路の間で差圧を生じさせるようにしている。このような燃料電池システムの場合、バルブを開故障である場合に、バルブを駆動させるために、燃料電池スタック内の燃料を消費させる必要があり、燃料電池スタックの発電電力を有効利用する面からまだ改良の余地がある。
【０００８】
本発明の目的は、燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電電力をより有効利用できるようにし、かつ、弁の固着時でもこの固着を解除して安定した運転を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、流体供給部から供給される流体の圧力変化に応じて駆動する弁と、流体供給部と通じる圧力室に第１の圧力値を作用させることにより、弁を駆動させる圧力付与手段と、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、圧力室内の第１の圧力値を変化させる圧力変化手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。なお、弁を駆動させるとは、開弁から閉弁へ、または閉弁から開弁へのいずれに変化するように弁を駆動させる場合を含む。
【００１０】
また、好ましくは、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、燃料電池から酸化ガス系ガスを排出する酸化ガス系ガス排出流路と、酸化ガス供給流路と酸化ガス系ガス排出流路とを、燃料電池を迂回して接続する燃料電池バイパス流路と、燃料電池バイパス流路に設けられた燃料電池バイパス弁と、を備え、圧力変化手段は、始動時に燃料電池バイパス弁を所定開度開放させるとともに、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、燃料電池バイパス弁の開度を絞ることにより、圧力室に供給する流体の圧力値を第１の圧力値よりも増大させる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、圧力変化手段は、流体供給部により圧力室に供給する流体の供給圧を第１の圧力値よりも上昇させる流体供給部制御手段とする。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、燃料電池から酸化ガス系ガスを排出する酸化ガス系ガス排出流路と、酸化ガス供給流路と酸化ガス系ガス排出流路とを、燃料電池を迂回して接続する燃料電池バイパス流路と、燃料電池バイパス流路に設けられた燃料電池バイパス弁と、を備え、圧力変化手段は、始動時に燃料電池バイパス弁を所定開度開放させるとともに、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、燃料電池バイパス弁の開度を絞るとともに、流体供給部による流体の吐出流量を上昇させる流体供給部燃料電池バイパス弁制御手段とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、圧力変化手段は、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、圧力室内の圧力を上下交互に変動させる。
【００１４】
また、より好ましくは、圧力変化手段は、流体供給部により圧力室に供給する流体の供給圧を上下交互に変動させる流体供給部制御手段とする。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、圧力変化手段は、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、圧力室内の圧力を上下交互に変動させる構成において、より好ましくは、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、燃料電池から酸化ガス系ガスを排出する酸化ガス系ガス排出流路と、酸化ガス供給流路と酸化ガス系ガス排出流路とを、燃料電池を迂回して接続する燃料電池バイパス流路と、燃料電池バイパス流路に設けられた燃料電池バイパス弁と、を備え、圧力変化手段は、燃料電池バイパス弁の開度を大小交互に変化させる燃料電池バイパス弁制御手段とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、流体供給部から供給される流体の圧力変化に応じて駆動する弁と、流体供給部と通じる圧力室に第１の圧力値を作用させることにより、弁を駆動させる圧力付与手段と、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、圧力室内の第１の圧力値を変化させる圧力変化手段と、を備えるので、弁の固着時でも流体供給部と通じる圧力室内の第１の圧力値を燃料電池バイパス弁または流体供給部制御手段により上昇させる等、変化させることにより、弁の固着を解除して、安定した運転を可能とすることができる。しかも、弁を駆動させるために、燃料電池内の燃料を消費させる必要がなく、燃料電池の発電電力をより有効利用できる。
【００１７】
また、圧力変化手段は、圧力室内が第１の圧力値である場合でも弁が駆動しない異常時に、圧力室内の圧力を上下変動させる構成によれば、弁体の軸が摺動部に対し傾斜する等により弁体が固定の部分に引っ掛かる等により弁が固着して、通常駆動する圧力値を弁の圧力室に作用させたのでは弁が駆動しない場合でも、圧力変動により弁体に軸方向片側と軸方向他側とに交互に力を作用することができ、弁の固着を解除して、弁を駆動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［第１の発明の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１から図６は、本発明の第１の実施の形態を示しており、図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの略構成図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、酸化ガス供給流路１４および酸化ガス系排出流路１６と、加湿器バイパス弁１８と、入口シャット弁２０と、出口シャット弁２２とを備える。
【００１９】
燃料電池スタック１２は、酸素と水素との電気化学反応により発電する。すなわち、燃料ガスである水素ガスと、酸化ガスである空気とを燃料電池スタック１２に供給することにより、燃料電池スタック１２内の図示しない複数の燃料電池セルにおいて、酸素と水素とが電気化学反応して電気エネルギーが得られる。燃料電池セルは、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−電極アセンブリと、その両側のセパレータを備えるものとする。
【００２０】
なお、本実施形態の燃料電池システム１０は、例えば燃料電池車用として車両に搭載し、燃料電池スタック１２を、車両走行用モータの電源として使用する。もちろん、本実施の形態の燃料電池システムを、車両走行用以外の用途に使用することもできる。
【００２１】
酸化ガスである空気を燃料電池スタック１２に供給するために酸化ガス供給流路１４を設けている。酸化ガス供給流路１４のガス上流側にはエアコンプレッサ２４とインタークーラ２６とを設けている。エアコンプレッサ２４により加圧された空気は、インタークーラ２６で冷却され、加湿器２８で加湿された後、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の流路に供給される。
【００２２】
また、空気を、加湿器２８を通過させてから燃料電池スタック１２に供給するための第１のガス流路である本経路３０とは別に、本経路３０とガスの流れに関して並行に、第２のガス流路であり、本経路３０の迂回路である加湿器バイパス経路３２を設けている。加湿器バイパス経路３２を通過する空気は、加湿器２８を通過せずに、燃料電池スタック１２に供給される。加湿器バイパス経路３２の途中に、加湿器バイパス弁１８を設けている。
【００２３】
