(57)【要約】【課題】システム全体の構成を簡略化する。【解決手段】エアコンプレッサ１３２により圧縮されたエアが圧縮ガス供給口９２に供給されたとき、第１副室５４Ａの内部圧力が上昇し、コイルばね９０の押圧力（復元力）に打ち勝ってダイアフラム７４を図中上方向に変形させる。ダイアフラム７４が上方向に変形すると、ダイアフラム７４に弁体支持軸６５を介して連結された弁体６０は、開弁する。なお、弁体６０の上昇に伴って、ベロフラム７０も変形する。圧縮ガス供給口９２への圧縮エアの供給が停止されたときには、コイルばね９０の押圧力によりダイアフラム７４は図中下方向の力を受け、下方向に変形する。ダイアフラム７４が下方向に変形すると、閉弁する。【選択図】図２
2009252357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に連結された酸化剤ガス用のガス通路に配設される燃料電池用開閉弁であって、
酸化剤ガスの出入口であって前記燃料電池側に開く第１の開口と、前記出入口であって前記燃料電池とは反対側に開く第２の開口とを備えるケーシングと、
前記第１の開口に形成された弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記弁体を収容し前記第２の開口に連通する弁室と、弁制御を行うための副室とに前記ケーシングの内部を区画する仕切り板と、
前記弁室の内壁と前記弁体との間に配設されることにより、前記弁体が前記弁座から離間したときに前記第１の開口と前記第２の開口との間を連通させる弁室内第１室と、大気への第１の開放口を備える弁室内第２室とに前記弁室の内部を区画するベロフラムと、
前記副室の内部に配設されることにより、前記弁室側の第１副室と、前記弁室と反対側であって大気への第２の開放口を備える第２副室とに前記副室の内部を区画する変形可能なダイアフラムと、
前記仕切り板を貫通し前記ダイアフラムと前記弁体との間を連結することにより、前記ダイアフラムの変形により前記弁体を前記着座または離間させる弁体支持軸と、
前記弁体に前記弁座に向かう方向の力が作用するように前記ダイアフラムを圧する弾性部材と、
前記第１副室に設けられ、圧縮ガスの供給を受ける圧縮ガス供給口と
を備える燃料電池用開閉弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用開閉弁であって、
前記弾性部材は、コイルばねである、燃料電池用開閉弁。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池用開閉弁であって、
前記酸化剤ガスは、エアであり、
前記圧縮ガス供給口に供給される圧縮ガスは、エアコンプレッサにより圧縮されたエアである、燃料電池用開閉弁。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用開閉弁であって、
当該燃料電池用開閉弁が配設される前記ガス通路は、
前記燃料電池の酸化剤ガス供給口に至る酸化剤ガス供給通路である、燃料電池用開閉弁。
【請求項５】
燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスとしてのエアを供給するエア供給通路と、
前記エア供給通路に設けられたエアコンプレッサと、
前記エア供給通路における前記エアコンプレッサよりも下流側に設けられた、請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池用開閉弁と、
前記エアコンプレッサにより圧縮されたエアを前記燃料電池用開閉弁の備える圧縮ガス供給口に供給する制御用エア通路と、
前記燃料電池用開閉弁の開閉を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池用開閉弁の開弁要求があるときに、前記エアコンプレッサを起動する開弁時制御手段と、
前記燃料電池用開閉弁の閉弁要求があるときに、前記エアコンプレッサを停止し、前記燃料電池から電流を掃引する処理を行う閉弁時制御手段と
を備える、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、燃料電池に連結された酸化剤ガス用のガス通路に配設される燃料電池用開閉弁と、前記燃料電池用開閉弁を備える燃料電池システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、カソード電極に酸素を含む酸化剤ガス（例えば、エア）を供給し、アノード電極に水素を含む燃料ガスを供給することにより、水素と酸素とを電気化学的に反応させて直接的に電気エネルギを取り出すことができる。上記酸化剤ガスおよび燃料ガスは、燃料電池に連結されたそれぞれのガス通路を介して供給される。各ガス通路には、開閉弁がそれぞれ設けられる。
【０００３】
