JP4923969B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、流体流路に設けられる弁の開閉状態の制御に関する。

水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスを利用して発電する燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、例えば、車両などに搭載されて車両走行用モータの電源として利用される。もちろん、燃料電池システムは車両以外にも利用可能である。

燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池と、その燃料電池に燃料ガスや酸化ガスといった反応ガスを供給して燃料電池から反応後のガスや生成水などを排出する流体流路を備えている。

こうした燃料電池システムにおいて、流体流路に設けられる弁（バルブ）に関する様々な技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、反応ガスの供給ラインと排出ラインの各々に開閉バルブを設け、燃料電池の発電運転停止時に開閉バルブを閉じることにより、燃料電池内部の反応ガス空間を密閉する技術が開示されている。

特開２００４−６１６６号公報

上記のとおり、特許文献１には、燃料電池の発電運転停止時に開閉バルブを閉じることにより、燃料電池内部の反応ガス空間を密閉する技術が記載されている。ところが、その開閉バルブとして、例えば電磁弁を利用すると、ノーマルオープンの電磁弁であれば燃料電池の発電停止中に電磁弁をクローズさせるために電磁弁に制御電圧を印加し続ける必要があり、一方、ノーマルクローズの電磁弁であれば燃料電池の発電中に電磁弁をオープンさせるために電磁弁に制御電圧を印加し続ける必要があるなどの事情から、消費電力の面での問題が無視できない。

こうした背景において、本願発明者らは、燃料電池システムの流体流路に設けられる弁の開閉状態の制御に関する研究開発を重ねてきた。

本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、燃料電池システムに利用される弁の開閉状態の制御に関する改良技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に接続される流体流路と、流体流路に設けられる流体制御弁と、を有し、前記流体制御弁は、開弁用圧力と閉弁用圧力の圧力差に応じて駆動する弁体と、開弁用圧力または閉弁用圧力を弁体に加える圧力室とを備え、前記圧力室が密閉されることにより弁体の開閉状態が維持されることを特徴とする。

上記構成では、圧力室が密閉されてその圧力室内の圧力が維持されることにより弁体の開閉状態が維持されるため、例えば、弁体の閉状態を維持するために制御電圧などを当該弁体に印加し続けなくてもよい。そのため、例えば、弁の制御のための消費電力を低減することができる。

なお、上記構成では、流体制御弁は開弁用圧力または閉弁用圧力に対応した圧力室を備えているが、流体制御弁は開弁用圧力に対応した圧力室と閉弁用圧力に対応した圧力室の両方の圧力室を備えていてもよい。また、弁体に加えられる力には、圧力室内の圧力の他に、流体制御弁に入り込む流体から直接受ける圧力や、流体制御弁に設けられたバネによるバネ力や、凍結などによって弁体を固着させようとする凍結力などが含まれてもよい。

望ましい態様において、前記流体制御弁は、ノーマル状態において開弁用圧力と閉弁用圧力のうちの一方の圧力が他方の圧力よりも大きい状態となり、非ノーマル状態において他方の圧力に対応した圧力室が密閉されて他方の圧力が一方の圧力よりも大きい状態となることを特徴とする。

この構成により、例えば、制御電圧などを印加し続けなくてもノーマル状態を維持することができる流体制御弁について、その流体制御弁を非ノーマル状態で利用する場合に、圧力室を密閉することにより非ノーマル状態に対応した圧力差関係が実現されるため、制御電圧などを印加し続けなくても非ノーマル状態を維持することが可能になる。

望ましい態様において、前記流体制御弁は、ノーマル状態において開弁用圧力が閉弁用圧力よりも大きくなり弁体を開状態とするノーマルオープン弁であり、燃料電池の流体の入口側と出口側のうちの少なくとも一方側に設けられ、非ノーマル状態において閉弁用圧力が開弁用圧力よりも大きくなり弁体を閉状態とすることによりシャット弁として機能することを特徴とする。

この構成では、燃料電池の流体の入口側と出口側のうちの少なくとも一方側に、望ましくは入口側と出口側の両側に、シャット弁としてノーマルオープン弁が設けられる。ノーマルオープン弁をシャット弁として利用することにより、例えばノーマルクローズ弁を利用する場合に比べて、より確実に弁の開状態を実現することができる。そのため、例えば、燃料電池の発電期間中において開状態を維持する期間が長い酸化ガス側のシャット弁として、ノーマルオープン弁は好適である。

望ましい態様において、前記流体制御弁は、開弁用圧力に対応した開弁側圧力室と閉弁用圧力に対応した閉弁側圧力室の二つの圧力室を備えることを特徴とする。この構成では、開弁側圧力室と閉弁側圧力室のいずれか一方のみの圧力室を備える場合に比べて、圧力差による制御の信頼性を高めることができる。

望ましい態様において、前記流体制御弁の二つの圧力室のうちの一方の圧力室を選択的に流体流路と接続する三方弁をさらに有し、三方弁を介して伝えられる流体の圧力を利用して二つの圧力室内の圧力が制御されることを特徴とする。望ましい態様において、前記三方弁は、非制御状態において前記流体制御弁の二つの圧力室のうちの一方の圧力室を流体流路と接続し、制御状態において前記流体制御弁の二つの圧力室のうちの他方の圧力室を流体流路と接続することを特徴とする。この構成において、非制御状態とは、例えば三方弁に対して制御電圧の印加（通電）などを必要としない状態であり、制御状態とは、例えば三方弁に対して制御電圧を印加（通電）する状態である。

望ましい態様において、前記流体制御弁の開弁用圧力と閉弁用圧力のうちのノーマル状態において大きい方の圧力に対応した圧力室と流体流路とを接続して当該圧力室内を加圧することにより、当該流体制御弁のノーマル状態を維持することを特徴とする。望ましい態様において、前記流体制御弁の二つの圧力室のうちの一方の圧力室内を減圧してから他方の圧力室内を加圧することにより、当該流体制御弁のノーマル状態と非ノーマル状態を切り替えることを特徴とする。

望ましい態様において、前記流体流路に流体を流通させるコンプレッサと、前記流体制御弁の圧力室とコンプレッサの上流側とを接続する圧抜き流路と、を有し、前記コンプレッサの下流側の圧力よりも小さい上流側の圧力を利用して前記流体制御弁の圧力室内を減圧することを特徴とする。この構成では、コンプレッサの上流側の小さい圧力（例えば負圧）を利用して圧力室内を減圧させているため、例えば大気開放によって圧力室内を減圧させる場合に比べて、減圧に関する応答性が向上する。

望ましい態様において、前記流体流路に流体を流通させるコンプレッサを停止させて前記流体制御弁の圧力室と流体流路とを接続することにより、当該流体制御弁の圧力室内を減圧することを特徴とする。この構成により、例えば流体制御弁の圧力室を減圧するための圧抜き用バルブを省略した燃料電池システムを実現することが可能になる。

望ましい態様において、前記流体制御弁の圧力室内を減圧するための圧抜き用バルブをさらに有し、当該流体制御弁の圧抜き用バルブの異常時にコンプレッサを停止させて当該流体制御弁の圧力室と流体流路とを接続して圧力室内を減圧することを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に接続される流体流路と、流体流路に設けられる流体制御弁と、を有し、前記流体制御弁は、開弁用圧力と閉弁用圧力の圧力差に応じて駆動される弁体を備え、燃料電池の流体の入口側と出口側のうちの少なくとも一方側に前記流体制御弁が設けられ、燃料電池の発電運転の停止後に前記流体制御弁の弁体を閉状態とすることにより、燃料電池の入口側と出口側のうちの少なくとも一方側を封鎖することを特徴とする。