また、燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の空気である空気オフガスを、燃料電池スタック１２から排出するために、酸化ガス系排出流路１６を設けている。酸化ガス系排出流路１６を通じて排出される空気オフガスは、調圧弁３４を介して加湿器２８に送られ、その後、図示しない希釈器を介して大気に放出される。調圧弁３４は、燃料電池スタック１２から排出される空気の圧力（背圧）が、燃料電池スタック１２の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。すなわち、調圧弁３４の弁開度によって酸化ガス系排出流路１６内の圧力センサＰ２の位置に対応する空気の圧力が調整される。また、加湿器２８は、燃料電池スタック１２から排出された後の空気から得た水分を、燃料電池スタック１２に供給される前の空気に与えて、加湿する役目を果たす。
【００２４】
なお、燃料電池スタック１２には、水素ガスを供給するための水素ガス供給流路と水素ガス系ガスを排出するための水素ガス系排出流路とを接続しているが、図１では図示を省略している。
【００２５】
また、酸化ガス供給流路１４の本経路３０において、加湿器バイパス経路３２の上流側接続部と加湿器２８との間、および、酸化ガス系排出流路１６において、加湿器２８よりもガス下流側の間に、ガスの流れに関して燃料電池スタック１２と並行になるように、燃料電池バイパス経路３６を接続している。そして、燃料電池バイパス経路３６の途中に燃料電池バイパス弁３８を設けている。燃料電池バイパス弁３８は、燃料電池スタック１２へ供給される空気の圧力を制御するために利用される。すなわち、燃料電池バイパス弁３８の弁開度により、酸化ガス供給流路１４の入口圧力センサＰ１の位置に対応する空気の圧力が調整される。なお、エアコンプレッサ２４から吐出される空気の流量により、入口圧力センサＰ１位置に対応する空気圧力を調整することもできる。もちろん、燃料電池バイパス弁３８の弁開度と、エアコンプレッサ２４による吐出流量との両方を利用して、入口圧力センサＰ１位置に対応する空気圧力を調整することもできる。
【００２６】
また、燃料電池システム１０は、氷点下等の低温始動時において、燃料電池スタック１２を速やかに温度上昇させることが好ましい。そして、このために、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの量に比べて、燃料電池スタック１２に供給される空気の量を、水素ガスとの反応により発電するのに見合う量よりも少なくし、すなわちカソードストイキ比を下げて、低効率で発電させ、燃料電池スタック１２を速やかに温度上昇させることが考えられる。ただし、この場合には、燃料電池スタック１２のアノード側の流路から電解質膜を介して水素がカソード側の流路に入り込み、酸化ガス系排出流路１６内の水素濃度が高くなる可能性がある。上記の燃料電池バイパス弁３８は、このような場合に開弁状態として、燃料電池スタック１２を通過しない空気により、酸化ガス系排出流路１６内の水素濃度を低下させるために利用することもできる。
【００２７】
さらに、酸化ガス供給流路１４の本経路３０の加湿器２８よりもガス下流側と、酸化ガス系排出流路１６の加湿器２８よりもガス上流側とに、それぞれ入口シャット弁２０と出口シャット弁２２とを設けている。
【００２８】
すなわち、それぞれ燃料電池用弁であり、流路内の空気の流れを調整する流体制御弁である、入口シャット弁２０と出口シャット弁２２と、さらには上記の加湿器バイパス弁１８とには、圧力制御用流路４０を介して、それぞれがノーマルクローズ型電磁弁である、３つずつのＰＳＶ（Pressure Switching Valve）が接続されている。
【００２９】
すなわち、加湿器バイパス弁１８には、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯの３つのＰＳＶが接続されている。また、入口シャット弁２０には、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯの３つのＰＳＶが接続されており、出口シャット弁２２には、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯの３つのＰＳＶが接続されている。これらのＰＳＶは、圧力制御用流路４０を介して、酸化ガス供給流路１４の本経路３０のガス上流側、例えばエアコンプレッサ２４と加湿器２８との間に接続される。これらのすべてのＰＳＶである、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯ，ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯ，ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯは、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の制御部により制御される。加湿器バイパス弁１８と入口シャット弁２０と出口シャット弁２２とは、いずれも内部の圧力室に存在する流体である、ガスの圧力差で駆動する。また、圧力制御用流路４０は、上記各弁１８，２０，２２に圧力差発生用の流体であるガスを供給する。
【００３０】
次に、図２および図３により、入口シャット弁２０と、出口シャット弁２２との構成および作用を、主に入口シャット弁２０により代表して説明する。入口シャット弁２０と出口シャット弁２２との構成自体は、同じである。また、加湿器バイパス弁１８の構成は後で説明する。
【００３１】
図２に示すように、入口シャット弁２０は、内部に設けたすべての圧力室が同圧であるノーマル状態において、弁体が開く開弁状態となるノーマルオープン型のシャット弁としている。
【００３２】
入口シャット弁２０は、複数のハウジング要素を結合して成るハウジング４２の内部に仕切り部４４で仕切った上下２個の空間を設けており、２個の空間に、それぞれ主ダイヤフラム４６と副ダイヤフラム４８とを設けることにより、主ダイヤフラム４６の上面側に閉弁用圧力室５０を、同じく下面側に開弁用圧力室５２を、副ダイヤフラム４８の上面側に大気圧室５４を、同じく下面側に流路構成圧力室５６を、それぞれ設けている。閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２と大気圧室５４と流路構成圧力室５６とは、互いに分離しており、これら圧力室５０，５２，５４，５６のうち、いずれの２の圧力室も内部で互いに連通していない。
【００３３】
また、主ダイヤフラム４６と副ダイヤフラム４８とは、弁体５８に結合している。すなわち、ハウジング４２の内部に駆動軸６０を有する弁体５８を備え、ハウジング４２に弁体５８を駆動軸６０の軸方向の変位可能に支持している。弁体５８は、駆動軸６０と、駆動軸６０の下端部に結合した円板状の弁体本体６２とを有する。また、駆動軸６０の中間部下端寄りに、外周面に駆動軸側円筒面部６３を有する有底円筒状の筒状部材６４を結合している。
【００３４】
また、筒状部材６４の底板部下面と弁体本体６２の上面との間に、ゴム等の弾性材製の副ダイヤフラム４８の内周側端部を狭持し、副ダイヤフラム４８の内周部を駆動軸６０に結合している。副ダイヤフラム４８の外周側端部は、ハウジング４２を構成する２個のハウジング要素により狭持するように、ハウジング４２の内周部に結合している。これにより、ハウジング４２内の仕切り部４４下側の空間の上側と下側とは、副ダイヤフラム４８により、大気圧室５４と流路構成圧力室５６とに分離される。
【００３５】
また、副ダイヤフラム４８の径方向中間部内径寄りに、駆動軸側円筒面部６３に沿って押し付けられるように弾性変形したダイヤフラム側円筒部６６を設けている。そして、図３に示すような閉弁状態から、副ダイヤフラム４８のうち、筒状部材６４の駆動軸側円筒面部６３とハウジング４２の内面との間に存在する、上方に山形の環状に変形した環状変形部６７の下面が流路構成圧力室５６の圧力を受けるようにしている。そして環状変形部６７の下面が流路構成圧力室５６の圧力を受けることにより、図２に示すように、ダイヤフラム側円筒部６６の上部を駆動軸側円筒面部６３から引き剥がすように弾性変形させつつ駆動軸６０が上方に変位するようにしている。
【００３６】