上記燃料電池用開閉弁として、ダイアフラムを用いて弁体を制御する構成のものがよく知られている（例えば、特許文献１および２）。ダイアフラムは弁体側の圧力室と弁体と反対側の圧力室とを区画しており、両圧力室の差圧を制御することによりダイアフラムを変形させて、ダイアフラムに接続される弁体の開閉を制御する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８３７０６号公報
【特許文献２】特開２００４−１８５８７２号公報
【０００５】
しかしながら、前記従来の燃料電池用開閉弁では、ダイアフラムで区画される両圧力室へのガス供給を制御するための駆動用バルブを別途設ける必要があることから、燃料電池用開閉弁を備えるシステム全体の構成を複雑化させる問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、燃料電池用開閉弁を備えるシステム全体の構成を簡略化することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
燃料電池に連結された酸化剤ガス用のガス通路に配設される燃料電池用開閉弁であって、
酸化剤ガスの出入口であって前記燃料電池側に開く第１の開口と、前記出入口であって前記燃料電池とは反対側に開く第２の開口とを備えるケーシングと、
前記第１の開口に形成された弁座に対して着座または離間する弁体と、
前記ケーシングの内部に配設されることにより、前記弁体を収容し前記第２の開口に連通する弁室と、弁制御を行うための副室とに前記ケーシングの内部を区画する仕切り板と、
前記弁室の内壁と前記弁体との間に配設されることにより、前記弁体が前記弁座から離間したときに前記第１の開口と前記第２の開口との間を連通させる弁室内第１室と、大気への第１の開放口を備える弁室内第２室とに前記弁室の内部を区画するベロフラムと、
前記副室の内部に配設されることにより、前記弁室側の第１副室と、前記弁室と反対側であって大気への第２の開放口を備える第２副室とに前記副室の内部を区画する変形可能なダイアフラムと、
前記仕切り板を貫通し前記ダイアフラムと前記弁体との間を連結することにより、前記ダイアフラムの変形により前記弁体を前記着座または離間させる弁体支持軸と、
前記弁体に前記弁座に向かう方向の力が作用するように前記ダイアフラムを圧する弾性部材と、
前記第１副室に設けられ、圧縮ガスの供給を受ける圧縮ガス供給口と
を備える燃料電池用開閉弁。
【０００８】
適用例１の燃料電池用開閉弁によれば、圧縮ガスが圧縮ガス供給口に供給されたとき、第１副室の内部圧力が上昇し、弾性部材の復元力に打ち勝ってダイアフラムを弁体と反対側の方向に変形させる。この結果、ダイアフラムに弁体支持軸を介して連結された弁体は、弁座から離れる方向に移動する。なお、弁体の上昇に伴って、ベロフラムは変形する。
【０００９】
一方、上記燃料電池用開閉弁を閉じるときには、圧縮ガス供給口への圧縮ガスの供給を停止する。すなわち、圧縮ガス供給口への圧縮エアの供給が停止されたときには、コイルばねの復元力によりダイアフラムは弁体方向に変形する。ダイアフラムが弁体方向に変形すると、ダイアフラムに弁体支持軸を介して連結された弁体は、弁座方向に移動する。なお、弁体の下降に伴って、開弁動作時に変形したベロフラムは元の状態に復帰する。この結果、弁体が弁座に着座した状態となる。
【００１０】
したがって、適用例１の燃料電池用開閉弁によれば、圧縮ガス供給口に圧縮ガスを供給するか、その供給を停止するかを制御するだけで、弁体の開閉を制御することができる。このために、ダイアフラムで区画される第１副室と第２副室との差圧を制御するための駆動用バルブを別途設ける必要がないことから、燃料電池用開閉弁を備えるシステム全体の構成を簡略化することができるという効果を奏する。
【００１１】
また、適用例１の燃料電池用開閉弁によれば、弁座が形成される第１の開口が燃料電池側に開くように構成されていることから、酸化剤ガス用のガス通路（以下、単に「酸化剤ガス通路」とも呼ぶ）の封止を容易に行うことができる。燃料電池のセル内酸化ガス流路が負圧の状態となることで、燃料電池側に連通する第１の開口付近も負圧となることから、弁体は弁座方向に強く押し付けられるためである。
【００１２】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池用開閉弁であって、前記弾性部材は、コイルばねである、燃料電池用開閉弁。この構成によれば、構成をより簡単とすることができる。
【００１３】
［適用例３］
適用例１または２に記載の燃料電池用開閉弁であって、前記酸化剤ガスは、エアであり、前記圧縮ガス供給口に供給される圧縮ガスは、エアコンプレッサにより圧縮されたエアである、燃料電池用開閉弁。この構成によれば、従来のエア流路系をそのまま採用することができる。
