【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に空気および水素をそれぞれ供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の空気極に供給する空気は、コンプレッサなどによって圧縮したものを用いる。この圧縮空気は大気圧によらず一定の圧力比（吐出圧／吸気圧）で供給するため、高地運転時など外気圧の低い運転状態では、空気極における入口圧の低下が発生する。
【０００３】
このとき、燃料電池の水素極における入口圧は、燃料電池内部の電解質膜の劣化を避けるため、空気極の入口圧との圧力差が発生しないよう保つ必要があり、このため水素極の入口圧も平地運転時に比べて低下させる必要がある。
【０００４】
ところで、水素極の入口圧の低下は、この入口部上流に設けてある圧力調整弁によって行うが、この圧力調整弁の僅か開閉によって、水素極入口圧が大きく敏感に変化し、平地での運転に比べて圧力変動が大きくなる。
【０００５】
上記した圧力変動が生じる原因は以下の理由による。例えば、大気圧が０．６気圧の高地において、空気系のコンプレッサは圧力比（吐出圧／吸込み圧）一定であるため、圧力比２のとき、コンプレッサ吐出圧は１．２気圧となり（大気圧が１気圧の平地では吐出圧は２気圧）、空気極の入口圧が１．２気圧となる。
【０００６】
そのため、平地では２気圧だった水素極の入口圧も、１．２気圧にする必要がある。この１．２気圧の水素極入口圧は、水素タンクと燃料電池との間に設けた圧力調整弁の開閉にて調整することになる。ところが、この圧力調整弁の上流側圧力は水素タンク出口のレギュレータによって、常に１ＭＰａ程度に設定されているため、水素極入口圧が低下した場合、圧力調整弁の上下流差圧は増大することとなり、圧力調整弁の開度に対する水素流通量の変化が大きくなる。
【０００７】
したがって、運転モードによって圧力調整弁の開閉を行う場合、高地の場合には、平地に比べてより敏感に水素極入口圧（水素量）が変化することとなる。
【０００８】
このような水素極入口圧の変化を安定化させるものとしては、水素極下流に配置した圧力流量特性の異なる複数のバルブを、外気圧の変化を含む運転状態に応じて開閉するものがある（特開２００１−３３８６７１号公報参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように水素極の下流に複数のバルブを設ける方法では、水素極入口圧をより正確に制御するために、燃料電池の入口圧力や水素流量、発電電流などを検出する必要があり、システム全体が複雑になるという課題がある。
【００１０】
そこで、この発明は、システム全体の複雑化を回避しつつ、水素極入口圧を安定化させることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段および、前記燃料電池の水素極に水素を供給する水素供給手段をそれぞれ設け、前記燃料電池における水素極の下流に接続される水素配管内の体積を変化させる水素配管体積可変手段を設けた構成としてある。
【００１２】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池における水素極下流の水素配管内の体積を変化させるようにしたため、複数の検出装置や多数のバルブを設けるなどの構造の複雑化を回避しつつ、水素極の入口圧を安定化させることができる。
【００１３】
この際、外気圧の高い運転時には水素配管内の体積を小さくすることにより、システムの応答性を向上させることができる。また、外気圧の低い運転時には水素配管内の体積を大きくすることにより、外気圧低下に伴なう空気極の入口圧低下に対する水素極の入口圧の安定性を確保することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１５】
図１は、この発明に係わる燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池１の空気極３に接続される空気供給配管５には、その上流側から、エアフィルタ７、空気流量計９、コンプレッサモータ１１を備えたコンプレッサ１３が、それぞれ配置してあり、これらによって空気供給手段１４を構成している。また、空気極３に接続される空気排出配管１５には、空気流量制御弁１７を設けてある。
【００１６】