また、副ダイヤフラム４８の径方向中間部外径寄りに、ハウジング４２の内面に設けたハウジング側円筒面部６８に沿って押し付けられるように弾性変形した第２のダイヤフラム側円筒部７０を設けている。そして図２に示すような開弁状態から図３に示すように駆動軸６０が下方に変位する際に、第２のダイヤフラム側円筒部７０の上部をハウジング側円筒面部６８から引き剥がすように弾性変形するようにしている。
【００３７】
流路構成圧力室５６は、酸化ガス供給流路１４（図１参照）（出口シャット弁２２の場合は酸化ガス系排出流路１６）の一部を構成し、弁体５８によりガス上流側とガス下流側とが遮断または接続される。また、大気圧室５４には、一端を大気と連通させた大気連通管７２が接続されており、大気圧室５４が大気に開放されている。
【００３８】
また、弁体５８の上端部に２個の略円板状要素を結合してなる抑え部材７４が結合されており、２個の略円板状要素の間に、ゴム等の弾性材製の主ダイヤフラム４６の内周側端部を狭持している。主ダイヤフラム４６の外周側端部は、ハウジング４２を構成する２個のハウジング要素により狭持するように、ハウジング４２の内周部に結合している。これにより、ハウジング４２内の仕切り部４４上側の空間の上側と下側とは、主ダイヤフラム４６により、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とに分離される。また、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とに、給排管７６が接続されている。
【００３９】
さらに、抑え部材７４の下面と、仕切り部４４の上面との間に、弾力付与手段であるコイルばね７８を設けて、弁体５８に上方向、すなわち、開弁状態となる方向に弾力を付与している。弁体５８は下方向に変位することにより、弁体本体６２の下面が弁座８０に着座して、流路を遮断する。すなわち、駆動軸６０の軸方向の変位により、流路内が遮断または接続される。また、主ダイヤフラム４６を含む駆動軸６０上側の部分の受圧面積の直径は、副ダイヤフラム４８を含む駆動軸６０下側の部分の受圧面積の直径よりも十分に大きくしている。
【００４０】
このような入口シャット弁２０では、閉弁用圧力室５０を、給排管７６（図２、図３）を介して、ＰＳＶであるＶｉＣ側の圧力制御用流路４０に接続している。また、開弁用圧力室５２を、給排管７６を介して、ＰＳＶであるＶｉＯ側の圧力制御用流路４０に接続している。駆動軸６０の軸方向の変位により、主ダイヤフラム４６の中央部分が、上下に反り返るように変位する。
【００４１】
駆動軸６０の変位により図２に示すように、弁体５８が上向きに駆動されると、酸化ガス供給流路１４（図１）の上流側から入口シャット弁２０の入口８２に向かって流れる空気が、入口シャット弁２０の出口８４から燃料電池スタック１２（図１）側へ排出される。一方、駆動軸６０の変位により図３に示すように、弁体５８が下向きに駆動されると、出口８４が塞がれ、酸化ガス供給流路１４の上流側から燃料電池スタック１２に向かう空気の流れが遮断される。
【００４２】
なお、出口シャット弁２２の場合には、図１に示すように、入口シャット弁２０に対して、入口８２および出口８４が逆になる。そして、駆動軸６０（図２、図３）の変位により弁体５８が上方に駆動されると、酸化ガス系排出流路１６の上流側から出口シャット弁２２の入口８２に向かって流れる空気オフガスが、出口シャット弁２２の出口８４から加湿器２８側へ排出される。一方、駆動軸６０の変位により弁体５８が下向きに駆動されると、入口８２が塞がれ、酸化ガス系排出流路１６の上流側から加湿器２８に向かう空気オフガスの流れが遮断される。
【００４３】
駆動軸６０の軸方向の変位は、３つのＰＳＶによって制御される。すなわち、入口シャット弁２０の場合、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯの３つのＰＳＶによって、開弁用圧力室５２と閉弁用圧力室５０との圧力が制御される。また、出口シャット弁２２の場合には、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯの３つのＰＳＶによって開弁用圧力室５２と閉弁用圧力室５０との圧力が制御される。
【００４４】
図１に示す、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、３ＷＡＹ、すなわち、三方弁式のＰＳＶであり、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とのうち一方の圧力室を選択的に、エアコンプレッサ２４のガス上流側と接続し、他方の圧力室とエアコンプレッサ２４のガス上流側との間を遮断する。また、ＶｉＣ，ＶｉＯ，ＶｏＣ，ＶｏＯは、いずれも２Ｗａｙ式のＰＳＶであり、排気用バルブ、すなわち圧抜き用バルブとして機能する。
【００４５】
また、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、通電状態により流路の接続状態を変化させる。ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、通電されていない状態（非通電状態）において、エアコンプレッサ２４のガス吐出側と開弁用圧力室５２とを接続する。また、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、通電された状態（通電状態）で、エアコンプレッサのガス吐出側と閉弁用圧力室５０とを接続する。また、ＶｉＣ，ＶｉＯ，ＶｏＣ，ＶｏＯは、いずれも非通電状態で弁を閉鎖し、通電状態で弁を開放する、すなわち非作動時に流路を遮断するノーマルクローズ型電磁弁である。
【００４６】
なお、図１から図３において、ＶｉＳ（ＶｏＳ），ＶｉＣ（ＶｏＣ），ＶｉＯ（ＶｏＯ）を表している複数の三角形のうち、黒で塗りつぶした三角形は流路を遮断した状態を示しており、白抜きの三角形は流路を接続した状態を表している（後述する図４、図５も同様）。
【００４７】
このような入口シャット弁２０および出口シャット弁２２は、燃料電池スタック１２の発電停止時に閉弁状態とする。次に、図４を用いて、燃料電池スタックの発電を停止する際に、入口シャット弁２０（または出口シャット弁２２）を開弁状態（図２に示す状態）から閉弁状態（図３に示す状態）に移行させる場合を、入口シャット弁２０で代表して説明する。図４（ａ）に示すように、入口シャット弁２０を開弁している状態では、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｏＯをいずれも非通電状態としている。この状態では、エアコンプレッサ２４（図１）からの圧力上昇した空気が開弁用圧力室５２に圧力制御用流路４０を介して導入されている。なお、図４で、斜線部は、圧力上昇した空気が導入されることを表している（図５も同様）。
【００４８】
そして、この状態から、図４（ｂ）に示すように、ＶｉＳを通電状態とし、エアコンプレッサ２４（図１）からの圧力上昇した空気が、閉弁用圧力室５０に圧力制御用流路４０を介して導入されるようにする。また、ＶｉＯを通電状態、すなわち開弁状態として、開弁用圧力室５２を大気に開放する。この結果、閉弁用圧力室５０の圧力と開弁用圧力室５２の圧力（大気圧）との間に生じる圧力差により駆動軸６０に下方に向かう第１の力Ｆ１が作用する。一方、流路構成圧力室５６にも、エアコンプレッサ２４により圧力上昇した空気が導入されるため、流路構成圧力室５６の圧力と大気に連通する大気圧室５４の圧力との間に生じる圧力差により、駆動軸６０に第１の力Ｆ１と逆方向の、上方に向かう第２の力Ｆ２が作用する。ただし、本実施の形態の場合、図２、図３に示すように、主ダイヤフラム４６を含む駆動軸６０上側の部分の受圧面積の直径を、副ダイヤフラム４８を含む駆動軸６０下側の部分の受圧面積の直径よりも十分に大きくしている。このため、図４（ｂ）、図３に示すように、駆動軸６０が第２の力Ｆ２とコイルばね７８（図３）の弾力とに抗して下方に変位して、弁体本体６２が弁座８０に着座する。
【００４９】
そしてこの状態で、図４（ｃ）に示すように、ＶｉＳを非通電状態にし、すなわち、エアコンプレッサ２４吐出側が開弁用圧力室５２に通じるようにする。ただし、ＶｉＯが開弁しているため、開弁用圧力室５２内の圧力は上昇しない。この結果、閉弁用圧力室５０内の圧力と、閉弁用圧力室５０に通じる圧力制御用流路４０内の圧力とが高圧に維持されたままの状態となる。