望ましい態様において、前記流体制御弁は、流体流路を流れる流体の圧力を利用して開弁用圧力と閉弁用圧力のうちの少なくとも一方が制御されることを特徴とする。

本発明により、燃料電池システムに利用される弁の開閉状態の制御に関する改良技術が提供される。例えば、本発明の好適な態様により、弁の制御のための消費電力を低減することができる。また、例えば、本発明の好適な態様により、制御電圧などを印加し続けなくてもノーマル状態と非ノーマル状態の両方の状態を維持し続けることができる。また、例えば、本発明の好適な態様により、流体制御弁の圧力室内の減圧に関する応答性が向上する。また、例えば、本発明の好適な態様により、流体制御弁の圧力室を減圧するための圧抜き用バルブを省略した燃料電池システムを実現することが可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成図である。図１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０、流体流路２０等によって構成されており、流体流路２０には、加湿モジュールバイパス弁（加湿Ｍバイパス弁）３０、入口シャット弁４０Ａ、出口シャット弁４０Ｂ等が設けられている。

燃料電池スタック１０は、水素などを含んだ燃料ガスと、酸素などを含んだ酸化ガスとを反応させて発電する。つまり、燃料ガスと酸化ガスが燃料電池スタック１０に供給され、燃料電池スタック１０内の図示しない複数の電池セルにおいて燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電気エネルギーが得られる。電池セルは、例えば、略長方形状の板状のセルであり、それら複数の板状の電池セルが積層されて燃料電池スタック１０が形成される。なお、各電池セルは、例えば円筒状のものであってもよい。

ちなみに、本実施形態の燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、燃料電池スタック１０が車両走行用モータの電源として利用される。もちろん、本実施形態の燃料電池システムは、車両以外の装置やシステム等に組み込まれても良い。

流体流路２０は、燃料電池スタック１０へ反応ガスを供給する流路として機能する。つまり、流体流路２０を介して、一方の反応ガス（例えば、酸化ガスとして利用される空気）が燃料電池スタック１０内へ供給される。また、流体流路２０は、燃料電池スタック１０内から反応後のガスや生成水などを排出する流路として機能する。なお、燃料電池スタック１０には、他方の反応ガス（例えば、水素ガス）を供給する流路も接続されるが、図１ではその流路を図示省略している。

加湿Ｍバイパス弁３０、入口シャット弁４０Ａ、出口シャット弁４０Ｂの各弁は、流体流路２０内の空気（エア）の流れを調整する流体制御弁として機能している。これら３つの弁の各々には、圧力制御流路７０を介して３つのＰＳＶ（Pressure Switching Valve）が接続されている。

つまり、加湿Ｍバイパス弁３０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４０Ａ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４０Ｂには、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯの３つのＰＳＶが接続されている。これらのＰＳＶは、圧力制御流路７０を介して、流体流路２０の上流側、例えばエアコンプレッサ（ＡＰ）と加湿モジュール５０の間などに接続される。また、これらのＰＳＶは、例えば、図示しない制御部によって制御される。

加湿Ｍバイパス弁３０、入口シャット弁４０Ａ、出口シャット弁４０Ｂは、各々に対応したＰＳＶによって制御される。本実施形態では、燃料電池スタック１０の状態等に応じて、加湿Ｍバイパス弁３０、入口シャット弁４０Ａ、出口シャット弁４０Ｂの各弁が制御される。燃料電池スタック１０の状態等に応じた制御については後に詳述する。

次に、流体流路２０内のエアの流れについて説明する。流体流路２０内を流れるエアは、エアコンプレッサ（ＡＰ）から流体流路２０内へ取り込まれる。エアコンプレッサは、例えばエアクリーナ（図示せず）などを介して大気中から流体流路２０内へエアを取り込む。エアコンプレッサから吐き出されたエアは、加湿モジュール５０、加湿Ｍバイパス弁３０、燃料電池バイパス弁８０へ供給される。

加湿モジュール５０は、流体流路２０を流れるエアの湿度を調整する。つまり、加湿モジュール５０は、例えば、燃料電池スタック１０内における化学反応に適した湿度となるようにエアを加湿する。湿度が調整されたエアは、入口シャット弁４０Ａを介して燃料電池スタック１０へ供給される。

加湿モジュール５０を介さずに燃料電池スタック１０へエアを供給するルートも存在する。つまり、エアコンプレッサから加湿Ｍバイパス弁３０を介して燃料電池スタック１０へエアを供給するルートがあり、そのルートを通るエアは、加湿調整されることなく燃料電池スタック１０内へ供給される。

燃料電池バイパス弁８０へ供給されるエアは、燃料電池スタック１０へ供給されることなく、希釈器６０を介して大気へ放出される。燃料電池バイパス弁８０は、燃料電池スタック１０へ供給されるエアの圧力（吐出圧）の制御に利用される。つまり、燃料電池バイパス弁８０の弁開度によって圧力計Ｐ１の位置における流体流路２０内のエアの圧力が調整される。なお、エアコンプレッサ（ＡＰ）から吐き出されるエア流量によって吐出圧が制御されてもよい。もちろん、燃料電池バイパス弁８０の弁開度とエアコンプレッサのエア流量の両方を利用して吐出圧を制御してもよい。

燃料電池スタック１０から排出されるガス（反応後のエア）は、エア調圧弁９０へ送られる。エア調圧弁９０は、燃料電池スタック１０から排出されるエアの圧力（背圧）の制御に利用される。つまり、エア調圧弁９０の弁開度によって圧力計Ｐ２の位置における流体流路２０内のエアの圧力が調整される。背圧は、例えば、燃料電池スタック１０を効率よく発電させるための目標値となるように制御される。

そして、エア調圧弁９０から出力されたエアは、出口シャット弁４０Ｂ、加湿モジュール５０、希釈器６０を介して大気へ放出される。

次に、図２から図５を利用して、加湿Ｍバイパス弁３０、入口シャット弁４０Ａ、出口シャット弁４０Ｂについて詳述する。まず、図２および図３を利用して、入口シャット弁４０Ａ、出口シャット弁４０Ｂについて説明する。

図２は、シャット弁４０（図１の入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂ）の構造を説明するための図である。シャット弁４０は、ノーマル状態において、開弁力が閉弁力よりも大きくなり弁体４１を開状態とするノーマルオープン弁である。

シャット弁４０は、ダイアフラム４２を備えており、そのダイアフラム４２の上面側には閉弁側圧力室４３が設けられ、ダイアフラム４２の下面側には開弁側圧力室４４が設けられている。

ダイアフラム４２は、閉弁側圧力室４３内の圧力と開弁側圧力室４４内の圧力の圧力差に応じて図の上下方向に沿って変位する。例えば、図２において、ダイアフラム４２の左右の両端は固定されており、ダイアフラム４２の中央部分が上下に反り返るように変位する。もちろん、ダイアフラム４２の全体が上下に変位する構成を採用してもよい。ダイアフラム４２が変位すると、ダイアフラム４２に接続されている弁体４１も変位する。その結果、ダイアフラム４２の変位によってシャット弁４０の弁開度が調整される。

例えば、ダイアフラム４２の変位によって弁体４１が上向きに駆動されることにより、流体流路２０からシャット弁４０の入口４６に向かって流れるエアが、シャット弁４０の出口４７から流体流路２０へ排出される。一方、ダイアフラム４２の変位によって弁体４１が下向きに駆動されて出口４７を塞ぐことにより、入口４６側の流体流路２０から出口４７側の流体流路２０へ向かうエアの流れが遮断される。

なお、ダイアフラム４２の下面側にはバネ４５が設けられており、ダイアフラム４２には、上向きのバネ力が加えられている。

ちなみに、圧力室内と外部とを隔てる隔壁を設けて、圧力室の内外の圧力差に応じて移動する隔壁と、弁体４１とが連結されてもよい。この場合、弁体４１は、圧力差に応じて移動する隔壁に連動して駆動することにより、流体流路２０の開度を変える。