一方、燃料電池１の水素極１９に接続される水素供給配管２１には、その上流側から水素タンク２３、水素流量制御弁２５、エジェクタ２７が、それぞれ配置してあり、これらによって水素供給手段２８を構成している。また、水素極１９に接続される水素配管としての水素排出配管２９および、前記した空気流量制御弁１７の上流側の空気排出配管１５に接続した空気分岐配管３１には、水素配管体積可変手段３３を設けてある。
【００１７】
また、水素配管体積可変手段３３には、パージ配管３５を接続してあり、パージ配管３５にはパージ弁３７を設けてある。さらにこのパージ弁３７上流のパージ配管３５とエジェクタ２７とは水素還流管３９により接続され、水素還流管３９にはパージ弁４１を設けてある。
【００１８】
上記した燃料電池１の空気極３と水素極１９の間には、図示していないが発電に必要な高分子膜を設けてある。この高分子膜の劣化を避けるために、空気極３および水素極１９のそれぞれの入口圧力が同じになるように、空気流量制御弁１７および水素流量制御弁２５にて空気流量および水素流量をそれぞれ制御している。
【００１９】
上記した水素配管体積可変手段３３は、外気圧が高い場合に燃料極１９下流の水素排出配管２９の体積を小さくし、また高地などで外気圧が低い場合には、水素排出配管２９の体積を大きくする。
【００２０】
このような水素配管体積可変手段３３の第１の実施形態による構造を図２に示す。これは、外気圧を導入し、この導入した外気圧を機械的動作に変換して水素排出配管２９の体積を変化させる。
【００２１】
水素排出配管２９およびパージ配管３５に連通する水素室４３を設け、この水素室４３内に、図２中で左右方向に移動可能な体積可変ピストン４５を収容する。この体積可変ピストン４５を境にして水素室４３と反対側には、前記した空気分岐配管３１に連通し、水素室４３の圧力に対抗する空気圧力を有する空気室４７を設ける。
【００２２】
上記した空気室４７に対し隔壁４９を隔て、１気圧の空気を密閉した密閉室５１を設けてある。そして、この密閉室５１内に、前記した体積可変ピストン４５に接続したピストンロッド５３が、隔壁４９を貫通して図中で右方向に突出している。このピストンロッド５３は、ロッド支持板５５を貫通してさらに右方向へ突出しており、この隔壁４９およびロッド支持板５５との間に軸受５７および５９をそれぞれ備えている。ロッド支持板５５の適宜位置には、貫通孔５５ａを複数設けてある。
【００２３】
上記したピストンロッド５の先端には、外気圧受け板６１を設け、この外気圧受け板６１の周縁と、密閉室５１の端壁６３との間には、伸縮可能な金属製のベローズ６５を介装してある。すなわち、このベローズ６５は、密閉室５１と外気とを隔てて、体積可変ピストン４５の移動とともに伸縮変位する。
【００２４】
また、上記したベローズ６５の内側の外気室６７内には、外気圧受け板６１と端壁６３との間に介装したスプリング６９を設けてある。
【００２５】
ここで水素室４３内の水素により体積可変ピストン４５を押す力をＦ１、空気室４７内の空気により体積可変ピストン４５を押す力をＦ２としてある。さらに、密閉室５１内の１気圧の空気が外気圧受け板６１を押す力をＦ３、スプリング６９の外気圧受け板６１を押す力（バネ力）をＦ４、外気圧により外気圧受け板６１を押す力をＦ５としてある。
【００２６】
このとき、体積可変ピストン４５，ピストンロッド５３および外気圧受け板６１が一体となった移動体にかかる力は、
Ｆ１＋Ｆ３＝Ｆ２＋Ｆ４＋Ｆ５ ・・・ （式１）
また、水素排出配管２９に連通する水素室４３の圧力と、空気分岐配管３１に連通する空気室４７の圧力とは、互いに同等である。すなわち、
Ｆ１＝Ｆ２ ・・・ （式２）
が成り立ち、前記した（式１）は、
Ｆ３＝Ｆ４＋Ｆ５ ・・・（式３）
と書き換えられる。
【００２７】
外気は図２の右側からベローズ６５内の外気室５７に導かれ、この外気圧Ｆ５とスプリング６９のバネ力Ｆ４で、密閉室５１内の１気圧の空気圧Ｆ３と釣り合う。
【００２８】
このとき、この燃料電池システムを搭載した自動車が高地に登るなどの理由により外気圧が下がった場合、Ｆ５が低下しＦ５’となることによって、
Ｆ３＞Ｆ４＋Ｆ５’・・・（式４）
という関係になり、移動体は図２の右側に動くこととなり、水素室４３の体積が増加する。水素室４３は、水素排出配管２９に連通していることから、水素極１９の下流の接続される水素配管内の体積が増加することになる。移動体が図２中で右側に動くことにより、密閉室５１内の空気の圧力が低下するとともに、スプリング６９が収縮するため、バネ力Ｆ４もＦ４‘へ増大し、所定の収縮量において、
Ｆ３＝Ｆ４’＋Ｆ５’・・・（式５）