【００１４】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載の燃料電池用開閉弁であって、当該燃料電池用開閉弁が配設される前記ガス通路は、前記燃料電池の酸化剤ガス供給口に至る酸化剤ガス供給通路である、燃料電池用開閉弁。
【００１５】
適用例４の燃料電池用開閉弁によれば、第１の開口が酸化剤ガス供給通路の下流側に開くガス出口として機能し、第２の開口が酸化剤ガス供給通路の上流側に開くガス入口として機能する。この場合に、ベロフラムは、ガス入口としての第２の開口から流入する酸化剤ガスの流入圧を受けて、弁体に弁座と反対方向の力を作用させるように働く。ベロフラムを備えない従来の燃料電池用開閉弁によれば、前記酸化剤ガスの流入圧を弁体の表面（弁座とは反対の面）で受けることになることから、弁体に弁座方向の力を作用させることになり、開弁性を損ねていたが、適用例４の燃料電池用開閉弁によれば、上記のように弁体に弁座と離れる方向への力が作用することから、開弁性に優れている。また、開弁性に優れていることから、弁体を大きくすることができる。このために第１の開口の面積を大きくし、エアの圧損低減を図ることができる。
【００１６】
［適用例５］
燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスとしてのエアを供給するエア供給通路と、
前記エア供給通路に設けられたエアコンプレッサと、
前記エア供給通路における前記エアコンプレッサよりも下流側に設けられた、請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池用開閉弁と、
前記エアコンプレッサにより圧縮されたエアを前記燃料電池用開閉弁の備える圧縮ガス供給口に供給する制御用エア通路と、
前記燃料電池用開閉弁の開閉を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池用開閉弁の開弁要求があるときに、前記エアコンプレッサを起動する開弁時制御手段と、
前記燃料電池用開閉弁の閉弁要求があるときに、前記エアコンプレッサを停止し、前記燃料電池から電流を掃引する処理を行う閉弁時制御手段と
を備える、燃料電池システム。
【００１７】
適用例５の燃料電池システムによれば、従来のように、駆動用バルブを別途設ける必要がないことから、構成を簡略化することができる。また、この燃料電池システムによれば、燃料電池用開閉弁の閉弁要求があるときに、エアコンプレッサを停止した後、燃料電池から電流を掃引する処理を行っていることから、燃料電池のセル内酸化ガス流路を積極的に負圧の状態とすることができる。このために、酸化剤ガス通路を確実に封止することができる。
【００１８】
本発明は、上記適用例以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池用開閉弁を備えた種々の燃料電池システムとした形態等で実現することが可能である。また、例えば、上記各適用例において、燃料電池は、固体高分子型の燃料電池とすることができる。この構成によれば、燃料電池の取り扱いの利便がよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例の燃料電池用開閉弁を備える燃料電池システム１００の全体構成図である。図示するように、この燃料電池システム１００は、水素ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの供給を受けて電力を発生する燃料電池スタック１１０と、酸化剤ガスとしてのエア（空気）を流通させるためのエア流路系１２０とを備える。燃料電池システム１００は、その他の流路系として、水素ガスをシステム内で流通させるための水素ガス流路系と、燃料電池スタック１１０の冷却用の冷却水を流通させるための冷却水系とを備えるが、両流路系について図示は省略した。
【００２０】
さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の運転をコントロールするパワーコントロールユニット１５０を備えている。この燃料電池システム１００は、車両の駆動モータ（図示せず）の供給電源として使用され、燃料電池スタック１１０で発生された電力を負荷である駆動モータ等に与えている。
【００２１】
燃料電池スタック１１０は、多数の燃料電池セルが積層されたスタック構造を有するものである。燃料電池セルは、主として、固体高分子電解質膜の両面に水素極および酸素極が配置された膜電極接合体と、膜電極接合体を両面から挟み込むセパレータとを備えるもので、いわゆる固体高分子型のものである。燃料電池セルは、水素極に水素ガスの供給を受け、酸素極に酸化ガスの供給を受けることにより、水素極と酸素極において電気化学反応を起こし、電力を発生させる。
【００２２】