閉弁側圧力室４３内の圧力と開弁側圧力室４４内の圧力は、３つのＰＳＶによって制御される。つまり、シャット弁４０が入口シャット弁（図１の符号４０Ａ）であれば、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯの３つのＰＳＶによって各圧力室内の圧力が制御される。また、シャット弁４０が出口シャット弁（図１の符号４０Ｂ）であれば、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯの３つのＰＳＶによって各圧力室内の圧力が制御される。

ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、３Ｗａｙ式のＰＳＶであり、閉弁側圧力室４３と開弁側圧力室４４の二つの圧力室のうちの一方の圧力室を選択的に流体流路２０と接続する三方弁として機能する。つまり、ＶｉＳによって、流体流路２０に通じる圧力制御流路７０と、閉弁側圧力室４３に通じる圧力制御流路７０または開弁側圧力室４４に通じる圧力制御流路７０が接続される。

ＶｉＳは、例えば電磁弁であり、通電されることにより接続状態を変化させる。ＶｉＳは、非制御状態つまり通電されていない状態（非通電状態）において、開弁側圧力室４４を選択する。すなわち、非通電状態では、ＶｉＳによって、流体流路２０に通じる圧力制御流路７０と開弁側圧力室４４に通じる圧力制御流路７０が接続される。一方、ＶｉＳは、制御状態つまり通電された状態（通電状態）で、閉弁側圧力室４３を選択する。すなわち、通電状態では、ＶｉＳによって、流体流路２０に通じる圧力制御流路７０と閉弁側圧力室４３に通じる圧力制御流路７０が接続される。

ＶｉＣ（またはＶｏＣ）は、２Ｗａｙ式のＰＳＶであり、閉弁側圧力室４３内を減圧するための圧抜きバルブとして機能する。ＶｉＣの一方側は閉弁側圧力室４３に通じる圧力制御流路７０に接続されており、ＶｉＣの他方側は大気開放されている。

ＶｉＣは、例えば電磁弁であり、通電されることにより開閉状態を変化させる。ＶｉＣは、非制御状態つまり通電されていない状態（非通電状態）で閉弁状態を維持する。これにより、ＶｉＣが非通電状態の場合には、閉弁側圧力室４３内と大気とを結ぶ流路が遮断される。一方、ＶｉＣは、制御状態つまり通電された状態（通電状態）で開弁する。これにより、ＶｉＣが通電状態の場合には、閉弁側圧力室４３内と大気とを結ぶ流路が形成される。

ＶｉＯ（またはＶｏＯ）は、２Ｗａｙ式のＰＳＶであり、開弁側圧力室４４内を減圧するための圧抜きバルブとして機能する。ＶｉＯの一方側は開弁側圧力室４４に通じる圧力制御流路７０に接続されており、ＶｉＯの他方側は大気開放されている。

ＶｉＯは、例えば電磁弁であり、通電されることにより開閉状態を変化させる。ＶｉＯは、非制御状態つまり通電されていない状態（非通電状態）で閉弁状態を維持する。これにより、ＶｉＯが非通電状態の場合には、開弁側圧力室４４内と大気とを結ぶ流路が遮断される。一方、ＶｉＯは、制御状態つまり通電された状態（通電状態）で開弁する。これにより、ＶｉＯが通電状態の場合には、開弁側圧力室４４内と大気とを結ぶ流路が形成される。

ちなみに、本実施形態を説明するための各図において、ＶｉＳ（ＶｏＳ），ＶｉＣ（ＶｏＣ），ＶｉＯ（ＶｏＯ）を表している複数の三角形のうち、塗り潰された三角形は圧力制御流路７０を閉じた状態を示しており、塗り潰されていない三角形は圧力制御流路７０を開いた状態を示している。

例えば、図２に示した各三角形の塗り潰し状態において、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は、閉弁側圧力室４３に通じる圧力制御流路７０を閉じており、流体流路２０に通じる圧力制御流路７０と開弁側圧力室４４に通じる圧力制御流路７０を接続した状態（非通電状態）を示している。また、図２において、ＶｉＣ（またはＶｏＣ）を表す三角形は塗り潰されており、これはＶｉＣ（またはＶｏＣ）が閉じた状態（非通電状態）であることを表している。また、図２において、ＶｉＯ（またはＶｏＯ）を表す三角形も塗り潰されており、これはＶｉＯ（またはＶｏＯ）も閉じた状態（非通電状態）であることを表している。

図３は、シャット弁４０（図１の入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂ）の開閉動作を説明するための図である。

図３（Ａ）は、シャット弁４０の開弁動作を説明するための図である。つまり、下がって閉じた状態にある弁体４１を上向きに移動させて開弁する際の動作を説明するための図である。

シャット弁４０を開弁する場合、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は非通電状態とされ、開弁側圧力室４４と流体流路（図１の符号２０）が接続される。また、ＶｉＯ（またはＶｏＯ）は非通電状態とされ、開弁側圧力室４４内と大気とを結ぶ流路が遮断される。さらに、ＶｉＣ（またはＶｏＣ）は通電状態とされ、閉弁側圧力室４３内と大気とを結ぶ流路が形成され、閉弁側圧力室４３が圧抜きされる。

この状態において、シャット弁４０の弁体４１には次のような力が働く。まず、エアコンプレッサ（図１のＡＰ）の吐出圧をＰ₁、ダイアフラム４２の面積をＡ₁とすると、開弁側圧力室４４と流体流路（図１の符号２０）が接続されているため、開弁側圧力室４４内が加圧されて圧力がＰ₁となり、ダイアフラム４２を介して弁体４１に上向きの力Ｐ₁Ａ₁が働く。

また、シャット弁４０の入口４６からエア（圧力Ｐ₁）が入り込んで弁体４１に直接的に力を加えるため、弁体４１の授圧面積をＡ₂とすると、弁体４１に下向きの力Ｐ₁Ａ₂が働く。また、燃料電池スタック（図１の符号１０）内の負圧をＰ₂とすると、その負圧がシャット弁４０の出口４７から弁体４１に力を加えるため、弁体４１の授圧面積をＡ₂とすると、弁体４１に下向きの力Ｐ₂Ａ₂が働く。

さらに、バネ４５によってダイアフラム４２を介して弁体４１に上向きの力Ｆ_Sが働き、また、凍結などによって弁体４１が出口４７の部分に固着する力を考慮すると、弁体４１に下向きの凍結力Ｆ_Iが働く。

したがって、弁体４１を上向きに移動させて開弁するためには、弁体４１の上下方向に働く力の関係がＰ₁Ａ₁＋Ｆ_S＞Ｐ₁Ａ₂＋Ｐ₂Ａ₂＋Ｆ_Iとなればよい。この力関係が成立するように、例えば、エアの吐出圧Ｐ₁等が制御される。

図３（Ｂ）は、シャット弁４０の閉弁動作を説明するための図である。つまり、上がって開いた状態にある弁体４１を下向きに移動させて閉弁する際の動作を説明するための図である。

シャット弁４０を閉弁する場合、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は通電状態とされ、閉弁側圧力室４３と流体流路（図１の符号２０）が接続される。また、ＶｉＣ（またはＶｏＣ）は非通電状態とされ、閉弁側圧力室４３内と大気とを結ぶ流路が遮断される。さらに、ＶｉＯ（またはＶｏＯ）は通電状態とされ、開弁側圧力室４４内と大気とを結ぶ流路が形成され、開弁側圧力室４４が圧抜きされる。