【００５０】
次いで、エアコンプレッサ２４の駆動を停止した後に、図４（ｄ）に示すように、ＶｉＯを非通電状態、すなわち閉弁状態とする。この場合、開弁用圧力室５２内の圧力が低下するため、閉弁用圧力室５０内の圧力が開弁用圧力室５２内の圧力よりも大きい状態が維持されたままとなる。このため、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯすべてのＰＳＶが非通電状態となり、しかも入口シャット弁２０がノーマルオープン型であるのにもかかわらず、この入口シャット弁２０を閉弁状態のまま維持できる。同様にして、ノーマルオープン型の出口シャット弁２２（図１）も、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯを制御することにより、燃料電池スタック１２の発電停止の際に、開弁状態から閉弁状態に変化させ、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯのすべてのＰＳＶの非通電状態で、閉弁状態を維持する。
【００５１】
一方、図１に示す加湿器バイパス弁１８は、内部に設けたすべての圧力室がすべて同圧であるノーマル状態において、弁体５８が閉じる閉弁状態となるノーマルクローズ型のシャット弁としている。加湿器バイパス弁１８の詳細構造の図示は省略するが、図２、図３に示した入口シャット弁２０または出口シャット弁２２と同様の構造で、コイルばね７８（図２、図３参照）を、筒状部材６４の底板部上面と仕切り部４４下面との間に設けたような構造を有する。なお、加湿器バイパス弁１８においては、抑え部材７４（図２、図３参照）等の、弁体５８の上端部に固定した部材の上面とハウジング４２の下面との間に、コイルばねを設けて、ノーマルクローズ型のシャット弁とすることもできる（図１の略図参照）。
【００５２】
このような加湿器バイパス弁１８は、図１に示すように、ＰＳＶのＶｂＣ側の圧力制御用流路４０に閉弁用圧力室５０を、ＰＳＶのＶｂＯ側の圧力制御用流路４０に開弁用圧力室５２を、それぞれ接続している。
【００５３】
駆動軸６０の変位により弁体５８が上向きに駆動されると、加湿器バイパス経路３２の上流側から加湿器バイパス弁１８の入口８２に向かって流れる空気が、加湿器バイパス弁１８の出口８４から燃料電池スタック１２側へ排出される。一方、駆動軸６０の変位により弁体５８が下向きに駆動されると、出口８４が塞がれ、加湿器バイパス経路３２の上流側から燃料電池スタック１２に向かう空気の流れが遮断される。
【００５４】
駆動軸６０の軸方向の変位は、入口シャット弁２０、出口シャット弁２２の場合と同様に、３つのＰＳＶである、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯによって制御される。なお、図１において、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯを表している複数の三角形のうち、黒で塗りつぶした三角形は流路を遮断した状態を示しており、白抜きの三角形は流路を接続した状態を表している。
【００５５】
また、ＶｂＳは、通電状態により流路の接続状態を変化させる。ＶｂＳは、通電されていない状態（非通電状態）において、エアコンプレッサ２４のガス吐出側と閉弁用圧力室５０とを接続し、通電された状態（通電状態）で、エアコンプレッサ２４のガス吐出側と開弁用圧力室５２とを接続する。また、ＶｂＣ，ＶｂＯは、いずれも非通電状態で弁を閉鎖し、通電状態で弁を開放する、すなわち非作動時に流路を遮断するノーマルクローズ型電磁弁である。
【００５６】
このような加湿器バイパス弁１８は、燃料電池スタック１２の発電停止時に閉弁状態とする。このように加湿器バイパス弁１８を閉弁状態とする場合、図１に示すように、コイルばねの弾力により、弁体５８を弁座に押し付けた状態で、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯのすべてを非通電状態とする。
【００５７】
なお、加湿器バイパス弁１８は、エアコンプレッサ２４により圧力上昇した空気を閉弁用圧力室５０に導入するとともに、開弁用圧力室５２を大気に開放することによっても、閉弁状態とできる。この際、開弁用圧力室５２と閉弁用圧力室５０とでの圧力差により駆動軸６０に下方に作用する力と、コイルばねの弾力とにより、駆動軸６０が下方に駆動する。この場合、流路構成圧力室５６と大気圧室５４との圧力差により駆動軸６０に上方に力が作用するが、主ダイヤフラム４６（図２、図３参照）を含む駆動軸６０上側の部分の受圧面積の直径を、副ダイヤフラム４８（図２、図３参照）を含む駆動軸６０下側の部分の受圧面積の直径よりも十分に大きくしていることと、コイルばねの弾力とが相まって、駆動軸６０は下方に変位する。そして、加湿器バイパス弁１８が閉弁する。
【００５８】
上記のように、加湿器バイパス弁１８、入口シャット弁２０、出口シャット弁２２の圧力を制御するためのＰＳＶである、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯ，ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯ，ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯは、ＥＣＵ等の制御部（図示せず）により制御される。すなわち、制御部は、燃料電池スタック１２の発電停止時に、入口シャット弁２０と加湿器バイパス弁１８と出口シャット弁２２とのすべてを遮断、すなわち閉弁状態とすることにより、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の流路のガス上流側とガス下流側とを密に遮断する。
【００５９】
また、制御部は、入口シャット弁２０と加湿器バイパス弁１８と出口シャット弁２２とのうちの任意の弁において、エアコンプレッサ２４と通じる開弁用圧力室５２に第１の圧力値、すなわちエアコンプレッサ２４の第１の吐出圧に対応する圧力を作用させ、かつ、閉弁用圧力室５０をＰＳＶである、ＶｂＣ，ＶｉＣ，ＶｏＣのうち、任意の弁に対応するＰＳＶを通じて大気に開放することにより、上記の任意の弁を開弁するように駆動させる圧力付与手段を有する。
【００６０】
次に、入口シャット弁２０および出口シャット弁２２を、燃料電池スタック１２の発電運転開始時に閉弁状態から開弁状態とする場合の作用を、図５を用いて、入口シャット弁２０により代表して説明する。図５（ａ）は、上記の図４（ｄ）に対応する。入口シャット弁２０を開弁する場合、図５（ａ）で、ＶｉＳを非通電状態としたまま、エアコンプレッサ２４（図１参照）を始動させ、その後、図５（ｂ）に示ように、ＶｉＣを通電状態とし、すなわち開弁状態として、閉弁用圧力室５０を大気に開放する。これによって、閉弁用圧力室５０内の圧力上昇した空気が大気に放出され、圧力が低下する。また、エアコンプレッサ２４からの圧力上昇した空気が圧力制御用流路４０を通じて開弁用圧力室５２に導入される。これにより、開弁用圧力室５２の圧力と閉弁用圧力室５０の圧力（大気圧）との間に圧力差が生じる。
【００６１】
また、流路構成圧力室５６にもエアコンプレッサ２４から圧力上昇した空気が導入されるため、流路構成圧力室５６の圧力と、大気に連通する大気圧室５４の圧力との間にも圧力差が生じる。流路構成圧力室５６の圧力は、図３に示す副ダイヤフラム４８の環状変形部６７の下面に加わる。このため、副ダイヤフラム４８が筒状部材６４を押し上げて、図２、図５（ｂ）に示すように、駆動軸６０が上方に変位する。この結果、駆動軸６０は、流路構成圧力室５６と大気圧室５４とでの圧力差により駆動軸６０に上方に作用する第３の力Ｆ３と、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とでの圧力差により駆動軸６０に上方に作用する第４の力Ｆ４との両方の力Ｆ３、Ｆ４と、コイルばね７８（図２、図３）の弾力とにより、上方に駆動する。
【００６２】
