JP2011249151A

JP2011249151A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2011249151A
Application number: JP2010121297A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kashiwagi; 幸一柏木; Kazuhisa Tsuboi; 和久坪井
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2011-12-08

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which a shutoff valve is easily opened when activating a fuel cell.SOLUTION: A fuel cell system 10 includes: a fuel cell 13 in which power is generated by electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas; an air inlet shutoff valve 40 for supplying the oxidant gas to the fuel cell 13; and an air outlet shutoff valve 70 for discharging the oxidant gas discharged from the fuel cell 13. As a drive source of the air inlet shutoff valve 40, air is compressed by an air compressor 14 and supplied and when activating the fuel cell 13, a pressure receiving chamber 49 of the air inlet shutoff valve 40 is made into negative pressure, thereby supplying the oxidant gas to an operation chamber and opening the air inlet shutoff valve 40.

Description

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。 The present invention relates to a cutoff valve and a fuel cell system including the cutoff valve.

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。 A fuel cell power generator (hereinafter referred to as a fuel cell) is a power generator that directly converts the combined energy of hydrogen and oxygen into electrical energy. In such a fuel cell, a fuel cell main body is used in which a plurality of unit cells including an electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode sandwiching the electrolyte membrane are stacked. A hydrogen-containing gas is supplied to the anode electrode, and an oxygen-containing gas such as air is supplied to the cathode electrode, and electricity is generated using an electrochemical reaction that occurs between the two electrodes. As the hydrogen-containing gas, a reformed gas obtained by steam reforming a raw fuel containing a hydrocarbon such as natural gas is used, and air or the like is used as the oxygen-containing gas. And the direct current obtained with the attached inverter etc. is converted into alternating current, and electric power is collect | recovered.

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。 In such a fuel cell, by closing the shutoff valve when the fuel cell is stopped, air containing oxygen as an oxidant gas remains in the air flow path inside the fuel cell, and oxygen in the residual air Due to the reaction between the hydrogen and the hydrogen remaining in the hydrogen flow path, the volume of the air is reduced, so that the shut-off valve is sucked into the air flow path inside the fuel cell. Therefore, a large driving force is required when opening the shut-off valve. For this reason, in Patent Document 1, a large driving force is obtained by increasing the fluid pressure and the diaphragm diameter. Further, in Patent Document 2, an air release valve is provided between the shut-off valve for the oxidant discharge port and the oxidant gas flow path so that the oxidant gas flow path in the fuel cell opens a negative pressure to atmospheric pressure.

特開２００４−１８３７１３号公報JP 2004-183713 A 特開２００８−２６９８５７号公報JP 2008-269857 A

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。 As in Patent Document 1, in order to increase the fluid pressure and the diaphragm diameter, it is necessary to increase the size of the compressor and the valve, but there is a problem in mounting restrictions. As in Patent Document 2, in order to release the negative pressure of the oxidant gas flow path in the fuel cell, an electromagnetic air release valve is provided between the oxidant discharge port shut-off valve and the oxidant gas flow path. There is a problem that a control device is required and the device becomes large. Therefore, the present invention aims to improve the openability of the shutoff valve at the time of startup.

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。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to claim 1 includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and an air compressor that supplies the oxidant gas to the fuel cell. An air inlet cutoff valve for supplying an oxidant gas to a fuel cell and an air outlet cutoff valve for discharging an oxidant gas discharged from the fuel cell. The air inlet shut-off valve is opened by applying negative pressure and positive pressure simultaneously.

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。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to claim 1 includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and air that supplies the oxidant gas to the fuel cell. A compressor, a valve opening operation side pressure chamber (pressure receiving chamber), and a valve opening pressure receiving chamber (working chamber) are arranged between the air compressor and the fuel cell and supplied to the pressure receiving chamber When the pressure applied becomes negative, the valve body changes from the closed state to the open state, and the air inlet shut-off valve that supplies oxidant gas to the fuel cell, and the oxidant gas discharged from the fuel cell changes from the closed state to the open state. An air outlet shut-off valve, and the pressure receiving chamber communicates with the air compressor, and when the fuel cell is started, the pressure receiving chamber is made negative by driving the air compressor, thereby Supply to the working chamber, start the fuel cell And wherein the Ukoto.