エア流路系１２０は、燃料電池スタック１１０の酸化剤ガス供給口に至るエア供給通路１３０と、燃料電池スタック１１０の酸化剤ガス排出口に接続されるエア排出通路１４０とを備える。前記酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口は、マニホールド（図示せず）を介して各燃料電池セルの酸素極に設けられる燃料電池セル内酸化剤ガス流路（図示せず）に接続されている。
【００２３】
エア供給通路１３０には、上流側から、エアコンプレッサ１３２と、インタークーラ１３４と、加湿モジュール１３６と、本発明に係る開閉弁１０とが配置されている。エア排出通路１４０には、上流側から、エア調圧弁１４２と、前述の加湿モジュール１３６とが配置されている。なお、エア供給通路１３０およびエア排出通路１４０には、上記以外にも種々のパーツを配置してもよい。
【００２４】
パワーコントロールユニット１５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。パワーコントロールユニット１５０は、エア供給通路１３０に設けられた圧力センサＰ１やエア排出通路１４０に設けられた圧力センサＰ２等の各種センサから得られた検出結果を入力すると共に、エアコンプレッサ１３２やエア調圧弁１４２等を制御する。また、パワーコントロールユニット１５０は、図示しない負荷等を制御して、燃料電池スタック１１０の運転状態を制御する。
【００２５】
パワーコントロールユニット１５０によってエアコンプレッサ１３２を駆動すると、酸化剤ガスとして大気中の空気（エア）が取り込まれ、エアコンプレッサ１３２によって加圧される。加圧されたエアは、インタークーラ１３４により冷却され、エア供給通路１３０を通り、加湿モジュール１３６により加湿され、開閉弁１０を介して燃料電池スタック１１０に供給される。供給されたエアは、燃料電池スタック１１０内において、電気化学反応に使用された後、酸素オフガスとして排出される。排出された酸素オフガスは、エア排出通路１４０を通り、エア調圧弁１４２を介した後、再び、加湿モジュール１３６に流入される。
【００２６】
燃料電池スタック１１０内の酸素極側では、水が生成されるため、燃料電池スタック１１０から排出される酸素オフガスは、非常にウェットで、多くの水分を含んでいる。一方、大気中から取り入れて、エアコンプレッサ１３２によって加圧されたエアは、湿度の低いガスである。本実施例では、エア供給通路１３０とエア排出通路１４０を一つの加湿モジュール１３６を通過させ、両者の間で水蒸気交換を行うことにより、吸排気の湿度調整を図っている。こうして、加湿モジュール１３６において或る程度ドライになった酸素オフガスは、気液分離器（図示せず）を通過して、燃料電池システム１００の外側に排出される。
【００２７】
Ａ−２．開閉弁の構成：
燃料電池用開閉弁としての開閉弁１０について、次に詳細に説明する。この開閉弁１０は、前述したようにエア供給通路１３０に配設されるものであり、定常状態では弁閉状態となる、いわゆるノーマルクローズド型の弁である。図２は、開閉弁１０の断面図である。この図は閉弁時のものである。図示するように、開閉弁１０は、ボディ下部２０と、ボディ上部３０と、蓋部４０とにより構成されるケーシング５０を備える。
【００２８】
ボディ下部２０は、下側の開口２２と上側の開口２４とを備える円筒状の部材であり、さらに、円筒の側周壁には、突出した開口２６を備える。下側の開口２２と側周壁の開口２６とがエア供給通路１３０に対する接続口、すなわちエアの出入口となる。開閉弁１０においては、下側の開口２２は、エア供給通路１３０の下流側、すなわち燃料電池スタック１１０側に接続され、側周壁の開口２６は、エア供給通路１３０の上流側、すなわち燃料電池スタック１１０の反対側に接続される（図１参照）。換言すれば、開閉弁１０においては、下側の開口２２は、エア供給通路１３０の下流側に開くエア出口として機能し、側周壁の開口２６は、エア供給通路１３０の上流側に開くエア入口として機能する。以下、下側の開口２２を「エア出口２２」と呼び、側周壁の開口２６を「エア入口２６」と呼ぶ。なお、エア出口２２が本発明の「第１の開口」に相当し、エア入口２６が本発明の「第２の開口」に相当する。
【００２９】
ボディ上部３０は、下側の開口３２と上側の開口３４とを備える円筒状の部材である。下側の開口３２は、ボディ下部２０における上側の開口２４と連結される。詳細には、両者の間は溶着により連結される。この結果、ボディ下部２０の上側にボディ上部３０が連結される。また、ボディ上部３０は、上側の開口３２の周囲にボルト代部３６を備える。
【００３０】
一方、蓋部４０は、ボディ上部３０におけるボルト代部３６の形状に対応する形状のボルト代部４２を備える。蓋部４０は、自身のボルト代部４２がボディ上部３０のボルト代部３６と合わさるようにして、ボディ上部３０の上側にボルト４４によって締結される。この結果、ボディ上部３０の上側に蓋部４０が連結される。