また、入口シャット弁２０が開弁しきった状態で、ＶｉＣを非通電状態、すなわち閉弁状態として、閉弁用圧力室５０と大気との間を遮断する。そして、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯのすべてのＰＳＶの非通電状態で、入口シャット弁２０の開弁状態を維持する。また、同様にして、出口シャット弁２２（図１）の場合も、ＶｏＣを制御することにより、燃料電池スタック１２の発電運転開始時に、閉弁状態から開弁状態に変化させ、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯのすべてのＰＳＶの非通電状態で、開弁状態を維持する。
【００６３】
一方、図１に示す加湿器バイパス弁１８を開弁する場合、エアコンプレッサ２４により圧力上昇した空気を開弁用圧力室５２に導入するとともに、閉弁用圧力室５０を大気に開放する。この結果、エアコンプレッサ２４により圧力上昇した空気が導入される流路構成圧力室５６と大気圧室５４（図２、図３参照）とでの圧力差により駆動軸６０（図２、図３参照）に上方に作用する第３の力Ｆ３´と、閉弁用圧力室５０と開弁用圧力室５２とでの圧力差により駆動軸６０に上方に作用する第４の力Ｆ４´との両方の力Ｆ３´、Ｆ４´により、駆動軸６０がコイルばねの弾力に抗して上方に駆動する。そして、加湿器バイパス弁１８が開弁する。
【００６４】
上記の図４で入口シャット弁２０により代表して説明したように、燃料電池スタック１２の発電停止時においては、入口シャット弁２０と加湿器バイパス弁１８と出口シャット弁２２とのすべてを遮断、すなわち閉弁状態とする。これに対して、発電運転開始時には、上記の図５で入口シャット弁２０により代表して説明したように、出口シャット弁２２を開弁するのと同時に、入口シャット弁２０および加湿器バイパス弁１８のうちの一方の弁を開弁する。例えば、発電起動時には、入口シャット弁２０および加湿器バイパス弁１８のうちで加湿器バイパス弁１８のみを最初に開弁して、加湿器バイパス経路３２と本経路３０とのうち、加湿器バイパス経路３２のみを通じて燃料電池スタック１２に空気を供給する。そして、所定時間経過後に、入口シャット弁２０および加湿器バイパス弁１８のうちで入口シャット弁２０のみを開弁し、加湿器バイパス経路３２と本経路３０とのうちで、本経路３０のみを通じて燃料電池スタック１２に空気を供給して、発電するようにする。
【００６５】
なお、このように発電起動時に最初に加湿器バイパス経路３２を通じて燃料電池スタック１２に空気を供給するのは、起動時に加湿器２８を通過した空気を燃料電池スタック１２に供給すると、燃料電池スタック１２の温度が低い場合に内部に水が過度に溜まり、発電が阻害される可能性があるためである。このために、上記のように、発電起動時に最初に加湿器バイパス経路３２を通じて燃料電池スタック１２に乾燥した空気を供給することにより、燃料電池スタック１２内に水が過度に溜まることをより有効に防止して、発電性能をより有効に確保できるようにする。
【００６６】
ただし、入口シャット弁２０および加湿器バイパス弁１８のうち一方の弁が氷点下の環境での放置等により閉弁した状態で凍結等により固着する、すなわち、弁体５８が固定の部分に凍結等により固着して場合には、通常開弁する圧力を一方の弁の開弁用圧力室５２に作用させたのでは一方の弁が開弁しない可能性がある。このような事情から本実施の形態の場合には、ＥＣＵ等の制御部は、入口シャット弁２０および加湿器バイパス弁１８のうち一方の弁の開弁用圧力室５２内が、エアコンプレッサ２４の第１の吐出圧に対応する第１の圧力値である場合でも一方の弁が駆動しない異常時に、開弁用圧力室５２内の第１の圧力値を変化させる圧力変化手段である、燃料電池バイパス弁制御手段を有する。
【００６７】
燃料電池バイパス弁制御手段は、始動時に、燃料電池バイパス弁３８（図１）を所定開度（例えば５０％等）開放させるとともに、上記の一方の弁の開弁用圧力室５２内が第１の圧力値である場合でも上記の一方の弁が駆動しない異常時に、燃料電池バイパス弁３８の開度を絞る（例えば２０％の開度や、０％の開度、すなわち全閉とする。）ことにより、上記の一方の弁の開弁用圧力室５２に供給する空気の圧力値を第１の圧力値よりも増大させる機能を有する。
【００６８】
これについて、図６のフローチャートを用いてより詳しく説明する。図６は、発電起動時に、まず、加湿器バイパス弁１８（図１）と入口シャット弁２０（図１）とのうちで、加湿器バイパス弁１８のみを開放する場合の起動制御方法を表している。本実施の形態により、発電起動時に燃料電池スタック１２に空気を供給する場合、まず、ステップＳ１で、イグニッションキーのオン等により、燃料電池システム１０に起動指令が送られると、制御部の圧力付与手段は、加湿器バイパス弁１８の開弁指令に基づいて、加湿器バイパス弁１８を開弁するように、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯを開閉制御する指令信号を出す。すなわち、ＶｂＳ、ＶｂＣを通電状態とするための指令信号を出す。
【００６９】
次いで、圧力付与手段は、図６のステップＳ２において、燃料電池バイパス弁３８を半開（例えば５０％の開度）等、一定の開度に開弁して、エアコンプレッサ２４を作動し、圧力上昇した空気を送り出す。次いで、ステップＳ３において、制御部の燃料電池バイパス弁制御手段は、エアコンプレッサ２４（図１）の出口に位置する入口圧力センサＰ１の圧力検出値を監視しながら、入口圧力センサＰ１の圧力検出値が安定時間経過後に圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下にまで低下したか否かを判定する。安定時間は、例えば、エアコンプレッサ２４による空気の吐出流量（送量）が設定値の例えば８０％に達し、それに達してからｔ１secの所定時間待機して、安定待ちを行う時間である。エアコンプレッサ２４による空気の吐出流量は、図示しないエアフローメータにより監視する。
【００７０】
そして、ステップＳ３において、燃料電池バイパス弁制御手段により、安定時間経過後に入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になっていない、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁していない状態（バルブ開判定がＮＧ）であると判定されたならば、次に、ステップＳ４において、燃料電池バイパス弁３８の開度を（例えば５０％の開度から）絞り、加湿器バイパス弁１８の開弁用圧力室５２に供給される空気の圧力を上昇させる。
【００７１】
次いで、燃料電池バイパス弁制御手段は、ステップＳ６において、一定時間経過後に、再度、入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下にまで低下したか否かを判定する。このステップＳ６における判定によっても、入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になっていない、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁していない状態（バルブ開判定がＮＧ）であると判定されたならば、燃料電池バイパス弁３８の開度制御では、加湿器バイパス弁１８を開弁できないと判定して、次に、ステップＳ７において、バルブ異常シーケンスに移行する。
【００７２】
バルブ異常シーケンスでは、加湿器バイパス弁１８を開弁させずに、入口シャット弁２０を開弁するように、入口シャット弁２０駆動用のＰＳＶである、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯを開閉制御する。これにより、エアコンプレッサ２４から吐出された空気が本経路３０を通じて燃料電池スタック１２に供給され、発電が開始される。
【００７３】
これに対して、ステップＳ３において、安定時間経過後に入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になった、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁している状態（バルブ開判定がＯＫ）であると判定されたならば、ステップＳ５において、起動シーケンス処理を継続する。これにより、エアコンプレッサ２４から吐出された空気が加湿器バイパス経路３２を通じて燃料電池スタック１２に供給され、発電が開始される。