この状態において、シャット弁４０の弁体４１には次のような力が働く。まず、エアコンプレッサ（図１のＡＰ）の吐出圧をＰ₁、ダイアフラム４２の面積をＡ₁とすると、閉弁側圧力室４３と流体流路（図１の符号２０）が接続されているため、閉弁側圧力室４３内が加圧されて圧力がＰ₁となり、ダイアフラム４２を介して弁体４１に下向きの力Ｐ₁Ａ₁が働く。

また、シャット弁４０の入口４６からエア（圧力Ｐ₁）が入り込んで弁体４１に直接的に力を加えるため、弁体４１の授圧面積をＡ₂とすると、弁体４１に上向きの力Ｐ₁Ａ₂が働く。さらに、バネ４５によってダイアフラム４２を介して弁体４１に上向きの力Ｆ_Sが働く。

したがって、弁体４１を下向きに移動させて閉弁するためには、弁体４１の上下方向に働く力の関係がＰ₁Ａ₁＞Ｐ₁Ａ₂＋Ｆ_Sとなればよい。この力関係が成立するように、例えば、エアの吐出圧Ｐ₁等が制御される。

なお、図２および図３においては、２つの圧力室を利用したシャット弁４０を説明したが、圧力室は、例えば、閉弁側圧力室４３のみであってもよい。つまり、シャット弁４０を閉じる際には、閉弁側圧力室４３を加圧して弁体４１を下向きに移動させる力関係を成立させ、また、シャット弁４０を開く際には、閉弁側圧力室４３を圧抜きし、バネ４５の力や、入口４６から入り込むエアの圧力によって弁体４１を上向きに移動させる力関係を成立させる構成でもよい。

次に、図４および図５を利用して、加湿Ｍバイパス弁３０について説明する。図４は、加湿Ｍバイパス弁３０の構造を説明するための図である。加湿Ｍバイパス弁３０は、ノーマル状態において、閉弁力が開弁力よりも大きくなり弁体３１を閉状態とするノーマルクローズ弁である。

加湿Ｍバイパス弁３０は、ダイアフラム３２を備えており、そのダイアフラム３２の上面側には閉弁側圧力室３３が設けられ、ダイアフラム３２の下面側には開弁側圧力室３４が設けられている。

ダイアフラム３２は、閉弁側圧力室３３内の圧力と開弁側圧力室３４内の圧力の圧力差に応じて図の上下方向に沿って変位する。例えば、図４において、ダイアフラム３２の左右の両端は固定されており、ダイアフラム３２の中央部分が上下に反り返るように変位する。もちろん、ダイアフラム３２の全体が上下に変位する構成を採用してもよい。ダイアフラム３２が変位すると、ダイアフラム３２に接続されている弁体３１も変位する。その結果、ダイアフラム３２の変位によって加湿Ｍバイパス弁３０の弁開度が調整される。

例えば、ダイアフラム３２の変位によって弁体３１が上向きに駆動されることにより、流体流路２０から加湿Ｍバイパス弁３０の入口３６に向かって流れるエアが、加湿Ｍバイパス弁３０の出口３７から流体流路２０へ排出される。一方、ダイアフラム３２の変位によって弁体３１が下向きに駆動されて出口３７を塞ぐことにより、入口３６側の流体流路２０から出口３７側の流体流路２０へ向かうエアの流れが遮断される。

なお、ダイアフラム３２の上面側にはバネ３５が設けられており、ダイアフラム３２には、下向きのバネ力が加えられている。

閉弁側圧力室３３内の圧力と開弁側圧力室３４内の圧力は、３つのＰＳＶによって制御される。つまり、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯの３つのＰＳＶによって各圧力室内の圧力が制御される。

ＶｂＳは、３Ｗａｙ式のＰＳＶであり、閉弁側圧力室３３と開弁側圧力室３４の二つの圧力室のうちの一方の圧力室を選択的に流体流路２０と接続する三方弁として機能する。つまり、ＶｂＳによって、流体流路２０に通じる圧力制御流路７０と、閉弁側圧力室３３に通じる圧力制御流路７０または開弁側圧力室３４に通じる圧力制御流路７０が接続される。

ＶｂＳは、例えば電磁弁であり、通電されることにより接続状態を変化させる。ＶｂＳは、非制御状態つまり通電されていない状態（非通電状態）において、閉弁側圧力室３３を選択する。すなわち、非通電状態では、ＶｂＳによって、流体流路２０に通じる圧力制御流路７０と閉弁側圧力室３３に通じる圧力制御流路７０が接続される。一方、ＶｂＳは、制御状態つまり通電された状態（通電状態）で、開弁側圧力室３４を選択する。すなわち、通電状態では、ＶｂＳによって、流体流路２０に通じる圧力制御流路７０と開弁側圧力室３４に通じる圧力制御流路７０が接続される。

ＶｂＣは、２Ｗａｙ式のＰＳＶであり、閉弁側圧力室３３内を減圧するための圧抜きバルブとして機能する。ＶｂＣの一方側は閉弁側圧力室３３に通じる圧力制御流路７０に接続されており、ＶｂＣの他方側は大気開放されている。

ＶｂＣは、例えば電磁弁であり、通電されることにより開閉状態を変化させる。ＶｂＣは、非制御状態つまり通電されていない状態（非通電状態）で閉弁状態を維持する。これにより、ＶｂＣが非通電状態の場合には、閉弁側圧力室３３内と大気とを結ぶ流路が遮断される。一方、ＶｂＣは、制御状態つまり通電された状態（通電状態）で開弁する。これにより、ＶｂＣが通電状態の場合には、閉弁側圧力室３３内と大気とを結ぶ流路が形成される。

ＶｂＯは、２Ｗａｙ式のＰＳＶであり、開弁側圧力室３４内を減圧するための圧抜きバルブとして機能する。ＶｂＯの一方側は開弁側圧力室３４に通じる圧力制御流路７０に接続されており、ＶｂＯの他方側は大気開放されている。

ＶｂＯは、例えば電磁弁であり、通電されることにより開閉状態を変化させる。ＶｂＯは、非制御状態つまり通電されていない状態（非通電状態）で閉弁状態を維持する。これにより、ＶｂＯが非通電状態の場合には、開弁側圧力室３４内と大気とを結ぶ流路が遮断される。一方、ＶｂＯは、制御状態つまり通電された状態（通電状態）で開弁する。これにより、ＶｂＯが通電状態の場合には、開弁側圧力室３４内と大気とを結ぶ流路が形成される。

ちなみに、本実施形態を説明するための各図において、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯを表している複数の三角形のうち、塗り潰された三角形は圧力制御流路７０を閉じた状態を示しており、塗り潰されていない三角形は圧力制御流路７０を開いた状態を示している。

例えば、図４に示した各三角形の塗り潰し状態において、ＶｂＳは、開弁側圧力室３４に通じる圧力制御流路７０を閉じており、流体流路２０に通じる圧力制御流路７０と閉弁側圧力室３３に通じる圧力制御流路７０を接続した状態（非通電状態）を示している。また、図４において、ＶｂＣを表す三角形は塗り潰されており、これはＶｂＣが閉じた状態（非通電状態）であることを表している。また、図４において、ＶｂＯを表す三角形も塗り潰されており、これはＶｂＯも閉じた状態（非通電状態）であることを表している。

図５は、加湿Ｍバイパス弁３０の開閉動作を説明するための図である。図５（Ａ）は、加湿Ｍバイパス弁３０の開弁動作を説明するための図である。つまり、下がって閉じた状態にある弁体３１を上向きに移動させて開弁する際の動作を説明するための図である。

加湿Ｍバイパス弁３０を開弁する場合、ＶｂＳは通電状態とされ、開弁側圧力室３４と流体流路（図１の符号２０）が接続される。また、ＶｂＯは非通電状態とされ、開弁側圧力室３４内と大気とを結ぶ流路が遮断される。さらに、ＶｂＣは通電状態とされ、閉弁側圧力室３３内と大気とを結ぶ流路が形成されて、閉弁側圧力室３３が圧抜きされる。