となり、この時点で移動体の移動は停止する。
【００２９】
また、上記のように外気圧が下がった場合に、最低限増やす必要のある水素配管内の体積は、ボイル−シャルルの法則より、
１気圧時水素配管内全体積×｛（１／最低外気圧）−１｝・・・（式６）
とすることができ、例えば全体積が５リットル、最低外気圧が０．６気圧のときは、３．３リットルとなる。
【００３０】
このように特別にアクチュエータなどを設けずに外気圧と水素圧力とのバランスによって、水素配管内の体積を変化させることができ、これにより、外気圧の低下に伴う空気極３の入口圧低下に対する水素極１９の入口圧を安定化させることができる。この場合、複数の検出装置や多数のバルブが不要であり、外気圧と封入された任意の圧力の気体とのバランスから機械的な動作を取り出し、この機械的動作によって水素配管内の体積を変化させるという簡易な方法であり、構造の複雑化を回避している。
【００３１】
また逆に、上記した高地に比べて外気圧の高い平地運転時には、水素配管内の体積が高地より小さくなることにより、システムの応答性を向上させることができる。
【００３２】
さらに、上記した第１の実施形態によれば、ベローズ６５の伸縮を用いているため、水素の外部への漏れを確実に防ぐことができる。
【００３３】
図３は、この発明の第２の実施形態を示す燃料電池システムにおける水素配管体積可変手段１５を示す。この水素配管体積可変手段１５は、前記図２に示した第１の実施形態におけるベローズ６５に代えてダイヤフラム７１を使用している。ここでは、第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して、主として異なる部位のみ説明する。
【００３４】
上記したダイヤフラム７１の中心部にはピストンロッド５３の先端を固定し、ダイヤフラム７１の周縁は外気室６７を形成する側壁７３の図中で左端部に固定してある。そして、スプリング６９は、ダイヤフラム７１と端壁６３との間に介装してある。
【００３５】
この実施形態においては、外気圧の変化によりダイヤフラム７１が変位し、この変位に伴って体積可変ピストン４５が移動して水素室４３の体積、すなわち水素配管内の体積が変化する。この場合、体積可変ピストン４５およびピストンロッド５３が一体となって移動体を構成している。
【００３６】
上記した第２の実施形態によれば、ダイヤフラム７１を用いるため、第１の実施形態における金属製のベローズ６５を使用する場合に比べコスト低下を図ることができる。
【００３７】
図４は、この発明の第３の実施形態を示す燃料電池システムにおける水素配管体積可変手段１５を示す。この水素配管体積可変手段１５は、前記図２に示した第１の実施形態におけるベローズ６５に代えてシリンダ機構７５を使用している。ここでは、第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して、主として異なる部位のみ説明する。
【００３８】
すなわち、ピストンロッド５３の先端にピストン７７を備えており、このピストン７７は、密閉室５１と外気室７９とを隔てている。
【００３９】
この実施形態においては、外気圧の変化によりピストン７７が移動し、この移動に伴って体積可変ピストン４５が移動して水素室４３の体積、すなわち水素配管内の体積が変化する。この場合、体積可変ピストン４５およびピストンロッド５３が一体となって移動体を構成している。
【００４０】
上記した第３の実施形態によれば、シリンダ機構７５を用いるため、第１の実施形態および第２の実施形態に比べ、耐久性およびび信頼性に優れたものとなる。
【００４１】
図５は、この発明の第４の実施形態を示す燃料電池システムにおける水素配管体積可変手段１５を示す。この水素配管体積可変手段１５は、ピストンロッド５３の先端を、密閉室５１から外部へ突出させ、この突出端部にアクチュエータ８１を設けてある。このアクチュエータ８１を、外気圧検出手段としての気圧センサ８３の検出値に応じて作動させて、ピストン４５およびピストンロッド５３よりなる移動体を移動させ、水素室４３の体積、すなわち水素配管内の体積を変化させるようにしている。なお、図５中で符号８５は軸受である。
【００４２】
これにより、前記した第１〜第３の各実施形態で示したような機械的動作により水素配管内の体積を変化させる場合に比べ、より細かな制御が可能となる。
【００４３】
この場合、図６に示すように、気圧センサ８３で検出した外気圧の低下に伴ってに連続的に水素室４３の体積を大きくすることができる。これにより、外気圧に応じた最適な水素配管内の体積を得ることができる。