【００７４】
また、ステップＳ６において、安定時間経過後に入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になった、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁している状態（バルブ開判定がＯＫ）であると判定された場合も、ステップＳ５において、起動シーケンス処理を継続し、エアコンプレッサ２４から吐出された空気が加湿器バイパス経路３２を通じて燃料電池スタック１２に供給され、発電が開始されるようにする。ステップＳ５、Ｓ７のいずれのシーケンスの終了後、すなわち起動処理終了後においては、燃料電池バイパス弁３８を全閉状態とする。
【００７５】
なお、上記の説明においては、発電起動時に加湿器バイパス経路３２と本経路３０とのうちで、先に加湿器バイパス経路３２のみを通じて燃料電池スタック１２に空気を供給して、発電する場合について説明した。ただし、本実施の形態は、このような場合に限定するものではなく、発電起動時に、入口シャット弁２０と加湿器バイパス弁１８とのうちで、先に入口シャット弁２０のみを開弁して本経路３０を通じて燃料電池スタック１２に空気を供給する場合でも実施できる。この場合、ステップＳ１において、入口シャット弁２０の開弁指令を出し、ステップＳ７においてバルブ異常シーケンスに移行する場合には、加湿器バイパス弁１８の開弁指令を出す。そして、加湿器バイパス経路３２を通じて燃料電池スタック１２に空気を供給し、発電を開始する。
【００７６】
上記のような本実施の形態の燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ２４から供給される空気の圧力変化に応じて駆動する加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０と、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうちの一方の弁において、エアコンプレッサ２４と通じる開弁用圧力室５２に第１の圧力値を作用させることにより、上記の一方の弁を駆動させる圧力付与手段と、上記一方の弁の開弁用圧力室５２内が第１の圧力値である場合でも一方の弁が駆動しない異常時に、燃料電池バイパス弁３８の開度を絞ることにより、一方の弁の開弁用圧力室５２内の第１の圧力値を変化させる、すなわち圧力を上昇させる圧力変化手段である、燃料電池バイパス弁制御手段と、を備える。このため、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうち、一方の弁の固着時でもこの一方の弁において、エアコンプレッサ２４と通じる開弁用圧力室５２内の第１の圧力値を、燃料電池バイパス弁３８の開度を絞ることにより上昇させることにより変化させ、これにより、弁の固着を解除して、安定した運転を可能とすることができる。しかも、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうち、いずれかの弁を駆動させるために、燃料電池スタック１２内の燃料を消費させる必要がなく、燃料電池スタック１２の発電電力をより有効利用できる。
【００７７】
［第２の発明の実施の形態］
次に、図７は、第２の実施の形態の起動制御方法を表すフローチャートである。なお、以下の説明において、燃料電池システムの基本的構成は、上記の第１の実施の形態を表す図１の場合と同様であるため、図１の構成と同等部分には同一符号を付して説明する。まず、発電起動時には、加湿器バイパス弁１８と入口シャット弁２０とのうちで、最初に、加湿器バイパス弁１８のみを開放し、その後、加湿器バイパス弁１８と入口シャット弁２０とのうちで、入口シャット弁２０のみを開放する場合の起動制御方法を説明する。
【００７８】
本実施の形態の場合も、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうちの一方の弁において、エアコンプレッサ２４と通じる開弁用圧力室５２に、エアコンプレッサ２４の第１の吐出圧に対応する第１の圧力値を作用させることにより、上記の一方の弁を駆動させる圧力付与手段を備える。特に、本実施の形態では、上記の第１の実施の形態において、制御部が有する圧力変化手段として、上記一方の弁の開弁用圧力室５２内が第１の圧力値である場合でも一方の弁が駆動しない異常時に、燃料電池バイパス弁３８の開度を絞らず、その代わりに、エアコンプレッサ２４の吐出流量を所定流量まで上昇させることにより、一方の弁の開弁用圧力室５２内の第１の圧力値を変化させる流体供給部制御手段であるエアコンプレッサ制御手段を備える。
【００７９】
そして、図７のステップＳ３において、上記の図６に示した第１の実施の形態と同様に、制御部のエアコンプレッサ制御手段は、エアコンプレッサ２４の出口に位置する入口圧力センサＰ１の圧力検出値を監視しながら、入口圧力センサＰ１の圧力検出値が安定時間経過後に圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下にまで低下したか否かを判定する。
【００８０】
そして、ステップＳ３において、エアコンプレッサ制御手段により、安定時間経過後に入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になっていない、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁していない状態（バルブ開判定がＮＧ）であると判定されたならば、ステップＳ４において、エアコンプレッサ制御手段は、エアコンプレッサ２４（図１）の吐出流量を現在の流量に対して所定流量だけ増量させることにより、加湿器バイパス弁１８の開弁用圧力室５２に供給される空気の圧力を第１の圧力値よりも上昇させる。
【００８１】
次いで、エアコンプレッサ制御手段は、ステップＳ６において、一定時間経過後に、再度、入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下にまで低下したか否かを判定する。このステップＳ６における判定によっても、入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になっていない、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁していない状態（バルブ開判定がＮＧ）であると判定されたならば、エアコンプレッサ２４の吐出流量の増量では、加湿器バイパス弁１８を開弁できないと判定して、ステップＳ７において、上記の図６に示した第１の実施の形態と同様に、バルブ異常シーケンスに移行する。
【００８２】
これに対して、ステップＳ３において、安定時間経過後に入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になった、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁している状態（バルブ開判定がＯＫ）であると判定されたならば、ステップＳ５において、起動シーケンス処理を継続する。
【００８３】
また、ステップＳ６において、安定時間経過後に入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になった、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁している状態（バルブ開判定がＯＫ）であると判定された場合も、ステップＳ５において、起動シーケンス処理を継続し、エアコンプレッサ２４から吐出された空気が加湿器バイパス経路３２を通じて燃料電池スタック１２に供給されるようにする。
【００８４】
なお、上記の説明においては、発電起動時に加湿器バイパス経路３２と本経路３０とのうちで、先に加湿器バイパス経路３２のみを通じて燃料電池スタック１２に空気を供給して、発電する場合について説明した。ただし、本実施の形態は、このような場合に限定するものではなく、上記の第１の実施の形態と同様に、発電起動時に、入口シャット弁２０と加湿器バイパス弁１８とのうちで、先に入口シャット弁２０のみを開弁して本経路３０を通じて燃料電池スタック１２に空気を供給する場合でも実施できる。