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。 In this case, the air inlet shut-off valve and the air outlet shut-off valve are a valve seat, a valve body that contacts the valve seat and seals the oxidant gas, a diaphragm that drives the valve body, and a valve body that is closed. A normally closed diaphragm type valve having a spring for biasing is preferable.

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。 Also, the air inlet shut-off valve and the air outlet shut-off valve open the valve by flowing the oxidant gas into the working chamber by the air compressor that supplies the oxidant gas that is the driving source, and stop the supply of the oxidant gas. Is preferably closed by the biasing force of the spring.

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。 In addition, the air inlet shut-off valve is preferably provided with a port in the valve-opening operation side pressure chamber (pressure receiving chamber) through which an oxidant gas for opening the valve is directly drawn before the air outlet shut-off valve.

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。 In order to directly suck the oxidant gas, it is preferable to use the negative pressure in the stack when the oxidant gas inlet of the air compressor and the fuel cell are stopped.

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。 The air inlet shutoff valve of the present invention can generate a large driving force by supplying negative pressure to the pressure receiving chamber and simultaneously supplying pressure from the compressor to the working chamber. Thereby, even if the diameter of the diaphragm is made smaller than before, a driving force similar to that of a large diaphragm can be generated and the valve can be downsized. When the negative pressure from the compressor is constantly applied, the flap of the valve body can be reduced.

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。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 1 of the fuel cell system which concerns on this invention. 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。It is sectional drawing which shows the open state of the air inlet cutoff valve shown in FIG. 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。It is sectional drawing which shows the closed state of the air inlet cutoff valve shown in FIG. 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。It is sectional drawing which shows the open state of the air outlet cutoff valve shown in FIG. 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。It is sectional drawing which shows the closed state of the air outlet cutoff valve shown in FIG. 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。It is sectional drawing which shows the open state of the air inlet cutoff valve shown in FIG. 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。It is sectional drawing which shows the closed state of the air inlet cutoff valve shown in FIG. 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。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 2 of the fuel cell system which concerns on this invention. 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。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system in Embodiment 3 of the fuel cell system which concerns on this invention.

（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。 (Embodiment 1)
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 of the present embodiment includes a fuel cell 13 that is supplied with hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas and generates power by an electrochemical reaction, and air that is supplied to the fuel cell 13. The air compressor 14 for compressing the air and the humidifier 12 for humidifying the compressed air to be supplied to the fuel cell 13 are provided. The air compressor 14 and the humidifier 12 are connected by a compressed air supply pipe 21, and the humidifier 12 and the fuel cell 13 connect the air humidified in the humidifier 12 to the air flow path of the fuel cell 13. The air inlet pipe 22 leading to 13a and the air outlet pipe 24 leading the air discharged from the air outlet 13b connected to the air flow path of the fuel cell 13 to the humidifier 12 are connected to the humidifier 12. An air discharge pipe 23 for discharging is connected. An air inlet shutoff valve 40 is provided in the air inlet pipe 22 in front of the fuel cell 13, and an air outlet shutoff valve 70 is provided in the air outlet pipe 24 in front of the humidifier 12. The compressed air supply pipe 21 is provided with a pressure sensor 31 that detects the pressure of the compressed air supply pipe 21. The air compressor 14 and the pressure sensor 31 are electrically connected to the control device 11 and are configured to operate according to commands from the control device 11.

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。 Hereinafter, the detailed structure of the air inlet shutoff valve 40 used in the fuel cell system 10 of the present embodiment will be described with reference to FIG. Components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The air inlet shut-off valve 40 has a housing 41 made of metal, hard resin or ceramics. The housing 41 includes a first housing 41a, a second housing 41b, and a third housing 41c that are connected to each other, and are fixed to each other. The third housing 41 c includes a valve inlet 57 and a valve outlet 59 connected to the air inlet pipe 22, respectively. It has a partition wall 53 and a second housing 41 b for partitioning a valve-opening pressure receiving chamber (working chamber) 46 communicating with the valve inlet 57 and the valve outlet 59 into a first hollow chamber 45 and a second hollow chamber 50. A valve seat 60 is provided on the inner surface of the third housing 41c on the valve outlet 59 side. The valve seat 60 is a sealing surface that a circular valve body 58 contacts and seals. The first hollow chamber 45 and the second hollow chamber 50 are provided in series in the axial direction of the valve shaft 48 (in the directions of arrows Y1 and Y2).