【００３１】
ボディ下部２０、ボディ上部３０、蓋部４０が上述したように連結されることにより、ケーシング５０が構成される。なお、ボディ上部３０の内部には、円筒の軸方向に対して垂直な方向に延びる仕切り板５１が配設されている。仕切り板５１は、ケーシング５０の内部を弁室５２と副室５４とに区画する。
【００３２】
弁室５２の内部には、弁体６０が収容されている。弁体６０は、円盤部６１と、円盤部６１の下部に貼着されたゴム製のシート部材６２と、円盤部６１の上部に位置する留め部材６３とを備える。シート部材６２、円盤部６１および留め部材６３は、上方向に向かってこの順に後述する弁体支持軸６５と下方側の第１のナット６６により一体的に接合される。エア出口２２の内側における開口の周囲には、円環状に隆起した弁座２２ａが設けられており、この弁座２２ａに着座しうるものとして弁体６０が設けられている。
【００３３】
弁室５２の内部には、また、ベロフラム７０が配設されている。詳細には、ベロフラム７０は、その周囲７０ａがボディ下部２０とボディ上部３０とで挟持され、その中央部分７０ｂが弁体６０における円盤部６１と留め部材６３とで挟持されることで、弁室５２内に配置される。ベロフラム７０は、圧力を変位に変換するもので、ベローズとダイアフラムの両方の長所を兼ね備えたものである。ベロフラム７０は、合成樹脂製、あるいは金属製等である。
【００３４】
弁室５２の内部に上述したようにベロフラム７０が配設されることにより、弁体６０が弁座２２ａから離間したときにエア入口２６とエア出口２２との間を連通させる弁室内第１室５２Ａと、仕切り板５１側の弁室内第２室５２Ｂとに弁室５２の内部が区画されることになる。なお、弁室内第２室５２Ｂには、大気へ開く第１の開放口７２が設けられている。
【００３５】
副室５４の内部には、ダイアフラム７４が配設されている。詳細には、ダイアフラム７４は、その周囲７４ａがボディ上部３０と蓋部４０とで挟持されている。ダイアフラム７４は変形可能なものである。ダイアフラム７４は、合成樹脂製、あるいは金属製等である。
【００３６】
ダイアフラム７４の中央部分７４ｂに取付部材８０が設けられている。取付部材８０は、円盤部８１と、円盤部８１の上部に位置する留め部材８２とを備える。円盤部８１および留め部材８２は、後述する弁体支持軸６５と上方側の第２のナット６７により一体的に接合されており、ダイアフラム７４の中央部分７４ｂを挟持している。すなわち、ダイアフラム７４は、ダイアフラム７４の周囲７４ａがボディ上部３０と蓋部４０とで挟持され、ダイアフラム７４の中央部分７４ｂが取付部材８０における円盤部８１と留め部材８２とで挟持されることで、副室５４内に配置される。
【００３７】
副室５４の内部に上述したようにダイアフラム７４が配設されることにより、弁室５２側の第１副室５４Ａと、弁室５２と反対側の第２副室５４Ｂとに副室５４の内部が区画されることになる。第２副室５４Ｂには、大気へ開く第２の開放口８４が設けられている。
【００３８】
弁体支持軸６５は、取付部材８０と弁体６０との間を連結するものである。すなわち、弁体支持軸６５は、ダイアフラム７４と弁体６０との間を連結するものである。弁体支持軸６５の長手方向の中央付近は、ボディ上部３０に設けた仕切り板５１の中央部５１ａを貫通している。仕切り板５１の中央部５１ａには、スリーブ８５と環状のゴム部材８６とが配置されている。ゴム部材８６を設けることで、仕切り板５１と弁体支持軸６５との隙間からのエアの移動を防ぎ、仕切り板５１による区画のシール性を高めている。弁体支持軸６５は、仕切り板５１、ベロフラム７０、ダイアフラム７４と係わり合うことで、ケーシング５０内で起立することになる。
【００３９】
また、第２副室５４Ｂの内部には、一端９０ａが蓋部４０の上面に係止され、他端９０ｂが取付部材８０の上面に係止されるコイルばね９０が設けられている。コイルばね９０は、開閉弁１０をノーマルクローズド型の弁とするためのものであり、復元の方向がダイアフラム７４を図中下方に押圧する方向となるように配置されている。「図中下方」とは、取付部材８０に連結された弁体６０からみて弁座２２ａ方向である。すなわち、コイルばね９０は、弁体６０に弁座２２ａ方向への力が作用するように取付部材８０、すなわちダイアフラム７４を押圧する。
【００４０】
なお、コイルばね９０は、本実施例では、弱い復元力のものが採用されている。「弱い復元力」とは、弁室５２と副室５４とが共に大気圧であるときにダイアフラム７４に連結された弁体６０を弁座２２ａに向かう方向に移動することができる最低限度の復元力である。なお、コイルばね９０は上記最低限度の復元力のものに限る必要はなく、上記最低限度の復元力を上回る復元力を有するものに換えることもできる。
【００４１】