【００４４】
また、図７に示すように、気圧センサ８３で検出した外気圧に対し、あらかじめ実験などで定めた所定値（閾値）を境にして、ステップ状に水素配管内の体積を変化させることもできる。これにより、図６の制御例に比べ、制御システムの簡便化を図ることができる。
【００４５】
ここで、所定の閾値としては、例えば外気圧が低下したときに、水素流量制御弁２５を作動させたときの圧力変動によって電解質膜が劣化するときの値として設定し、例えば０．６気圧というように、設計値として設定する値である。
【００４６】
また、第５の実施形態として、車載されるカーナビゲーションシステムからの高度情報により、水素配管内の体積を変化させることも考えられる。この場合には、第４の実施形態で使用した気圧センサ８３などの新たな検出手段を設けることなく本発明を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおける第１の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図３】図１の燃料電池システムにおける第２の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図４】図１の燃料電池システムにおける第３の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図５】図１の燃料電池システムにおける第４の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図６】第４の実施形態による気圧センサで検出した外気圧に従って連続的に水素配管内体積を変化させる例を示す、外気圧と水素配管内体積との相関図である。
【図７】第４の実施形態による気圧センサで検出した外気圧に対し、所定値（閾値）を境にして、ステップ状に水素内管内体積を変化させる例を示す、外気圧と水素配管内体積との相関図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ 空気極
１４ 空気供給手段
１９ 水素極
２８ 水素供給手段
２９ 水素排出配管（水素配管）
３３ 水素配管体積可変手段
４５ 体積可変ピストン（移動体）
５１ 密閉室
５３ ピストンロッド（移動体）
６１ 外気圧受け板（移動体）
６５ ベローズ
７１ ダイヤフラム
７５ シリンダ機構
７７ ピストン
８３ 気圧センサ（外気圧検出手段）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that supplies air and hydrogen to a fuel cell to generate power.
[0002]
[Prior art]
The air supplied to the air electrode of the fuel cell is compressed by a compressor or the like. Since the compressed air is supplied at a constant pressure ratio (discharge pressure / intake pressure) irrespective of the atmospheric pressure, the inlet pressure at the air electrode decreases in an operation state where the outside air pressure is low, such as at a high altitude operation.
[0003]
At this time, it is necessary to maintain the inlet pressure at the hydrogen electrode of the fuel cell so as not to generate a pressure difference from the inlet pressure of the air electrode in order to avoid deterioration of the electrolyte membrane inside the fuel cell. Needs to be reduced compared to when driving on level ground.