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。 As shown in FIG. 2, a valve shaft insertion hole 54 is formed in a substantially central region of the partition wall 53.

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。 The valve shaft insertion hole 54 penetrates the partition wall 53 for inserting the valve shaft 48 in the thickness direction. The valve shaft 48 has a long shaft shape and is movably inserted into the valve shaft insertion hole 54 of the partition wall 53 of the housing 41. A ring-shaped sealing member 51 is interposed between the inner wall surface of the valve shaft insertion hole 54 and the outer wall surface of the valve shaft 48. A valve body 58 for opening and closing the valve outlet 59 with movement is formed at the tip of the valve shaft 48 in a bowl shape. The valve body 58 can be seated on the valve seat 60.

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。 As shown in FIG. 2, the 1st diaphragm 55 and the 2nd diaphragm 56 are made into the deformable film | membrane shape formed with polymeric materials, such as rubber | gum and resin. The first diaphragm 55 and the second diaphragm 56 may be embedded with a barrier layer for enhancing gas barrier properties and a reinforcing layer for reinforcement as needed. As shown in FIG. 2, the diaphragm outer end 55 a of the first diaphragm 55 is held by the housing 41. That is, the thick diaphragm outer end 55a of the first diaphragm 55 is sandwiched and held between the first housing 41a and the second housing 41b of the housing 41. A diaphragm inner end 47a of the first diaphragm 55 is held on the valve shaft 48 by a drive plate 43a.

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。 As shown in FIG. 2, the first diaphragm 55 includes a valve opening operation side pressure chamber (pressure receiving chamber) 49 for moving the valve shaft 48 in the valve opening direction (arrow Y2 direction) in response to the reception of the gas pressure (fluid pressure). And partition the first hollow chamber 45. The first hollow chamber 45 is provided with an exhaust pipe 52 a that prevents the pressure from increasing with the pressure received by the first diaphragm 55. As shown in FIG. 2, the second diaphragm 56 includes a valve-opening pressure-receiving chamber (working chamber) 46 for moving the valve shaft 48 in the valve-opening direction (arrow Y2 direction) in response to the pressure of the gas pressure (fluid pressure). The second hollow chamber 50 is partitioned. In the second hollow chamber 50, an exhaust pipe 52b is provided in the second housing 41b to prevent the pressure from increasing with the pressure received by the second diaphragm 56. The second diaphragm 56 has a bulging portion 56m protruding in the radial direction, also called convolution. The bulging portion 56m is arranged in a ring shape around the shaft core P1 of the valve shaft 48 while forming a projection 56r, and can be turned upside down according to pressure. Here, according to the valve on which the diaphragm having the convolution is mounted, basically, with respect to the second diaphragm 56, the pressure receiving area inside the diameter from the apex 56x of the bulging portion 56m is effective for the second diaphragm 56. The pressure receiving area (Si1) is used.

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。 As shown in FIG. 2, a valve closing biasing spring 44a for assisting the valve closing operation of the first diaphragm 55 is provided between the first diaphragm 55 and the first housing 41a. The urging spring 44 a has a coil shape and is disposed coaxially with the feces 48 on the valve opening side pressure chamber (pressure receiving chamber) 49 on the outer peripheral side of the valve shaft 48.

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。 As shown in FIG. 2, an urging spring 44b for valve closing for assisting the valve closing operation of the second diaphragm 56 is provided between the second diaphragm 56 and the second housing 41b. The urging spring 44 b has a coil shape, and is disposed coaxially with the feces shaft 48 in the second hollow chamber 50 on the outer peripheral side of the valve shaft 48. The spring constant of the urging spring 44b is (ISc).