また、第１副室５４Ａには、この開閉弁１０の動作を制御するための指令の役割をする圧縮ガスの供給をうける圧縮ガス供給口９２が設けられている。詳細には、図１に示すように、エア供給通路１３０におけるインタークーラ１３４の下流側部分に制御用エア通路１３８が設けられ、この制御用エア通路１３８の端部と前記圧縮ガス供給口９２とが接続されている。この構成により、圧縮ガス供給口９２は、エアコンプレッサ１３２により圧縮されたエアの供給を受ける。
【００４２】
Ａ−３．開閉弁の動作：
以上のように構成された開閉弁１０によれば、エアコンプレッサ１３２により圧縮されたエアが圧縮ガス供給口９２に供給されたとき、第１副室５４Ａの内部圧力が上昇し、コイルばね９０の押圧力（復元力）に打ち勝ってダイアフラム７４を図中上方向に変形させる。ダイアフラム７４が上方向に変形すると、ダイアフラム７４に弁体支持軸６５を介して連結された弁体６０は、図中上方向に移動する。なお、弁体６０の上昇に伴って、ベロフラム７０も変形する。第２の開放口８４は、ダイアフラム７４が上方向に変形して第２副室５４Ｂが縮小されたときに、第２副室５４Ｂ内のエアを大気に逃すように働く。弁体６０の上昇に伴って、弁室内第２室５２Ｂも縮小されるが、このとき第１の開放口７２は、弁室内第２室５２Ｂ内のエアを大気に逃すように働く。
【００４３】
図３は、開弁状態にある開閉弁１０の断面図である。図示するように、ダイアフラム７４は上方まで押し上げられ、弁体６０は弁座２２ａから離間して、エア出口２２を開状態とする。これにより、エア入口２６とエア出口２２との間が連通することになり、開閉弁１０は開弁状態、すなわちエア供給通路１３０（図１）を開く状態となる。
【００４４】
一方、開閉弁１０を閉じるときには、圧縮ガス供給口９２への圧縮エアの供給を停止するようにする。すなわち、圧縮ガス供給口９２への圧縮エアの供給が停止されたときには、コイルばね９０の押圧力によりダイアフラム７４は図中下方向の力を受け、下方向に変形する。ダイアフラム７４が下方向に変形すると、ダイアフラム７４に弁体支持軸６５を介して連結された弁体６０が図中下方向に移動する。なお、弁体６０の下降に伴って、開弁動作時に変形したベロフラム７０は元の状態に復帰しようとする。この結果、図２に示すように、弁体６０が弁座２２ａに着座した状態となる。
【００４５】
Ａ−４．開閉の制御処理：
開閉弁１０の開閉を制御する制御処理について、次に説明する。図４は、パワーコントロールユニット１５０のＣＰＵで実行される開弁時制御処理を示すフローチャートである。燃料電池スタック１１０の運転開始時において開閉弁１０の開弁要求があると、ＣＰＵは開弁時制御処理を実行開始する。
【００４６】
図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵは、エアコンプレッサ１３２を起動する処理を行う（ステップＳ１００）。エアコンプレッサ１３２が起動されると、エアコンプレッサ１３２により圧縮されたエアが制御用エア通路１３８を介して開閉弁１０の圧縮ガス供給口９２に供給される。エアコンプレッサ１３２により圧縮されたエアが圧縮ガス供給口９２に供給されたときには、前述したように開閉弁１０が動作して、開弁状態となる。
【００４７】
図５は、パワーコントロールユニット１５０のＣＰＵで実行される閉弁時制御処理を示すフローチャートである。燃料電池スタック１１０の運転停止時において開閉弁１０の閉弁要求があると、ＣＰＵは上記閉弁時制御処理を実行開始する。
【００４８】
図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、エアコンプレッサ１３２を停止する処理を行う（ステップＳ２００）。エアコンプレッサ１３２が停止されると、圧縮ガス供給口９２への圧縮エアの供給が停止される。圧縮エアの供給が停止されたときには、前述したように開閉弁１０が動作して、弁体６０が弁座２２ａに着座した状態となる。この時点では、弁体６０は、「弱い復元力」であるコイルばね９０により弁座２２ａにいわば当てられただけのものである。
【００４９】
そこで、ＣＰＵは、ステップＳ２００の実行後、燃料電池スタック１１０の運転状態を制御して燃料電池スタック１１０から所定時間だけ電流を掃引する処理を行う（ステップＳ３００）。燃料電池スタック１１０は、電流掃引がなされると、エアの供給がなされない状態で酸化剤ガスの消費がなされることになり、燃料電池スタック１１０の燃料電池セル内酸化剤ガス流路が負圧となる。これにより、燃料電池セル内酸化剤ガス流路に連通するエア出口２２付近も負圧となることから、弁体６０は弁座２２ａ方向に強く押し付けられることになる。この結果、弁体６０によりエア出口２２は封止させる。
【００５０】
Ａ−５．開閉弁の設計条件：
なお、上記構成の開閉弁１０においては、ベロフラム７０およびダイアフラム７４が次式（１）を満たすように設計されている。