【００８５】
上記のような本実施の形態の燃料電池システム１０の場合、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうちの一方の弁の開弁用圧力室５２内が、第１の圧力値である場合でも一方の弁が駆動しない異常時に、エアコンプレッサ２４の吐出流量を増量することにより、一方の弁の開弁用圧力室５２内の第１の圧力値を変化させる、すなわち開弁用圧力室５２内の圧力値を第１の圧力値よりも上昇させる圧力変化手段である、エアコンプレッサ制御手段を備える。このため、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうち、一方の弁の固着時でもこの一方の弁において、エアコンプレッサ２４と通じる開弁用圧力室５２内の圧力値を、エアコンプレッサ２４の吐出流量を増量することにより上昇させることにより、一方の弁の固着を解除して、これにより、安定した運転を可能とすることができる。
その他の構成および作用については、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態の場合と同様であるため、同等部分に関する図示ならびに説明を省略する。
【００８６】
［第３の発明の実施の形態］
なお、図示は省略するが、第３の実施の形態として、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と、上記の図７に示した第２の実施の形態とを組み合わせることもできる。すなわち、以下、上記の第１の実施の形態を表す図１の符号を用いて説明するが、本実施の形態の場合、上記の各実施の形態と同様に、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうちの一方の弁において、エアコンプレッサ２４と通じる開弁用圧力室５２に、エアコンプレッサ２４の第１の吐出圧に対応する第１の圧力値を作用させることにより、上記の一方の弁を駆動させる圧力付与手段を備える。また、上記の第１の実施の形態において、制御部が有する圧力変化手段として、上記一方の弁の開弁用圧力室５２内がエアコンプレッサ２４の第１の吐出圧に対応する第１の圧力値である場合でも一方の弁が駆動しない異常時に、燃料電池バイパス弁３８の開度を絞るとともに、流体供給部であるエアコンプレッサ２４による空気の吐出流量を上昇させるエアコンプレッサ燃料電池バイパス弁制御手段とする。
【００８７】
このような本実施の形態の場合、例えば、上記の図６に示した第１の実施の形態において、ステップＳ４で、エアコンプレッサ燃料電池バイパス弁制御手段は、エアコンプレッサ２４の吐出流量を所定流量分増量するとともに、燃料電池バイパス弁３８の開度を絞り、加湿器バイパス弁１８または入口シャット弁２０の開弁用圧力室５２に供給する空気の圧力を上昇させる。このような構成の場合には、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうち一方の弁の固着時でも、この一方の弁をより駆動させやすくなる。
その他の構成および作用については、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態または図７に示した第２の実施の形態と同様である。
【００８８】
［第４の発明の実施の形態］
次に、図８から図１０は、第４の実施の形態を示している。なお、以下の説明においても、燃料電池システムの基本的構成は、上記の第１の実施の形態を表す図１の場合と同様であるため、図１の構成と同等部分には同一符号を付して説明する。まず、図８は、本実施の形態により解決しようとする不都合と、この不都合を解決する原理とを示す略図である。すなわち、図８は、加湿器バイパス弁１８または入口シャット弁２０において、弁体５８と、弁体５８を摺動させる摺動部である、仕切り部４４に設けた孔部との関係を表している。本実施の形態により解決しようとする不都合は、図８（ａ）に示すように、加湿器バイパス弁１８または入口シャット弁２０において、弁体５８が仕切り部４４に設けた孔部の軸方向に対し傾斜した状態で、弁体５８が孔部の角部等に引っ掛かり、開弁しきらない状態で固着することである。このように弁体５８が孔部に固着した場合、弁体５８が凍結により固定の部分に固着して開弁しない場合と同様に、通常開弁する圧力を加湿器バイパス弁１８または入口シャット弁２０の開弁用圧力室５２に作用させたのでは加湿器バイパス弁１８または入口シャット弁２０が開弁しきらない可能性がある。
【００８９】
このような不都合を解決するために、本実施の形態の場合には、ＥＣＵ等の制御部は、上記の各実施の形態と同様に、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうち一方の弁において、エアコンプレッサ２４（図１）と通じる開弁用圧力室５２に第１の圧力値を作用させることにより、一方の弁を駆動させる圧力付与手段を備える。また、制御部は、一方の弁の開弁用圧力室５２内が第１の圧力値である場合でも一方の弁が駆動しない異常時に、一方の弁の開弁用圧力室５２内の圧力値を変化させる、すなわち、上下交互に変動させる圧力変化手段である、第２のエアコンプレッサ制御手段を有する。第２のエアコンプレッサ制御手段は、エアコンプレッサ２４により上記一方の弁の開弁用圧力室５２に供給する空気の供給圧を上下交互に変動させる。このために、第２のエアコンプレッサ制御手段は、エアコンプレッサ２４の吐出流量を、パルス的または所定時間おきに増加と減少とを交互に繰り返すように変化させる。
【００９０】
次に、図９のフローチャートを用いて、本実施の形態における起動処理方法を、より詳しく説明する。図９は、発電起動時に、加湿器バイパス弁１８と入口シャット弁２０とのうちで、最初に加湿器バイパス弁１８のみを開放する場合での起動制御方法を表している。本実施の形態により、発電起動時に燃料電池スタック１２に空気を供給する場合、まず、ステップＳ１で、イグニッションキーのオン等により、燃料電池システム１０に起動指令が送られると、制御部の圧力付与手段は、加湿器バイパス弁１８の開弁指令に基づいて、上記の図６に示した第１の実施の形態と同様に、加湿器バイパス弁１８を開弁するように、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯを開閉制御する指令信号を出す。
【００９１】
次いで、ステップＳ２において、圧力付与手段は、燃料電池バイパス弁３８を半開（例えば５０％の開度）等、一定の開度に開弁して、エアコンプレッサ２４を作動し、圧力上昇した空気を送り出す。次いで、ステップＳ３において、上記の図６に示した第１の実施の形態と同様に、制御部の第２のエアコンプレッサ制御手段は、エアコンプレッサ２４の出口に位置する入口圧力センサＰ１の圧力検出値を監視しながら、入口圧力センサＰ１の圧力検出値が安定時間経過後に圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下にまで低下したか否かを判定する。
【００９２】
そして、ステップＳ３において、第２のエアコンプレッサ制御手段により、安定時間経過後に入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になっていない、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁しきっていない状態（バルブ開判定がＮＧ）であると判定されたならば、ステップＳ４において、第２のエアコンプレッサ制御手段は、エアコンプレッサ２４の吐出流量を、パルス的または所定時間おきに増加と減少とを交互に繰り返すように変化させる。図１０（ａ）は、エアコンプレッサ２４の吐出流量を所定時間おきに増加と減少とを交互に繰り返すように変化させる１例の時間変化を示している。これに対応して、図１０（ｂ）に示すように、加湿器バイパス弁１８の弁体５８に作用する駆動力である加湿器バイパス弁１８駆動力も、所定時間おきに増加と減少とを交互に繰り返すように変化する。