この状態において、加湿Ｍバイパス弁３０の弁体３１には次のような力が働く。まず、エアコンプレッサ（図１のＡＰ）の吐出圧をＰ₁、ダイアフラム３２の面積をＡ₁とすると、開弁側圧力室３４と流体流路（図１の符号２０）が接続されているため、開弁側圧力室３４内が加圧されて圧力がＰ₁となり、ダイアフラム３２を介して弁体３１に上向きの力Ｐ₁Ａ₁が働く。

また、加湿Ｍバイパス弁３０の入口３６からエア（圧力Ｐ₁）が入り込んで弁体３１に直接的に力を加えるため、弁体３１の授圧面積をＡ₂とすると、弁体３１に下向きの力Ｐ₁Ａ₂が働く。また、バネ３５によってダイアフラム３２を介して弁体３１に下向きの力Ｆ_Sが働き、また、凍結などによって弁体３１が出口３７の部分に固着する力を考慮すると、弁体３１に下向きの凍結力Ｆ_Iが働く。

したがって、弁体３１を上向きに移動させて開弁するためには、弁体３１の上下方向に働く力の関係がＰ₁Ａ₁＞Ｐ₁Ａ₂＋Ｆ_S＋Ｆ_Iとなればよい。この力関係が成立するように、例えば、エアの吐出圧Ｐ₁等が制御される。

図５（Ｂ）は、加湿Ｍバイパス弁３０の閉弁動作を説明するための図である。つまり、上がって開いた状態にある弁体３１を下向きに移動させて閉弁する際の動作を説明するための図である。

加湿Ｍバイパス弁３０を閉弁する場合、ＶｂＳは非通電状態とされ、閉弁側圧力室３３と流体流路（図１の符号２０）が接続される。また、ＶｂＣは非通電状態とされ、閉弁側圧力室３３内と大気とを結ぶ流路が遮断される。さらに、ＶｂＯは通電状態とされ、開弁側圧力室３４内と大気とを結ぶ流路が形成されて、開弁側圧力室３４が圧抜きされる。

この状態において、加湿Ｍバイパス弁３０の弁体３１には次のような力が働く。まず、エアコンプレッサ（図１のＡＰ）の吐出圧をＰ₁、ダイアフラム３２の面積をＡ₁とすると、閉弁側圧力室３３と流体流路（図１の符号２０）が接続されているため、閉弁側圧力室３３内が加圧されて圧力がＰ₁となり、ダイアフラム３２を介して弁体３１に下向きの力Ｐ₁Ａ₁が働く。

また、加湿Ｍバイパス弁３０の入口３６からエア（圧力Ｐ₁）が入り込んで弁体３１に直接的に力を加えるため、弁体３１の授圧面積をＡ₂とすると、弁体３１に上向きの力Ｐ₁Ａ₂が働く。さらに、バネ３５によってダイアフラム３２を介して弁体３１に下向きの力Ｆ_Sが働く。

したがって、弁体３１を下向きに移動させて閉弁するためには、弁体３１の上下方向に働く力の関係がＦ_S＋Ｐ₁Ａ₁＞Ｐ₁Ａ₂となればよい。この力関係が成立するように、例えば、エアの吐出圧Ｐ₁等が制御される。

なお、図４および図５においては、２つの圧力室を利用した加湿Ｍバイパス弁３０を説明したが、圧力室は、例えば、開弁側圧力室３４のみであってもよい。つまり、加湿Ｍバイパス弁３０を開く際には、開弁側圧力室３４を加圧して弁体３１を上向きに移動させる力関係を成立させ、加湿Ｍバイパス弁３０を閉じる際には、開弁側圧力室３４を圧抜きし、バネ３５の力などによって弁体３１を下向きに移動させる力関係を成立させる構成でもよい。

本実施形態では、燃料電池スタック１０の状態等に応じて、加湿Ｍバイパス弁３０、入口シャット弁４０Ａ、出口シャット弁４０Ｂの各弁が制御される。そこで、図６から図１２を利用して、燃料電池スタック１０の状態等に応じた各弁の制御について説明する。なお、図６から図１２の各図は、図１に示した燃料電池システムの全体構成図に、流体流路２０内のエアの流れ等を示したものである。そのため、既に図１を利用して説明した部分（構成）については説明を省略する。

図６は、図１の燃料電池システムの通常運転中の状態を説明するための図である。通常運転中の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を発電させた状態である。つまり、燃料電池スタック１０に、加湿されたエアが供給され、また、燃料電池スタック１０から反応後のエアが排出されている。

通常運転中において、加湿Ｍバイパス弁３０は閉じた状態であり、入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂは共に開いた状態である。また、エアコンプレッサ（ＡＰ）は運転しており、エアコンプレッサから吐き出されたエアは、加湿モジュール５０、加湿Ｍバイパス弁３０、燃料電池バイパス弁８０へ供給される。

エアコンプレッサから加湿モジュール５０へ供給されたエアは、加湿モジュール５０によって加湿された後、開いた状態の入口シャット弁４０Ａを介して、燃料電池スタック１０へ供給される。また、エアコンプレッサから加湿Ｍバイパス弁３０へ供給されたエアは、加湿Ｍバイパス弁３０が閉じた状態であるため、そこで遮断される。なお、燃料電池バイパス弁８０も閉じた状態であり、エアの流れを遮断している。

燃料電池スタック１０から排出された反応後のエアは、背圧を調整するエア調圧弁９０と、開いた状態の出口シャット弁４０Ｂを通り、さらに、加湿モジュール５０、希釈器６０を介して大気へ放出される。

通常運転中において、入口シャット弁４０Ａを制御するＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯは、全て非通電状態となっている。つまり、ＶｉＳによって開弁側圧力室（図２の符号４４）が選択された状態であり、また、ＶｉＣとＶｉＯが閉じた状態である。この状態では、エアコンプレッサから吐き出されるエアの吐出圧によって入口シャット弁４０Ａの開弁側圧力室内が加圧され、弁体（図２の符号４１）を開く方向に力を加える。また、入口シャット弁４０Ａ内のバネ（図２の符号４５）も弁体を開く方向に力を加えており、さらに、入口シャット弁４０Ａの入口（図２の符号４６）から入り込むエアも弁体を開く方向に力を加えている。そのため、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯが全て非通電状態でありながら、入口シャット弁４０Ａを開いた状態、つまりノーマル状態を維持することが可能になる。

また、通常運転中において、出口シャット弁４０Ｂを制御するＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯも全て非通電状態となっている。そして、入口シャット弁４０Ａの場合と同様な理由により、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯが全て非通電状態でありながら、出口シャット弁４０Ｂを開いた状態、つまりノーマル状態を維持することが可能になる。

さらに、通常運転中において、加湿Ｍバイパス弁３０を制御するＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯは、全て非通電状態となっている。つまり、ＶｂＳによって閉弁側圧力室（図４の符号３３）が選択された状態であり、また、ＶｂＣとＶｂＯが閉じた状態である。この状態では、エアコンプレッサから吐き出されるエアの吐出圧によって加湿Ｍバイパス弁３０の閉弁側圧力室内が加圧され、弁体（図４の符号３１）を閉じる方向に力を加える。また、加湿Ｍバイパス弁３０内のバネ（図４の符号３５）も弁体を閉じる方向に力を加えており、さらに、加湿Ｍバイパス弁３０の入口（図４の符号３６）から入り込むエアも弁体を閉じる方向に力を加えている。そのため、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯが全て非通電状態でありながら、加湿Ｍバイパス弁３０を閉じた状態、つまりノーマル状態を維持することが可能になる。