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。 Next, the detailed structure of the air outlet shutoff valve 70 will be described with reference to FIG. Components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The air outlet shut-off valve 70 has a housing 71 made of metal, hard resin or ceramics. The housing 71 has a first housing 71a and a second housing 71b connected to each other. The housing 71 includes a valve inlet 86 and a valve outlet 85 respectively connected to the air outlet pipe 24. A valve-opening pressure receiving chamber (working chamber) 88 that communicates the valve inlet 86 and the valve outlet 85 is provided with a partition wall 76 for partitioning the plurality of first hollow chambers 72 and second hollow chambers 77. A valve seat 87 is provided on the valve outlet 76 side of the inner surface of the second housing 81b. The valve seat 87 is a sealing surface that seals the air when the valve body 84 comes into contact therewith. The first hollow chamber 72 and the second hollow chamber 77 are provided in series in the axial direction of the valve shaft 73 (in the directions of arrows Y1 and Y2).

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。 As shown in FIG. 4, a valve shaft insertion hole 75 is formed in a substantially central region of the partition wall 76. The valve shaft insertion hole 75 penetrates the partition wall 76 for inserting the valve shaft 73 in the thickness direction. The valve shaft 73 has a long shaft shape and is movably inserted into the valve shaft insertion hole 75 of the partition wall 76 of the housing 71. A valve body 84 for opening and closing the valve outlet 85 with movement is formed at the tip of the valve shaft 73 in a bowl shape. The valve body 84 can be seated on the valve seat 87.

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。 As shown in FIG. 4, the diaphragm 80 is formed into a deformable film formed of a polymer material such as rubber or resin. The diaphragm 80 may be embedded with a barrier layer for enhancing gas barrier properties or a reinforcing layer for reinforcement as needed.

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。 As shown in FIG. 4, the diaphragm outer end 80 a of the diaphragm 80 is held by the housing 81. That is, the thick diaphragm outer end 80a of the diaphragm 80 is held between the first housing 71a and the second housing 71b of the housing 81. A diaphragm inner end 80 b of the diaphragm 80 is held on the valve shaft 73 by a drive plate 81.

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。 As shown in FIG. 4, the diaphragm 80 includes a valve-opening pressure receiving chamber (working chamber) 88 for moving the valve shaft 73 in the valve-opening direction (arrow Y2 direction) in response to the pressure of the gas pressure (fluid pressure). 2 The hollow chamber 77 is partitioned. The second hollow chamber 77 is provided with an exhaust pipe 79 that prevents the pressure from increasing with the pressure received by the diaphragm 80.

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。 As shown in FIG. 4, a urging spring 78 for valve closing for assisting the valve closing operation of the diaphragm 80 is provided between the diaphragm 80 and the partition wall 76. The urging spring 78 has a coil shape and is arranged in the second hollow chamber 77 coaxially with the valve shaft 73 on the outer peripheral side of the valve shaft 73. The spring constant of the biasing spring 78 is (OSc).

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。 The spring constant of the biasing spring 78 of the air outlet shut-off valve 70 is set to be smaller than (ISc) when the spring constant of the biasing spring 78 of the air inlet shut-off valve 40 is (OSc). According to this example, OSc / ISc = 0.20-0.80, 0.50-0.80, 0.60-0.79, 0.65-0. It is preferably set within the range of 78.

（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。 (When the fuel cell system is stopped)
When the fuel cell system 10 is stopped, the air compressor 14 is stopped by a command from the control device 11, and when both the air inlet shut-off valve 40 and the air outlet shut-off valve 70 are closed, the urging for closing the valve is performed. The valve bodies 58 and 84 seal the valve seats 60 and 87 with the springs 44 b and 78. Since the spring constant of the biasing spring 78 of the air outlet shut-off valve 70 is set smaller than the spring constant of the biasing spring 44b of the air inlet shut-off valve 40, the air outlet shut-off is performed after the air inlet shut-off valve 40 is closed first. The valve 70 is closed. Thereby, it is possible to prevent the electrolyte membrane from being broken due to an increase in the pressure of the air that is the oxidant gas in the fuel cell 13. Further, the fuel cell 13 is shut off from the outside air, and air that is an oxidant gas does not flow in. However, air containing oxygen, which is an oxidant gas, remains in the air flow path inside the fuel cell 13, and the reaction between oxygen in the residual air and hydrogen remaining in the hydrogen flow path. As the air volume decreases, the pressure of the air flow path of the fuel cell 13 decreases to a negative pressure. Therefore, the valve bodies 58 and 84 of the air inlet cutoff valve 40 and the air outlet cutoff valve 70 are strongly sealed by the valve seats 60 and 87.