[0004]
By the way, the pressure at the inlet of the hydrogen electrode is reduced by a pressure regulating valve provided at the upstream of the inlet portion. By slightly opening and closing the pressure regulating valve, the inlet pressure of the hydrogen electrode changes greatly and sensitively. The pressure fluctuation becomes large as compared with.
[0005]
The cause of the above-mentioned pressure fluctuation is as follows. For example, at a high altitude where the atmospheric pressure is 0.6 atm, the pressure ratio (discharge pressure / suction pressure) of the air-based compressor is constant. Therefore, when the pressure ratio is 2, the compressor discharge pressure becomes 1.2 atm (atmospheric pressure). The discharge pressure is 2 atm on a flat ground with 1 atm), and the inlet pressure of the air electrode is 1.2 atm.
[0006]
Therefore, the inlet pressure of the hydrogen electrode, which was 2 atm on flat ground, needs to be 1.2 atm. The hydrogen electrode inlet pressure of 1.2 atm is adjusted by opening and closing a pressure adjusting valve provided between the hydrogen tank and the fuel cell. However, since the upstream side pressure of the pressure regulating valve is always set to about 1 MPa by the regulator at the hydrogen tank outlet, when the hydrogen electrode inlet pressure decreases, the upstream / downstream differential pressure of the pressure regulating valve increases. In addition, a change in the amount of hydrogen flow with respect to the opening of the pressure regulating valve increases.
[0007]
Therefore, when the pressure regulating valve is opened and closed according to the operation mode, the hydrogen electrode inlet pressure (hydrogen amount) changes more sensitively in a high altitude than in a flat ground.
[0008]
In order to stabilize such a change in the hydrogen electrode inlet pressure, there is a method in which a plurality of valves arranged downstream of the hydrogen electrode and having different pressure flow characteristics are opened and closed according to an operation state including a change in the outside air pressure ( See JP-A-2001-338671).
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method of providing a plurality of valves downstream of the hydrogen electrode as described above, it is necessary to detect the fuel cell inlet pressure, hydrogen flow rate, power generation current, and the like in order to more accurately control the hydrogen electrode inlet pressure. However, there is a problem that the whole system becomes complicated.
[0010]
Accordingly, an object of the present invention is to stabilize the hydrogen electrode inlet pressure while avoiding complication of the entire system.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides an air supply unit for supplying air to an air electrode of a fuel cell, and a hydrogen supply unit for supplying hydrogen to a hydrogen electrode of the fuel cell. The configuration is provided with hydrogen pipe volume changing means for changing the volume in the hydrogen pipe connected downstream of the pole.
[0012]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the volume in the hydrogen pipe downstream of the hydrogen electrode in the fuel cell is changed, the structure of the structure, such as providing a plurality of detection devices and a large number of valves, is avoided, and the entrance of the hydrogen electrode is prevented. The pressure can be stabilized.
[0013]
At this time, the responsiveness of the system can be improved by reducing the volume in the hydrogen pipe during operation at a high external pressure. In addition, when the external pressure is low, by increasing the volume in the hydrogen pipe, the stability of the inlet pressure of the hydrogen electrode with respect to the decrease in the inlet pressure of the air electrode due to the decrease in the external pressure can be ensured.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to the present invention. In the air supply pipe 5 connected to the air electrode 3 of the fuel cell 1, an air filter 7, an air flow meter 9, and a compressor 13 having a compressor motor 11 are arranged from the upstream side thereof. The air supply means 14 is constituted. The air discharge pipe 15 connected to the air electrode 3 is provided with an air flow control valve 17.
[0016]
On the other hand, a hydrogen tank 23, a hydrogen flow control valve 25, and an ejector 27 are respectively arranged from the upstream side of a hydrogen supply pipe 21 connected to the hydrogen electrode 19 of the fuel cell 1. Is composed. A hydrogen discharge pipe 29 as a hydrogen pipe connected to the hydrogen electrode 19 and an air branch pipe 31 connected to the air discharge pipe 15 on the upstream side of the air flow control valve 17 have a hydrogen pipe volume changing means 33. Is provided.