図７は、図１の燃料電池システムの停止指示時の状態を説明するための図である。この状態は、例えば、通常運転中の状態（図６）からユーザなどによって、燃料電池システムの運転を停止させる操作が成された場合の状態である。

停止指示時において、加湿Ｍバイパス弁３０は、閉じた状態から開いた状態に切り替え制御される。加湿Ｍバイパス弁３０を開弁させる動作は、先に説明したとおりである（図５参照）。つまり、ＶｂＳが通電され、開弁側圧力室（図５の符号３４）と流体流路２０が接続される。また、ＶｂＯは非通電状態であり、開弁側圧力室内と大気とを結ぶ流路が遮断される。さらに、ＶｂＣは通電され、閉弁側圧力室（図５の符号３３）が圧抜きされる。これにより、加湿Ｍバイパス弁３０が開弁する。加湿Ｍバイパス弁３０が開弁すると、エアコンプレッサから吐き出されたエアが加湿Ｍバイパス弁３０を介して燃料電池スタック１０へ供給される。

停止指示時において、入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂは共に、通常運転中（図６参照）と同じく、開いた状態である。また、入口シャット弁４０Ａを制御するＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯは全て非通電状態となっており、出口シャット弁４０Ｂを制御するＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯも全て非通電状態となっている。

エアコンプレッサから加湿モジュール５０へ供給されたエアは、加湿モジュール５０によって加湿された後、開いた状態の入口シャット弁４０Ａを介して、燃料電池スタック１０へ供給される。なお、燃料電池バイパス弁８０は閉じた状態であり、エアの流れを遮断している。

燃料電池スタック１０から排出された反応後のエアは、背圧を調整するエア調圧弁９０と、開いた状態の出口シャット弁４０Ｂを通り、さらに、加湿モジュール５０、希釈器６０を介して大気へ放出される。

図８は、図１の燃料電池システムの掃気中の状態を説明するための図である。掃気は、例えば、燃料電池スタック１０内の生成水などを吐き出させるために実行される。その実行タイミングは、例えば、停止指示時の状態（図７）から燃料電池システムの運転を実際に停止させるまでの間である。

掃気中において、入口シャット弁４０Ａは、開いた状態から閉じた状態に切り替え制御される。入口シャット弁４０Ａを閉弁させる動作は、先に説明したとおりである（図３参照）。つまり、ＶｉＳが通電され、閉弁側圧力室（図３の符号４３）と流体流路２０が接続される。また、ＶｉＣは非通電状態であり、閉弁側圧力室内と大気とを結ぶ流路が遮断される。さらに、ＶｉＯは通電され、開弁側圧力室（図３の符号４４）が圧抜きされる。入口シャット弁４０Ａが閉じると、入口シャット弁４０Ａを介して燃料電池スタック１０へ供給されていたエアの流れが遮断される。

掃気中において、加湿Ｍバイパス弁３０は、停止指示時（図７参照）と同じく、開弁された状態にある。また、加湿Ｍバイパス弁３０を制御するＶｂＳ，ＶｂＣは通電状態となっており、ＶｂＯは非通電状態となっている。加湿Ｍバイパス弁３０が開弁されているため、エアコンプレッサから吐き出されたエアが加湿Ｍバイパス弁３０を介して燃料電池スタック１０へ供給される。

また、掃気中において、出口シャット弁４０Ｂも、停止指示時（図７参照）と同じく、開弁された状態にある。出口シャット弁４０Ｂを制御するためのＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯは全て非通電状態となっている。出口シャット弁４０Ｂが開弁されているため、燃料電池スタック１０から排出されたエアは、エア調圧弁９０と、開いた状態の出口シャット弁４０Ｂを通り、さらに、加湿モジュール５０、希釈器６０を介して大気へ放出される。

また、掃気中においては、燃料電池スタック１０内から生成水などを効率よく吐き出させるために、エア調圧弁９０を全開状態とすることが望ましい。なお、燃料電池バイパス弁８０は閉じた状態であり、エアの流れを遮断している。

図９は、図１の燃料電池システムの掃気後の状態を説明するための図である。この状態は、掃気（図８）が終了した直後の状態である。

掃気後において、加湿Ｍバイパス弁３０は、開いた状態から閉じた状態に切り替え制御される。加湿Ｍバイパス弁３０を閉弁させる動作は、先に説明したとおりである（図５参照）。つまり、ＶｂＳが非通電状態とされ、閉弁側圧力室（図５の符号３３）と流体流路２０が接続される。また、ＶｂＣは非通電状態とされ、閉弁側圧力室内と大気とを結ぶ流路が遮断される。さらに、ＶｂＯは通電され、開弁側圧力室（図５の符号３４）が圧抜きされる。加湿Ｍバイパス弁３０が閉じると、加湿Ｍバイパス弁３０を介して燃料電池スタック１０へ供給されていたエアの流れが遮断される。

また、掃気後において、出口シャット弁４０Ｂは、開いた状態から閉じた状態に動作制御される。出口シャット弁４０Ｂを閉弁させる動作は、先に説明したとおりである（図３参照）。つまり、ＶｏＳが通電され、閉弁側圧力室（図３の符号４３）と流体流路２０が接続される。また、ＶｏＣは非通電状態とされ、閉弁側圧力室内と大気とを結ぶ流路が遮断される。さらにＶｏＯは通電され、開弁側圧力室（図３の符号４４）が圧抜きされる。

また、掃気後において、入口シャット弁４０Ａは、掃気中（図８参照）と同じく、閉じた状態にある。入口シャット弁４０Ａを制御するＶｉＳ，ＶｉＯは通電状態となっており、ＶｉＣは非通電状態となっている。入口シャット弁４０Ａが閉じているため、入口シャット弁４０Ａを介して燃料電池スタック１０へ供給されるエアの流れが遮断されている。

なお、掃気後の状態では、エアコンプレッサ（ＡＰ）が運転しており、加湿Ｍバイパス弁３０の閉弁側圧力室、入口シャット弁４０Ａの閉弁側圧力室、出口シャット弁４０Ｂの閉弁側圧力室は、エアコンプレッサから吐き出されるエアの吐出圧によって加圧されている。なお、燃料電池バイパス弁８０は閉じた状態であり、エアの流れを遮断している。

図１０は、図１の燃料電池システムの停止中の状態を説明するための図である。この状態は、掃気が終了した直後（停止直後）から次回の運転指示が成されるまでの間の状態である。

停止中において、入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂは共に閉じた状態に維持される。本実施形態では、入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂを閉じた状態で維持するために、閉弁側圧力室（図２の符号４３）を密閉して閉弁側圧力室内の圧力を維持している。圧力を維持して密閉するための動作は次のとおりである。

まず、掃気後（図９）の状態、つまり、エアコンプレッサから吐き出されるエアの吐出圧によって入口シャット弁４０Ａの閉弁側圧力室が加圧されている状態から、ＶｉＳの通電を停止する。これにより、入口シャット弁４０Ａの閉弁側圧力室に繋がる圧力制御流路７０が閉鎖される。このときＶｉＣは非通電状態であり、入口シャット弁４０Ａの閉弁側圧力室と大気とを結ぶ流路も遮断されている。従って、入口シャット弁４０Ａの閉弁側圧力室が、加圧された状態を維持したまま密閉される。

その後、エアコンプレッサが停止され、ＶｉＯに対する通電も停止される。ＶｉＳとＶｉＯが共に非通電状態となると、入口シャット弁４０Ａの開弁側圧力室と流体流路２０が接続される。しかし、エアコンプレッサが停止されており流体流路２０内も大気圧となっているため、入口シャット弁４０Ａの開弁側圧力室内は加圧されない。なお、エアコンプレッサの停止後に、ＶｉＯを通電し、入口シャット弁４０Ａの開弁側圧力室内を圧抜きするようにしてもよい。