（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。 (When the fuel cell system is started)
Next, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the start-up from a state where the pressure of the air flow path of the stopped fuel cell 13 is negative will be described. When the pressure of the air flow path of the fuel cell 13 is negative, the air inlet shut-off valve 40 is brought into contact with and tightly contacts the valve seat 60 due to negative pressure, as shown in FIG. The atmosphere is open. Further, as shown in FIG. 5, the air outlet shut-off valve 70 has the valve body 84 in contact with and tightly contacts the valve seat 87 due to negative pressure, and the valve outlet 85 is open to the atmosphere. The control device 11 shown in FIG. 1 first outputs a command for driving the air compressor 14. In response to this command, air flows from the air inlet shutoff valve 40 to the air compressor 14 through the bypass pipe 27. This bypass pipe 27 communicates with the port 42 of the air inlet shutoff valve 40 shown in FIG. Air is sucked into the air compressor 14 from this port 42, and the valve opening operation side pressure chamber (pressure receiving chamber) 49 becomes negative pressure. As a result, the air supply pressure from the valve inlets 57 respectively connected to the air inlet pipes 22 increases, and the second diaphragm 56b receives a large valve opening pressure in the valve opening direction (arrow Y2 direction).

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。 As a result, the second diaphragm 56b moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), the valve shaft 48 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), and the valve body 58 seated on the valve seat 60 is The valve body 58 is opened away from the seat 60, and the valve outlet 59 and the valve inlet 57 communicate with each other. As a result, air enters the negative pressure region sealed by the air flow path of the fuel cell 13 and the shutoff valves 40 and 70, and the negative pressure of the air flow path of the fuel cell 13 decreases. Further, since the spring constant of the urging spring 78 of the air outlet shut-off valve 70 is set smaller than the spring constant of the urging spring 44b of the air inlet shut-off valve 40, the diaphragm 80 is opened largely by the air pressure from the air outlet 13b. The pressure is received in the valve opening direction (arrow Y2 direction). As a result, the diaphragm 80 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), the valve shaft 73 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), and the valve body 84 seated on the valve seat 87 is moved to the valve seat 87. , The valve body 84 is opened, and the valve outlet 85 and the valve inlet 86 communicated with each other in the atmosphere. As described above, when the fuel cell system 10 is started, the air supply pressure from the air compressor 14 can be increased by setting the pressure opening chamber (pressure receiving chamber) 49 of the air inlet shut-off valve 40 to a negative pressure. The opening of the air inlet shutoff valve 40 can be facilitated. Since the valve opening side pressure chamber (pressure receiving chamber) 49 is set to a negative pressure and a high air supply pressure can be supplied from the air compressor 14, the flutter of the valve body 58 can be reduced (Embodiment 2).
A preferred embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings. Components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. As shown in FIG. 8, the fuel cell system 10 according to the second embodiment is configured such that the negative pressure of the valve opening side pressure chamber (pressure receiving chamber) 49 of the air inlet shutoff valve 40 is reduced in the air flow path of the fuel cell 13 when the fuel cell system is stopped. The difference from the first embodiment is that the negative pressure generated in the first embodiment is supplied. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 13 that is supplied with hydrogen, which is a fuel gas, and air, which is an oxidant gas, to generate electric power through an electrochemical reaction, an air compressor 14 that compresses the air supplied to the fuel cell 13, And a humidifier 12 for humidifying the air supplied to the fuel cell 13. The air compressor 14 and the humidifier 12 are connected by a compressed air supply pipe 21, and the humidifier 12 and the fuel cell 13 connect the air humidified in the humidifier 12 to the air flow path of the fuel cell 13. The air inlet pipe 22 that leads to the inlet 13a and the air outlet pipe 24 that leads the air discharged from the air outlet 13b connected to the air flow path of the fuel cell 13 to the humidifier 12 are connected. An air discharge pipe 23 for discharging to the outside is connected. The air inlet pipe 22 is provided with an air inlet cutoff valve 40, and the air outlet pipe 24 is provided with an air outlet cutoff valve 70. Further, a bypass pipe 26 that connects the air inlet pipe 22 and the air inlet shut-off valve 40 is provided. A pressure switch valve 32 is provided in the bypass pipe 26. A pressure sensor 31 is provided in the compressed air supply pipe. The air compressor 14, the pressure sensor 31, and the pressure switch valve 32 are connected to the control device 11 and are configured to operate according to commands from the control device 11. The structures of the air inlet cutoff valve 40 and the air outlet cutoff valve 70 are the same as those in the first embodiment.