[0017]
Further, a purge pipe 35 is connected to the hydrogen pipe volume changing means 33, and the purge pipe 35 is provided with a purge valve 37. Further, the purge pipe 35 upstream of the purge valve 37 and the ejector 27 are connected by a hydrogen reflux pipe 39, and the hydrogen reflux pipe 39 is provided with a purge valve 41.
[0018]
Although not shown, a polymer film required for power generation is provided between the air electrode 3 and the hydrogen electrode 19 of the fuel cell 1 described above. In order to avoid the deterioration of the polymer film, the air flow rate and the hydrogen flow rate are controlled by the air flow control valve 17 and the hydrogen flow control valve 25, respectively, so that the inlet pressures of the air electrode 3 and the hydrogen electrode 19 are the same. Controlling.
[0019]
The above-described hydrogen pipe volume changing means 33 reduces the volume of the hydrogen discharge pipe 29 downstream of the fuel electrode 19 when the external pressure is high, and reduces the volume of the hydrogen discharge pipe 29 when the external pressure is low at high altitudes. Enlarge.
[0020]
FIG. 2 shows the structure of the hydrogen pipe volume changing means 33 according to the first embodiment. This changes the volume of the hydrogen discharge pipe 29 by introducing an external pressure and converting the introduced external pressure into a mechanical operation.
[0021]
A hydrogen chamber 43 communicating with the hydrogen discharge pipe 29 and the purge pipe 35 is provided, and a variable volume piston 45 movable in the left-right direction in FIG. On the opposite side of the variable volume piston 45 from the hydrogen chamber 43, an air chamber 47 communicating with the air branch pipe 31 and having an air pressure against the pressure of the hydrogen chamber 43 is provided.
[0022]
A sealed chamber 51 that seals air at 1 atm is provided between the air chamber 47 and a partition 49. A piston rod 53 connected to the above-described variable volume piston 45 protrudes rightward in the figure through the partition wall 49 into the closed chamber 51. The piston rod 53 penetrates the rod support plate 55 and further projects rightward, and has bearings 57 and 59 between the partition wall 49 and the rod support plate 55, respectively. A plurality of through holes 55a are provided at appropriate positions of the rod support plate 55.
[0023]
An external pressure receiving plate 61 is provided at the tip of the piston rod 5, and a stretchable metal bellows 65 is provided between the peripheral edge of the external pressure receiving plate 61 and the end wall 63 of the closed chamber 51. It is interposed. That is, the bellows 65 expands and contracts with the movement of the variable volume piston 45, separating the closed chamber 51 from the outside air.
[0024]
In the outside air chamber 67 inside the bellows 65, a spring 69 interposed between the outside pressure receiving plate 61 and the end wall 63 is provided.
[0025]
Here, the force for pushing the variable volume piston 45 by the hydrogen in the hydrogen chamber 43 is F1, and the force for pushing the variable volume piston 45 by the air in the air chamber 47 is F2. Further, the force of the air of 1 atm in the closed chamber 51 pressing the outside pressure receiving plate 61 is F3, the force of the spring 69 pressing the outside pressure receiving plate 61 (spring force) is F4, and the outside pressure receiving plate 61 is pressed by the outside pressure. The pressing force is F5.
[0026]
At this time, the force applied to the moving body in which the variable volume piston 45, the piston rod 53, and the external pressure receiving plate 61 are integrated is:
F1 + F3 = F2 + F4 + F5 (Equation 1)
The pressure of the hydrogen chamber 43 communicating with the hydrogen discharge pipe 29 and the pressure of the air chamber 47 communicating with the air branch pipe 31 are equal to each other. That is,
F1 = F2 (Equation 2)
Holds, and the above (Equation 1) becomes:
F3 = F4 + F5 (Equation 3)
Is rewritten as
[0027]
The outside air is guided from the right side in FIG. 2 to the outside air chamber 57 in the bellows 65, and is balanced with the air pressure F3 of 1 atm in the closed chamber 51 by the outside air pressure F5 and the spring force F4 of the spring 69.