以上の動作により、図１０に示すように、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯを非通電状態としたまま、入口シャット弁４０Ａの閉弁側圧力室内が加圧された状態に維持され、また、入口シャット弁４０Ａの開弁側圧力室内が圧抜きされた状態（大気圧の状態）に維持される。そのため、入口シャット弁４０Ａの閉弁側圧力室内と開弁側圧力室内の圧力差によって弁体（図２の符号４１）を閉じる方向に移動させる力が働き、その力が、例えばバネ（図３の符号４５）による力よりも大きければ、入口シャット弁４０Ａが閉じた状態を維持することになる。また、先に説明したように（図３参照）、入口シャット弁４０Ａには、燃料電池スタック内の負圧や凍結力など、弁体を閉じる方向に移動させる力が加わっていてもよい。

出口シャット弁４０Ｂについても、入口シャット弁４０Ａの場合と同様な動作により、閉じた状態を維持することができる。つまり、掃気後（図９）の状態からＶｏＳの通電を停止し、エアコンプレッサを停止させ、ＶｏＯに対する通電を停止することにより、図１０に示すようにＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯを非通電状態としたまま、出口シャット弁４０Ｂを閉じた状態で維持することができる。

このように、本実施形態では、ＶｉＳ，ＶｉＣ，ＶｉＯが全て非通電状態でありながら、入口シャット弁４０Ａを閉じた状態、つまり非ノーマル状態を維持することが可能になる。また、ＶｏＳ，ＶｏＣ，ＶｏＯが全て非通電状態でありながら、出口シャット弁４０Ｂを閉じた状態、つまり非ノーマル状態を維持することが可能になる。

また、停止中において、加湿Ｍバイパス弁３０は、閉じた状態となっている。加湿Ｍバイパス弁３０は、掃気後（図９）の状態で閉じており、その際に、ＶｂＯが通電されて開弁側圧力室が圧抜きされている。そして、図１０に示すように停止中において、ＶｂＯの通電が停止され、ＶｂＳ，ＶｂＣ，ＶｂＯの全てが非通電状態となる。なお、図１０に示すように、エアコンプレッサが停止した状態では、加湿Ｍバイパス弁３０の閉弁側圧力室が加圧されないため、加湿Ｍバイパス弁３０の開弁側圧力室と閉弁側圧力室が共に大気圧の状態となる。そのため、バネ（図４の符号３５）の力により加湿Ｍバイパス弁３０が閉じた状態（ノーマル状態）を維持する。また、先に説明したように（図５参照）、加湿Ｍバイパス弁３０には、燃料電池スタック内の負圧や凍結力など、弁体を閉じる方向に移動させる力が加わっていてもよい。

このように、本実施形態では、図１０に示す９つのＰＳＶを全て非通電状態としたまま、入口シャット弁４０Ａ、出口シャット弁４０Ｂ、加湿Ｍバイパス弁３０の３つの弁を全て閉じた状態で維持することができる。

図１１は、図１の燃料電池システムの開始指示時の状態を説明するための図である。この状態は、例えば、停止中の状態（図１０）からユーザなどによって、燃料電池システムの運転を開始させる操作が成された場合の状態である。

この開始指示時には、入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂを開弁させるための準備動作が行われる。つまり、ＶｉＣが通電され、停止中の状態（図１０）において加圧状態を保持していた入口シャット弁４０Ａの閉弁側圧力室が圧抜きされる。また、ＶｏＣが通電され、停止中の状態（図１０）において加圧状態を保持していた出口シャット弁４０Ｂの閉弁側圧力室も圧抜きされる。

なお、開始指示時において、加湿Ｍバイパス弁３０は停止中の状態（図１０）のまま閉じた状態であり、また、エアコンプレッサも停止した状態である。

図１２は、図１の燃料電池システムの起動中の状態を説明するための図である。この状態は、開始指示された状態（図１１）から燃料電池システムの通常運転を開始するまでの間の状態である。

この起動中の状態では、開始指示時の状態（図１１）において停止されていたエアコンプレッサ（ＡＰ）が運転開始され、エアコンプレッサから吐き出されたエアは、加湿モジュール５０を介して入口シャット弁４０Ａへ供給され、また、加湿Ｍバイパス弁３０、燃料電池バイパス弁８０へも供給される。なお、燃料電池バイパス弁８０の弁開度に応じてエアコンプレッサから吐き出されるエアの吐出圧が適宜制御される。燃料電池バイパス弁８０を通過したエアは、希釈器６０を介して大気へ放出される。

このように、起動中の状態では、エアコンプレッサが動作して、流体流路２０内にエアが流れ始める。そして、そのエアの吐出圧によって、入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂが、共に閉じた状態から開いた状態へと切り替えられる。

入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂを開弁させる動作は、先に説明したとおりである（図３参照）。つまり、ＶｉＳ（またはＶｏＳ）は非通電状態であり、開弁側圧力室（図３の符号４４）と流体流路２０が接続される。また、ＶｉＯ（またはＶｏＯ）は非通電状態であり、開弁側圧力室と大気とを結ぶ流路が遮断される。さらに、ＶｉＣ（またはＶｏＣ）は通電され、閉弁側圧力室（図３の符号４３）が圧抜きされる。これにより、入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂが開弁する。その後、図６に示した通常運転中の状態に移行する。

つまり、図６に示すように、入口シャット弁４０Ａと出口シャット弁４０Ｂが開弁すると、入口シャット弁４０Ａを介してエアが燃料電池スタック１０内へ供給され、また、燃料電池スタック１０から排出された反応後のエアは、エア調圧弁９０を通って出口シャット弁４０Ｂまで進み、開いた状態の出口シャット弁４０Ｂを通過する。なお、通常運転中においては、図６に示す全てのＰＳＶが非通電状態となる。つまり、起動中（図１２）において通電されていたＶｉＣとＶｏＣの通電が停止される。

以上、図６から図１２を利用して説明したように、本実施形態では、燃料電池スタック１０の状態等に応じて各弁が制御される。なお、以上に説明した制御において、例えば、図１１に示した開始指示時の制御において、ＶｉＣを通電して入口シャット弁４０Ａの閉弁側圧力室を圧抜きしており、また、ＶｏＣを通電して出口シャット弁４０Ｂの閉弁側圧力室を圧抜きしている。本実施形態では、ＶｉＣやＶｏＣを閉じたまま、閉弁側圧力室を圧抜きすることもできる。

図１３は、入口シャット弁（図１の符号４０Ａ）の閉弁側圧力室の圧抜き動作を説明するためのフローチャートである。まず、制御部などから入口シャット弁の開弁指令が出されると（Ｓ１３０１）、入口シャット弁の閉弁側圧力室（図２の符号４３）が加圧されているか否かが確認される（Ｓ１３０２）。閉弁側圧力室が加圧されていなければ、圧抜き処理を省略して、Ｓ１３０７に進んで開弁動作が行われる。

閉弁側圧力室が加圧されていれば、圧抜き用のバルブであるＶｉＣが利用可能か否かを確認する（Ｓ１３０３）。ＶｉＣが利用可能でればＶｉＣを通電して閉弁側圧力室を圧抜きする（Ｓ１３０６）。

これに対し、例えば、ＶｉＣを通電するための配線等に断線などがあれば、ＶｉＣが故障等の状態にあり利用不可能であると判断される。なお、本実施形態では、ＶｉＣが存在しない場合であっても、つまり、例えば、図１に示すＶｉＣの位置において、圧力制御流路７０が常に閉じた状態でも、以下の動作により、入口シャット弁の閉弁側圧力室を圧抜きすることができる。