（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。 (When the fuel cell system is stopped)
The operation when the fuel cell system is stopped is the same as that of the first embodiment.

（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。 (When the fuel cell system is started)
Next, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the start-up from the state where the pressure of the air flow path of the stopped fuel cell 13 is negative will be described. In a state where the pressure of the air flow path of the fuel cell 13 is negative, the air inlet shut-off valve 40 is brought into close contact with the valve seat 60 by the negative pressure as shown in FIG. Open state. Further, as shown in FIG. 5, the air outlet shut-off valve 70 is brought into close contact with the valve seat 87 due to negative pressure, and the valve outlet 85 is open to the atmosphere. The control device 11 shown in FIG. 8 first outputs a command to open the pressure switch valve 32 and then outputs a command to drive the air compressor 14. Then, due to this command, the pressure of the air flow path of the fuel cell 13 is negative, so that air flows from the air inlet shutoff valve 40 to the air flow path of the fuel cell 13 through the bypass pipe 26. The bypass pipe 26 communicates with the port 26 of the air inlet shutoff valve 40 shown in FIG. Air is sucked into the air flow path of the fuel cell 13 from the port 26, and the valve opening operation side pressure chamber (pressure receiving chamber) 49 becomes negative pressure. As a result, the air supply pressure from the valve inlets 57 respectively connected to the air inlet pipes 22 increases, and the second diaphragm 56 receives a large valve opening pressure in the valve opening direction (arrow Y2 direction). The subsequent operation is the same as in the first embodiment. As means for supplying negative pressure to the valve opening side pressure chamber (pressure receiving chamber) 49 of the air inlet shutoff valve 40, a vacuum pump may be used in addition to the first and second embodiments.

（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。 (Embodiment 3)
A preferred embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. Components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. As shown in FIG. 9, the fuel cell system 10 of the third embodiment is different from the first and second embodiments in that there is no port for supplying a negative pressure to the air inlet shutoff valve 100.

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。 The fuel cell system 10 includes a fuel cell 13 that is supplied with hydrogen as a fuel gas and air as an oxidant gas and generates power by an electrochemical reaction, an air compressor 14 that compresses air to be supplied to the fuel cell 13, and a fuel. A humidifier 12 is provided for humidifying the air supplied to the battery 13. The air compressor 14 and the humidifier 12 are connected by a compressed air supply pipe 21, and the humidifier 12 and the fuel cell 13 connect the air humidified in the humidifier 12 to the air flow path of the fuel cell 13. The air inlet pipe 22 leading to 13a and the air outlet pipe 24 leading the air discharged from the air outlet 13b connected to the air flow path of the fuel cell 13 to the humidifier 12 are connected to the humidifier 12. An air discharge pipe 23 for discharging is connected. The air inlet pipe 22 is provided with an air inlet cutoff valve 100, and the air outlet pipe 24 is provided with an air outlet cutoff valve 70. A pressure sensor 31 is provided in the compressed air supply pipe. The air compressor 14 and the pressure sensor 31 are connected to the control device 11 and are configured to operate according to commands from the control device 11. Hereinafter, the detailed structure of the air inlet shutoff valve 100 used in the fuel cell system 10 of Embodiment 3 will be described with reference to FIG.