【００５１】
（Ｓ１＋Ｓ２）×Ｐａ＞ＳＶ×｜ＮＰ｜＋Ｆ１＋Ｆ２  …（１）
【００５２】
式（１）において、Ｓ１はダイアフラム７４の面積、
Ｓ２はベロフラム７０の面積、
Ｐａはエアコンプレッサ１３２の吐出圧、
ＳＶは弁体６０の弁座２２ａ側の表面積、
ＮＰは、ステップＳ３００による電流掃引の結果得られる負圧
Ｆ１は、弁体６０を弁座２２ａから引きはがすに要する力、
Ｆ２はコイルばね９０の復元力、である。
【００５３】
開閉弁１０は、上記式（１）を満たように設計されることにより、エアの流れを十分に封止する閉状態となる。
【００５４】
Ａ−６．効果：
以上詳述したように、第１実施例の燃料電池システム１００に備えられる開閉弁１０によれば、エアコンプレッサ１３２を起動するか停止するかを制御するだけで、弁体の開閉を制御することができる。このために、開閉弁１０の開閉のための駆動用バルブを別途設ける必要がないことから、システム全体の構成を簡略化することができるという効果を奏する。
【００５５】
また、本実施例の開閉弁１０によれば、燃料電池スタック１１０から電流掃引を行うことで、エア供給通路１３０を確実に封止することができる。酸化剤ガス通路においては、燃料電池の停止以後、封止が不十分であると、エアが酸化剤ガス通路を通じて燃料電池に送られ、触媒電極の担体としてのカーボンを腐食させる問題があったが、本実施例においては、エア供給通路１３０を確実に封止することができることから、上記問題を解決することができる。
【００５６】
さらに、本実施例においては、ベロフラム７０は、エア入口２６から流入するエアの流入圧を受けて、弁体６０に弁座２２ａと反対方向の力を作用させるように働く。ベロフラムを備えない従来の燃料電池用開閉弁によれば、エアの流入圧を弁体の表面で受けることになることから、弁体に弁座方向の力を作用させることになり、開弁性を損ねていたが、本実施例の開閉弁１０によれば、上記のように弁体６０に弁座２２ａと離れる方向への力が作用することから、開弁性に優れている。また、開弁性に優れていることから、弁体６０を大きくすることができる。このためにエア出口２２の面積を大きくし、エアの圧損低減を図ることができる。
【００５７】
Ｂ．第２実施例：
図６は、本発明の第２実施例の燃料電池システム２００の全体構成図である。本実施例の燃料電池システム２００は、第１実施例の燃料電池システム１００と比較して、本発明に係る開閉弁２１０を、エア供給通路１３０に換えてエア排出通路１４０に配置した構成とした。エア供給通路１３０に配置された制御弁Ｖは周知の開閉弁である。エア排出通路１４０に配置された開閉弁２１０は、第１実施例における開閉弁１０と同一の構造を備える。その他の構成は第１実施例と同一とした。第１実施例と同一のパーツには同一の符号を付けた。
【００５８】
開閉弁２１０におけるボディ下部に備えられる下側の開口（第１の開口）２２２は、エア排出通路１４０の上流側、すなわち燃料電池スタック１１０側に接続されている。開閉弁２１０におけるボディ下部の側周壁に備えられる開口２２６（第２の開口）は、エア排出通路１４０の下流側、すなわち燃料電池スタック１１０の反対側に接続されている。開閉弁２１０における圧縮ガス供給口２９２には、制御用エア通路１３８が接続されている。
【００５９】
以上のように構成された燃料電池システム２００に備えられる開閉弁２１０によれば、第１実施例と同様に、エアコンプレッサ１３２を起動するか停止するかを制御するだけで、弁体の開閉を制御することができる。このために、開閉弁２１０の開閉のための駆動用バルブを別途設ける必要がないことから、システム全体の構成を簡略化することができるという効果を奏する。また、開閉弁２１０によれば、燃料電池スタック１１０から電流掃引を行うことで、エア排出通路１４０を確実に封止することができる。
【００６０】
なお、第１実施例および第２実施例の変形例として、エア供給通路１３０とエア排出通路１４０の双方に、第１実施例と第２実施例と同一の開閉弁をそれぞれ備える構成としてもよい。
【００６１】
Ｃ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施例やその変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような他の実施形態も可能である。
【００６２】
（１）前記第１および第２実施例では、弁体に弁座に向かう方向の力が作用するようにダイアフラムを圧する弾性部材として、コイルばね９０を用いていたが、これに換えて、板ばね等の他の種類のばねとしてもよい。また、弾性部材は、ばねに限る必要もなく、弾性部材を、ゴムなどの弾力性を有する各種材料を用いた構成としてもよい。
【００６３】