[0028]
At this time, if the external pressure decreases due to the reason that the vehicle equipped with the fuel cell system climbs to a high altitude, F5 decreases to F5 ′.
F3> F4 + F5 '(Equation 4)
Thus, the moving body moves to the right in FIG. 2, and the volume of the hydrogen chamber 43 increases. Since the hydrogen chamber 43 communicates with the hydrogen discharge pipe 29, the volume in the connected hydrogen pipe downstream of the hydrogen electrode 19 increases. When the moving body moves to the right in FIG. 2, the pressure of the air in the closed chamber 51 decreases, and the spring 69 contracts, so that the spring force F4 also increases to F4 ′, and at a predetermined contraction amount,
F3 = F4 ′ + F5 ′ (Equation 5)
At this point, the movement of the moving object stops.
[0029]
In addition, when the outside air pressure is reduced as described above, the volume in the hydrogen pipe that needs to be increased at a minimum is, according to Boyle-Charles' law,
1-atmosphere hydrogen pipe total volume x {(1 / minimum external pressure) -1} (Equation 6)
For example, when the total volume is 5 liters and the minimum external pressure is 0.6 atm, the volume is 3.3 liters.
[0030]
As described above, the volume in the hydrogen pipe can be changed by the balance between the outside air pressure and the hydrogen pressure without providing any special actuator or the like, whereby the reduction in the inlet pressure of the air electrode 3 due to the decrease in the outside air pressure can be achieved. The inlet pressure of the hydrogen electrode 19 can be stabilized. In this case, there is no need for multiple detectors and many valves, and the mechanical operation is extracted from the balance between the outside air pressure and the enclosed gas at an arbitrary pressure, and the volume in the hydrogen pipe is changed by this mechanical operation. This is a simple method of avoiding complication of the structure.
[0031]
Conversely, during flatland operation in which the outside air pressure is higher than in the above-mentioned highland, the responsiveness of the system can be improved by making the volume in the hydrogen pipe smaller than in the highland.
[0032]
Furthermore, according to the first embodiment, since the expansion and contraction of the bellows 65 is used, leakage of hydrogen to the outside can be reliably prevented.
[0033]
FIG. 3 shows a hydrogen pipe volume changing means 15 in a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. The hydrogen pipe volume changing means 15 uses a diaphragm 71 instead of the bellows 65 in the first embodiment shown in FIG. Here, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and only different portions will be mainly described.
[0034]
The distal end of the piston rod 53 is fixed to the center of the above-described diaphragm 71, and the periphery of the diaphragm 71 is fixed to the left end of the side wall 73 forming the outside air chamber 67 in the drawing. The spring 69 is interposed between the diaphragm 71 and the end wall 63.
[0035]
In this embodiment, the diaphragm 71 is displaced by a change in the outside air pressure, and the volume variable piston 45 moves in accordance with the displacement, and the volume of the hydrogen chamber 43, that is, the volume in the hydrogen pipe changes. In this case, the variable volume piston 45 and the piston rod 53 form a moving body integrally.
[0036]
According to the above-described second embodiment, since the diaphragm 71 is used, the cost can be reduced as compared with the case where the metal bellows 65 in the first embodiment is used.
[0037]
FIG. 4 shows a hydrogen pipe volume changing means 15 in a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. The hydrogen pipe volume changing means 15 uses a cylinder mechanism 75 instead of the bellows 65 in the first embodiment shown in FIG. Here, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and only different portions will be mainly described.
[0038]
That is, a piston 77 is provided at the tip of the piston rod 53, and the piston 77 separates the closed chamber 51 from the outside air chamber 79.