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。 The air inlet shut-off valve 100 has a housing 101 made of metal, hard resin or ceramics. The housing 101 includes a first housing 101a and a second housing 101b that are connected to each other. The housing 101 includes a valve inlet 115 and a valve outlet 116 respectively connected to the air inlet pipe 22. A valve-opening pressure receiving chamber (working chamber) 118 communicating with the valve inlet 115 and the valve outlet 116 is provided with a partition wall 106 for partitioning the plurality of first hollow chambers 102 and second hollow chambers 107. A valve seat 117 is provided on the valve outlet 116 side of the inner surface of the second housing 101b. The valve seat 117 is a sealing surface that the valve body 114 contacts and seals. The first hollow chamber 102 and the second hollow chamber 107 are provided in series in the axial direction of the valve shaft 103 (in the directions of arrows Y1 and Y2).

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。 As shown in FIG. 6, a valve shaft insertion hole 105 is formed in a substantially central region of the partition wall 105. The valve shaft insertion hole 105 penetrates the partition wall 106 for inserting the valve shaft 103 in the thickness direction. The valve shaft 103 has a long shaft shape and is movably inserted into the valve shaft insertion hole 105 of the partition wall 106 of the housing 101. A valve body 114 for opening and closing the valve outlet 116 with movement is formed at the distal end portion of the valve shaft 103 in a bowl shape. The valve body 114 can be seated on the valve seat 117. As shown in FIG. 6, the diaphragm 110 has a deformable film shape made of a polymer material such as rubber or resin. The diaphragm 110 may be embedded with a barrier layer for enhancing gas barrier properties and a reinforcing layer for reinforcement as needed. As shown in FIG. 6, the diaphragm outer end portion 110 a of the diaphragm 110 is held by the housing 101. That is, the thick diaphragm outer end portion 110a of the diaphragm 110 is sandwiched and held between the first housing 101a and the second housing 101b of the housing 101. The inner end portion 110 b of the diaphragm is held on the valve shaft 103 by the drive plate 111. As shown in FIG. 6, the diaphragm 110 includes a valve-opening pressure-receiving chamber (working chamber) 118 for moving the valve shaft 103 in the valve-opening direction (arrow Y2 direction) in response to the pressure of the gas pressure (fluid pressure). 2 The hollow chamber 107 is partitioned. In the second hollow chamber 107, an exhaust pipe 109 is provided in the first housing 101a to prevent the pressure from increasing as the diaphragm 110 receives the pressure. Diaphragm 110 has a bulging portion 110m protruding in the radial direction, also called convolution. The bulging portion 110m is arranged in a ring shape around the shaft core P3 of the valve shaft 103 while forming a projection 110r, and can be turned upside down according to pressure. Here, according to the valve on which the diaphragm having the convolution is mounted, basically, with respect to the diaphragm 110, the pressure receiving area inside the diameter from the apex 110x of the bulging portion 110m is the effective pressure receiving area (Si2) of the diaphragm 110. ). As shown in FIG. 6, a urging spring 108 for closing the valve is provided between the diaphragm 110 and the partition wall 105 to assist the valve closing operation of the diaphragm 110. The biasing spring 108 has a coil shape, and is arranged coaxially with the feces shaft 103 in the second hollow chamber 107 on the outer peripheral side of the valve shaft 103. The spring constant of the bias spring 108 is (ISc2).

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。 The detailed structure of the air outlet shutoff valve 70 is the same as in the first and second embodiments.

（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。 (When the fuel cell system is stopped)
The operation is the same as that of the first embodiment when the fuel cell system 10 is stopped.