（２）前記第１および第２実施例では、コイルばね９０は、第２副室５４Ｂに配置していたが、これに替えて、第１副室５４Ａに配置してもよい。この場合には、コイルばねは延びた状態として縮小する方向へ力が働くようにして、ダイアフラムに下方向、すなわち弁体が弁座方向に向かう力を作用させる。さらに必ずしも、コイルばねは取付部材８０に係止させる必要もなく、弁体に係止する構成としてもよい。要は、弾性部材は、弁体に弁座に向かう方向の力が作用するようにダイアフラムを圧することのできるものであれば、いずれの位置にどのように取り付ける構成としてもよい。
【００６４】
（３）前記第１および第２実施例では、弁体６０の有するシート部材６２はゴム製としたが、これに換えて、ステンレス鋼等の金属製としてもよい。
【００６５】
（４）弁体６０は、シート部材６２、円盤部６１、留め部材６３の３層構造としたが、これに換えて、一つの部材から構成してもよい。この場合には、ベロフラム７０は弁体の表面に接着する構成とすればよい。また、取付部材８０は、円盤部８１、留め部材８２の２層構造としたが、これに換えて、一つの部材から構成してもよい。この場合には、ダイアフラム７４は取付部材８０の表面に接着する構成とすればよい。
【００６６】
（５）ケーシング５０は、ボディ下部２０、ボディ上部３０、蓋部４０を連結して構成したが、必ずしも３つの部品から構成する必要もなく、他の数の部品、例えば１つの部品からケーシングを構成するようにしてもよい。
【００６７】
（６）前記各実施例では、酸化剤ガスとしてエア（空気）が用いられていたが、これに換えて、酸素が用いられる構成としてもよい。酸素以外にも酸素を含むガスであればいずれの構成としてもよい。
【００６８】
（７）前記各実施例では、エアコンプレッサにより圧縮されたエアを圧縮ガス供給口に供給する構成としたが、これに替えて、他のポンプにより圧縮された酸化剤ガスを供給する構成としてもよい。また、燃料電池に供給する酸化剤ガスを、圧縮ガス供給口に供給する圧縮ガスとする必要もなく、他のガスをコンプレッサで圧縮して圧縮ガス供給口に供給する構成としてもよい。
【００６９】
（８）前記各実施例では、燃料電池スタックは固体高分子型燃料電池としたが、固体酸化物型燃料電池やリン酸型燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。また、前記各実施例では、燃料電池システムを車両に搭載する場合について説明したが、これに替えて、船舶、航空機などの他の交通手段や、その他各種産業機械などに搭載することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施例の燃料電池システム１００の全体構成図である。
【図２】燃料電池システム１００に備えられる開閉弁１０の閉弁時の断面図である。
【図３】開閉弁１０の開弁時の断面図である。
【図４】パワーコントロールユニット１５０のＣＰＵで実行される開弁時制御処理を示すフローチャートである。
【図５】パワーコントロールユニット１５０のＣＰＵで実行される閉弁時制御処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２実施例の燃料電池システム２００の全体構成図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０…開閉弁
２０…ボディ下部
２２…エア出口（第２の開口）
２２ａ…弁座
２４…開口
２６…エア入口（第１の開口）
３０…ボディ上部
３２…開口
３４…開口
３６…ボルト代部
４０…蓋部
４２…ボルト代部
４４…ボルト
５０…ケーシング
５１…仕切り板
５１ａ…中央部
５２…弁室
５２Ａ…弁室内第１室
５２Ｂ…弁室内第２室
５４…副室
５４Ａ…第１副室
５４Ｂ…第２副室
６０…弁体
６１…円盤部
６２…シート部材
６３…留め部材
６５…弁体支持軸
６６…第１のナット
６７…第２のナット
７０…ベロフラム
７０ａ…周囲
７０ｂ…中央部分
７２…第１の開放口
７４…ダイアフラム
７４ａ…周囲
７４ｂ…中央部分
８０…取付部材
８１…円盤部
８２…留め部材
８４…第２の開放口
８５…スリーブ
８６…ゴム部材
９０…コイルばね
９２…圧縮ガス供給口
１００…燃料電池システム
１１０…燃料電池スタック
１２０…エア流路系
１３０…エア供給通路
１３２…エアコンプレッサ
１３４…インタークーラ
１３６…加湿モジュール
１３８…制御用エア通路
１４０…エア排出通路
１４２…エア調圧弁
１５０…パワーコントロールユニット
Ｐ１…圧力センサ
Ｐ２…圧力センサ
２００…燃料電池システム
２１０…開閉弁
２２２…第１の開口
２２６…第２の開口
２９２…圧縮ガス供給口
【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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