ＶｉＣが故障あるいは存在しないなどの理由で利用不可能な場合、エアコンプレッサが停止される（Ｓ１３０４）。そして、ＶｉＳが通電されて、閉弁側圧力室と流体流路が接続される。その際、エアコンプレッサが停止されて、流体流路内は大気圧となっているため、閉弁側圧力室と流体流路が接続されることにより、閉弁側圧力室が圧抜きされる（Ｓ１３０５）。

閉弁側圧力室の圧抜きが終了すると、ＶｉＳの通電が停止される（Ｓ１３０７）。ＶｉＳが非通電状態となることにより、開弁側圧力室と流体流路が接続される。この状態で、エアコンプレッサを運転させることにより、開弁側圧力室が加圧され（Ｓ１３０８）、圧抜きされた閉弁側圧力室との間に圧力差が生じ、入口シャット弁が開弁する（Ｓ１３０９）。

図１３に示したように、ＶｉＣを利用せずに、入口シャット弁の閉弁側圧力室を圧抜きすることができる。この圧抜き処理の動作は、入口シャット弁の開弁側圧力室や、他の弁の圧力室の圧抜きにも応用できる。つまり、エアコンプレッサを停止させてから、ＶｂＳ、ＶｉＳ、ＶｏＳを適宜動作させて、圧抜きを必要とする圧力室と流体流路を接続すればよい。

また、図１に示した燃料電池システムでは、圧抜き用のＰＳＶ（ＶｂＣ，ＶｂＯ，ＶｉＣ，ＶｉＯ，ＶｏＣ，ＶｏＯ）は、各々、一方側が圧力室に通じる圧力制御流路７０に接続されており他方側が大気開放されている。その圧抜き用ＰＳＶの他方側は、エアコンプレッサの上流側に接続されてもよい。

図１４は、エアコンプレッサの上流側と圧抜き用ＰＳＶを接続した燃料電池システムの全体構成図である。図１４の燃料電池システムは、圧抜き用のＰＳＶ（ＶｂＣ，ＶｂＯ，ＶｉＣ，ＶｉＯ，ＶｏＣ，ＶｏＯ）の他方側が、圧力制御流路７０を介して、エアコンプレッサ（ＡＰ）の上流側に接続されている。

エアコンプレッサは、エアクリーナ１００を介して大気中から流体流路２０内へエアを取り込む。エアコンプレッサが動作している場合、エアコンプレッサの下流側（圧力計Ｐ１側）には吐出圧が発生する。その一方、エアコンプレッサの上流側（エアクリーナ１００側）には負圧が発生する。

図１に示す燃料電池システムでは、圧抜き用のＰＳＶを通電してそのＰＳＶに対応した圧力室と大気とを結ぶ流路を形成してその圧力室を圧抜きしている。

これに対し、図１４に示す燃料電池システムでは、エアコンプレッサの上流側に発生する負圧を利用して圧力室の圧抜きを行う。つまり、圧抜き用のＰＳＶを通電してそのＰＳＶに対応した圧力室とエアコンプレッサの上流側とを結ぶ流路を形成し、エアコンプレッサの上流側に発生する負圧を利用して圧力室を圧抜きしている。そのため、大気開放によって圧抜きを行う場合に比べて、圧抜き（減圧）に関する応答性が向上し、延いてはシャット弁の応答性が向上する。

なお、図１４の構成において、エアコンプレッサの上流側に接続される圧力制御流路７０は、エアコンプレッサに近い位置に接続されることが望ましい。また、図１４に示す燃料電池システムの他の部分（構成）については、図１に示す燃料電池システムと同じであるため説明を省略する。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。

本発明に係る燃料電池システムの全体構成図である。 シャット弁の構造を説明するための図である。 シャット弁の開閉動作を説明するための図である。 加湿Ｍバイパス弁の構造を説明するための図である。 加湿Ｍバイパス弁の開閉動作を説明するための図である。 燃料電池システムの通常運転中の状態を説明するための図である。 燃料電池システムの停止指示時の状態を説明するための図である。 燃料電池システムの掃気中の状態を説明するための図である。 燃料電池システムの掃気後の状態を説明するための図である。 燃料電池システムの停止中の状態を説明するための図である。 燃料電池システムの開始指示時の状態を説明するための図である。 燃料電池システムの起動中の状態を説明するための図である。 圧抜き動作を説明するためのフローチャートである。 エアコンプレッサの上流側と圧抜き用ＰＳＶを接続した燃料電池システムの全体構成図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック、２０ 流体流路、３０ 加湿Ｍバイパス弁、４０Ａ 入口シャット弁、４０Ｂ 出口シャット弁。

Claims (13)

1. 燃料電池と、
   燃料電池に接続される流体流路と、
   流体流路に設けられる流体制御弁と、
   を有し、
   前記流体制御弁は、
   開弁用圧力と閉弁用圧力の圧力差に応じて駆動する弁体と、
   開弁用圧力または閉弁用圧力を弁体に加える圧力室と、
   を備え、
   前記圧力室が密閉されることにより弁体の開閉状態が維持される、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体制御弁は、ノーマル状態において開弁用圧力と閉弁用圧力のうちの一方の圧力が他方の圧力よりも大きい状態となり、非ノーマル状態において他方の圧力に対応した圧力室が密閉されて他方の圧力が一方の圧力よりも大きい状態となる、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体制御弁は、ノーマル状態において開弁用圧力が閉弁用圧力よりも大きくなり弁体を開状態とするノーマルオープン弁であり、燃料電池の流体の入口側と出口側のうちの少なくとも一方側に設けられ、非ノーマル状態において閉弁用圧力が開弁用圧力よりも大きくなり弁体を閉状態とすることによりシャット弁として機能する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体制御弁は、開弁用圧力に対応した開弁側圧力室と閉弁用圧力に対応した閉弁側圧力室の二つの圧力室を備える、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体制御弁の二つの圧力室のうちの一方の圧力室を選択的に流体流路と接続する三方弁をさらに有し、三方弁を介して伝えられる流体の圧力を利用して二つの圧力室内の圧力が制御される、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記三方弁は、非制御状態において前記流体制御弁の二つの圧力室のうちの一方の圧力室を流体流路と接続し、制御状態において前記流体制御弁の二つの圧力室のうちの他方の圧力室を流体流路と接続する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体制御弁の開弁用圧力と閉弁用圧力のうちのノーマル状態において大きい方の圧力に対応した圧力室と流体流路とを接続して当該圧力室内を加圧することにより、当該流体制御弁のノーマル状態を維持する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体制御弁の二つの圧力室のうちの一方の圧力室内を減圧してから他方の圧力室内を加圧することにより、当該流体制御弁のノーマル状態と非ノーマル状態を切り替える、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体流路に流体を流通させるコンプレッサと、
   前記流体制御弁の圧力室とコンプレッサの上流側とを接続する圧抜き流路と、
   を有し、
   前記コンプレッサの下流側の圧力よりも小さい上流側の圧力を利用して前記流体制御弁の圧力室内を減圧する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記流体流路に流体を流通させるコンプレッサを停止させて前記流体制御弁の圧力室と流体流路とを接続することにより、当該流体制御弁の圧力室内を減圧する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記流体制御弁の圧力室内を減圧するための圧抜き用バルブをさらに有し、
    当該流体制御弁の圧抜き用バルブの異常時にコンプレッサを停止させて当該流体制御弁の圧力室と流体流路とを接続して圧力室内を減圧する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
12. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    燃料電池の流体の入口側と出口側のうちの少なくとも一方側に前記流体制御弁が設けられ、燃料電池の発電運転の停止後に前記流体制御弁の弁体を閉状態とすることにより、燃料電池の入口側と出口側のうちの少なくとも一方側を封鎖する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
13. 請求項１２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記流体制御弁は、流体流路を流れる流体の圧力を利用して開弁用圧力と閉弁用圧力のうちの少なくとも一方が制御される、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
    

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