[0039]
In this embodiment, the piston 77 moves due to a change in the outside air pressure, and the variable volume piston 45 moves with the movement, and the volume of the hydrogen chamber 43, that is, the volume in the hydrogen pipe changes. In this case, the variable volume piston 45 and the piston rod 53 form a moving body integrally.
[0040]
According to the third embodiment, since the cylinder mechanism 75 is used, the durability and the reliability are excellent as compared with the first embodiment and the second embodiment.
[0041]
FIG. 5 shows a hydrogen pipe volume changing means 15 in a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention. The hydrogen pipe volume changing means 15 has a distal end of a piston rod 53 protruding from the closed chamber 51 to the outside, and an actuator 81 is provided at the protruding end. The actuator 81 is actuated in accordance with a detection value of a pressure sensor 83 as an external pressure detecting means to move a moving body composed of a piston 45 and a piston rod 53, and to change the volume of the hydrogen chamber 43, that is, the volume of the hydrogen pipe. Is changed. In FIG. 5, reference numeral 85 denotes a bearing.
[0042]
Thereby, finer control is possible as compared with the case where the volume in the hydrogen pipe is changed by the mechanical operation as described in the first to third embodiments.
[0043]
In this case, as shown in FIG. 6, the volume of the hydrogen chamber 43 can be continuously increased as the external pressure detected by the pressure sensor 83 decreases. This makes it possible to obtain an optimum volume in the hydrogen pipe according to the external pressure.
[0044]
Further, as shown in FIG. 7, the volume in the hydrogen pipe can be changed stepwise with respect to the external pressure detected by the pressure sensor 83 at a predetermined value (threshold) determined in advance through experiments or the like. . Thereby, the control system can be simplified as compared with the control example of FIG.
[0045]
Here, the predetermined threshold value is set, for example, as a value when the electrolyte membrane deteriorates due to a pressure change when the hydrogen flow rate control valve 25 is operated when the outside air pressure is reduced, for example, 0.6 atm. Thus, the value is set as a design value.
[0046]
Further, as a fifth embodiment, it is conceivable to change the volume in the hydrogen pipe based on altitude information from a car navigation system mounted on a vehicle. In this case, the present invention can be realized without providing new detection means such as the barometric pressure sensor 83 used in the fourth embodiment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell system according to the present invention.
FIG. 2 is a structural diagram of a hydrogen pipe volume changing means showing a first embodiment in the fuel cell system of FIG. 1;
FIG. 3 is a structural diagram of a hydrogen pipe volume changing means showing a second embodiment in the fuel cell system of FIG. 1;
FIG. 4 is a structural diagram of a hydrogen pipe volume changing unit showing a third embodiment in the fuel cell system of FIG. 1;
FIG. 5 is a structural diagram of a hydrogen pipe volume changing means showing a fourth embodiment in the fuel cell system of FIG. 1;
FIG. 6 is a correlation diagram between an external pressure and a hydrogen pipe internal volume, showing an example in which the internal volume of the hydrogen pipe is continuously changed according to the external pressure detected by the atmospheric pressure sensor according to the fourth embodiment.
FIG. 7 shows an example in which the internal volume of a hydrogen inner pipe is changed stepwise with a predetermined value (threshold) as a boundary with respect to the external air pressure detected by an air pressure sensor according to a fourth embodiment. It is a correlation diagram with a volume.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 fuel cell 3 air electrode 14 air supply means 19 hydrogen electrode 28 hydrogen supply means 29 hydrogen discharge pipe (hydrogen pipe)
33 Hydrogen piping volume variable means 45 Volume variable piston (moving body)
51 Closed chamber 53 Piston rod (moving body)
61 External pressure receiving plate (moving body)
65 Bellows 71 Diaphragm 75 Cylinder mechanism 77 Piston 83 Pressure sensor (external pressure detecting means)