（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。 (When the fuel cell system is started)
Next, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the start-up from a state where the pressure of the air flow of the fuel cell 13 being stopped is negative will be described. When the pressure of the air flow path of the fuel cell 13 is in a negative pressure state, the air inlet shut-off valve 100 is brought into contact with and closely contacts the valve seat 117 due to the negative pressure, as shown in FIG. Open state. As shown in FIG. 5, the air outlet shut-off valve 70 is in contact with and tightly contacts the valve seat 87 due to negative pressure, and the valve outlet 85 is open to the atmosphere. The control device 11 shown in FIG. 9 outputs a command for driving the air compressor 14. As a result, the air supply pressure from the valve inlet 115 of the air inlet shutoff valve 100 connected to the air inlet pipe 22 increases, and the diaphragm 110 receives a large air supply pressure in the valve opening direction (arrow Y2 direction). When the air supply pressure becomes higher than the spring force of the urging spring 108 for closing the valve and the negative pressure of the air flow path of the fuel cell 13, the valve shaft 103 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), and the valve seat. The valve body 114 seated on 117 is separated from the valve seat 117, the valve body 114 is opened, and the valve outlet 116 and the valve inlet 115 communicate with each other. In addition, since the spring constant of the biasing spring 88 of the air outlet shut-off valve 70 is set smaller than the spring constant of the biasing spring 108 of the air inlet shut-off valve 100, the diaphragm 80 is greatly opened by the air pressure from the air outlet 13b. The valve pressure is received in the valve opening direction (arrow Y2 direction). As a result, the diaphragm 80 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), the valve shaft 73 moves in the valve opening direction (arrow Y2 direction), and moves away from the valve body 84 seated on the valve seat 87. The body 84 is opened, and the valve outlet 85 and the valve inlet 86 that are open to the atmosphere communicate with each other. Thus, when the fuel cell system 11 is activated, the pressure until the air supply pressure becomes higher than the spring force of the biasing spring 108 for closing the air inlet shutoff valve 100 and the negative pressure of the air flow path of the fuel cell 13. Is required.

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。 The air inlet shut-off valve 40 according to the first embodiment can increase the air supply pressure from the air compressor 14 because the valve-opening operation side pressure chamber (pressure receiving chamber) 49 has a negative pressure. Thereby, the effective pressure receiving area (Si1) of the second diaphragm 56 can be made smaller than the effective pressure receiving area (Si2) of the diaphragm 110 of the air inlet shutoff valve 100 in the third embodiment. According to the present embodiment, Si2 / Si1 = 1.00 to 2.00, 1.00 to 1.50, 1.01 to 1.40, 1.02 to 1. It is preferably set within the range of 35.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 11 Control apparatus 12 Humidifier 13 Fuel cell 14 Air compressor 31 Pressure sensor 32 Pressure switch valve 40,100 Air inlet shut-off valve 41,71,101 Housing 42 Port 43a, 43b, 81,111 Drive plate 44a, 44b, 78, 108 Biasing spring 45, 72 First hollow chamber 46, 88, 118 Valve-opening pressure receiving chamber (working chamber)
48, 73, 103 Valve shaft 49 Pressure opening side pressure chamber (pressure receiving chamber)
50, 77 Second hollow chamber 51 Seal member 52a, 52b, 79, 109 Exhaust pipe 53, 76, 106 Partition wall 54, 75, 105 Valve shaft insertion hole 55, 56, 80, 110 Diaphragm 56a, 80a, 110a Outside diaphragm End portions 56b, 80b, 110b Diaphragm inner ends 56m, 110m Protruding portions 56r, 110r Protruding portions 56x, 110x Peaks of the bulging portions 57, 86, 115 Valve inlets 58, 84, 114 Valve bodies 59, 85, 116 Valves Outlet 60, 87, 117 Valve seat 70 Air outlet shutoff valve P1, P2, P3 Shaft core

Claims

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。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
An air compressor for supplying an oxidant gas to the fuel cell;
A pressure receiving chamber and a working chamber; disposed between the air compressor and the fuel cell; when the pressure supplied to the pressure receiving chamber becomes negative, the valve body is changed from a closed state to an open state; An air inlet shut-off valve for supplying oxidant gas to the fuel cell;
An air outlet shut-off valve that is switched from a closed state to an open state by an oxidant gas discharged from the fuel cell;
The pressure receiving chamber and the air compressor are communicated, and when the fuel cell is started, the pressure chamber is made negative by driving the air compressor, thereby supplying the oxidant gas to the working chamber, and the fuel A fuel cell system for starting a battery.

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。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The air inlet shut-off valve includes a housing;
A valve seat formed in the housing;
A valve body that contacts the valve seat and seals the oxidant gas;
A diaphragm that divides the pressure receiving chamber and the working chamber, and that drives the valve body by the pressure of the pressure receiving chamber;
A fuel cell system comprising a normally closed diaphragm type valve provided with a spring disposed between the housing and the valve body and energizing the valve body to be closed.

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。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell system, wherein the air inlet shut-off valve includes a port that makes the pressure receiving chamber a negative pressure.