【００９３】
次いで、図９に戻り、第２のエアコンプレッサ制御手段は、ステップＳ６において、一定時間経過後に、再度、入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下にまで低下したか否かを判定する。このステップＳ６における判定によっても、入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になっていない、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁していない状態（バルブ開判定がＮＧ）であると判定されたならば、エアコンプレッサ２４の吐出流量を変化させる制御では、加湿器バイパス弁１８を開弁しきれないと判定して、ステップＳ７において、上記の図６に示した第１の実施の形態と同様に、バルブ異常シーケンスに移行する。
【００９４】
これに対して、ステップＳ３において、安定時間経過後に入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になった、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁している状態（バルブ開判定がＯＫ）であると判定されたならば、ステップＳ５において、起動シーケンス処理を継続する。
【００９５】
また、ステップＳ６において、安定時間経過後に入口圧力センサＰ１の圧力検出値が圧力閾値Ｐｓ（ｋＰａ）以下になった、すなわち、加湿器バイパス弁１８が正常に開弁している状態（バルブ開判定がＯＫ）であると判定された場合も、ステップＳ５において、起動シーケンス処理を継続し、エアコンプレッサ２４から吐出された空気が加湿器バイパス経路３２を通じて燃料電池スタック１２に供給されるようにする。
【００９６】
なお、上記の説明においては、発電起動時に加湿器バイパス経路３２と本経路３０とのうちで、先に加湿器バイパス経路３２のみを通じて燃料電池スタック１２に空気を供給して、発電する場合について説明した。ただし、本実施の形態は、このような場合に限定するものではなく、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同様に、発電起動時に、入口シャット弁２０と加湿器バイパス弁１８とのうちで、先に入口シャット弁２０のみを開弁して本経路３０を通じて燃料電池スタック１２に空気を供給する場合でも実施できる。
【００９７】
上記のような本実施の形態の燃料電池システム１０の場合、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうち一方の弁において、エアコンプレッサ２４と通じる開弁用圧力室５２に第１の圧力値を作用させることにより、上記の一方の弁を駆動させる圧力付与手段と、上記一方の弁の開弁用圧力室５２内が第１の圧力値である場合でも一方の弁が駆動しない異常時に、一方の弁の開弁用圧力室５２内の第１の圧力値を変化させる、すなわちエアコンプレッサ２４の吐出流量を上下交互に変動させる圧力変化手段である、第２のエアコンプレッサ制御手段と、を備える。このため、上記一方の弁の弁体５８の駆動軸６０（図２、図３参照）が摺動部である、仕切り部４４の孔部に対し傾斜する等により駆動軸６０が固定の部分に引っ掛かる等により弁が固着して、通常駆動する圧力値を開弁用圧力室５２に作用させたのでは弁が駆動しない場合でも、圧力変動により弁体５８に軸方向片側と軸方向他側とに交互に力を作用させることができる。このため、弁の固着を解除して、弁を駆動させることができる。
【００９８】
すなわち、図８（ｂ）（ｃ）に示すように、エアコンプレッサ２４の吐出流量の上下変化により、弁体５８に上下方向両側に交互に力を作用させることにより、弁体５８に一方向に力を加えるだけでは弁体５８の引っ掛かりを解除できない場合でもこの引っ掛かりを解除でき、弁体５８の摺動部に対する傾斜を修正して、弁を円滑に駆動させることができる。これにより、安定した運転を可能とすることができる。しかも、加湿器バイパス弁１８および入口シャット弁２０のうち、いずれかの弁を駆動させるために、燃料電池スタック１２内の燃料を消費させる必要がなく、燃料電池スタック１２の発電電力をより有効利用できる。
その他の構成および作用については、上記の図１から図６に示した第１の実施の形態と同様である。
【００９９】
［第５の発明の実施の形態］
なお、図示は省略するが、第５の実施の形態として、上記の図８から図１０に示した第４の実施の形態において、入口シャット弁２０と加湿器バイパス弁１８とのうち一方の弁の開弁用圧力室５２内が第１の圧力値である場合でも一方の弁が駆動しない異常時に、一方の弁の開弁用圧力室５２内の圧力値を上下変動させる圧力変化手段を、第２の燃料電池バイパス弁制御手段とすることもできる。第２の燃料電池バイパス弁制御手段は、上記異常時に、加湿器バイパス弁１８の開度を大小に交互に繰り返すように変化させる。このような第２の燃料電池バイパス弁制御手段を有する場合も、上記の第４の実施の形態と同様に、弁体５８（図８参照）に両側に力を交互に作用させることができ、弁体５８の引っ掛かり等による固定の部分に対する固着を解除して、弁を円滑に駆動させることができ、安定した運転を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの基本構成を示す図である。
【図２】図１の燃料電池システムに使用する入口シャット弁（または出口シャット弁）の構造を、開弁状態で示す断面図である。
【図３】同じく閉弁状態で示す断面図である。
【図４】入口シャット弁を開弁状態から閉弁状態に移行する場合のＰＳＶの切り替えを説明するための略断面図である。
【図５】入口シャット弁を閉弁状態から開弁状態に移行する場合のＰＳＶの切り替えを説明するための略断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、起動制御方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、起動制御方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムが解決しようとする課題である、弁体が摺動部の軸方向に対し傾斜して固着した状態（ａ）と、その固着を解除するために弁体に力を両方向に交互に作用させる状態（ｂ）（ｃ）とを示す略図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、起動制御方法を示すフローチャートである。
【図１０】図９のステップＳ４において、エアコンプレッサの吐出流量の時間変化を示す図（ａ）と、加湿器バイパス弁の弁体に作用する弁駆動力の時間変化とを示す図（ｂ）である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０  燃料電池システム、１２  燃料電池スタック、１４  酸化ガス供給流路、１６  酸化ガス系排出流路、１８  加湿器バイパス弁、２０  入口シャット弁、２２  出口シャット弁、２４  エアコンプレッサ、２６  インタークーラ、２８  加湿器、３０  本経路、３２  加湿器バイパス経路、３４  調圧弁、３６  燃料電池バイパス経路、３８  燃料電池バイパス弁、４０  圧力制御用流路、４２  ハウジング、４４  仕切り部、４６  主ダイヤフラム、４８  副ダイヤフラム、５０  閉弁用圧力室、５２  開弁用圧力室、５４  大気圧室、５６  流路構成圧力室、５８  弁体、６０  駆動軸、６２  弁体本体、６３  駆動軸側円筒面部、６４  筒状部材、６６  ダイヤフラム側円筒部、６７  環状変形部、６８  ハウジング側円筒面部、７０  第２のダイヤフラム側円筒部、７２  大気連通管、７４  抑え部材、７６  給排管、７８  コイルばね、８０  弁座、８２  入口、８４  出口。
【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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【図１０】
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