JP2004319413A - 燃料電池システムのガス減圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に供給されるガス圧力を一定に保つこと。
【解決手段】ガス減圧装置は、ボディ２１，２２の内部空間２５がダイアフラム２６により計量室２８と背圧室２７に区画される。計量室２８に隣接して弁座３１と弁体３４が設けられる。ダイアフラム２６にガス圧力が作用すると、ダイアフラム２６が変位して弁体３４が弁座３１に近付く方向へ移動する。調圧バネ３７は、弁体３４を弁座３１から離す方向へダイアフラム２６を付勢する。ダイアフラム２６及び調圧バネ３７等により弁体３４を移動することで出口２３からの水素ガスが減圧される。この装置は、調圧バネ３７の付勢力を背圧により調整する圧力切換弁７と、出口２３のガス流量を検出する流量センサ１２と、ガス流量に応じて背圧を調整するために圧力切換弁７を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）１１とを備える。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの燃料電池に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスを減圧するのに使用される燃料電池システムのガス減圧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のガス減圧装置として、その一例が下記の特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池に供給される燃料ガス（水素ガス）の圧力を、同じく燃料電池に供給される空気の圧力に応じて減少させるレギュレータが使用される。このレギュレータは、空気式の比例圧力制御弁からなり、エアコンプレッサから燃料電池に供給される空気を利用し、その空気の圧力信号を入力するものであり、出口における水素ガスの圧力（出口圧力）が前記圧力信号に応じた所定範囲の圧力となるように減圧する。一般に、この種のレギュレータは、弁体に連結されるダイアフラムと、調圧バネ等のバネとを備え、ガスによりダイアフラムに作用する力とバネ付勢力との合成力をバランスさせて弁体の開度を調整することにより、ガス圧力を調整するようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３７３６８２号公報（第３−６頁，図１，２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来のレギュレータでは、調圧バネの荷重が、弁体の変位（ダイアフラムの変位）により変わるので、結果として出口圧力は変化することになった。これは、ダイアフラムが変位するときにバネが変形してバネ付勢力がバネ定数に従って変化することによる。図９に示すように、ダイアフラムに作用するガス圧力と調圧バネの付勢力は、互いに作用方向は逆であるが、ガス流量（弁体の開度）が増えるほど小さくなる。このため、図１０に示すように、出口圧力は、ガス流量（弁体の開度）が増えるほど低くなる。ここで、本来、燃料電池システムで使用されるレギュレータの出口圧力は、ガス流量の多少にかかわらず一定となることが望まれる。しかし、前記従来のレギュレータでは、バネ定数の影響は避けられず、レギュレータに多量の水素ガスが流れたとき、その出口圧力が低下してしまう。
【０００５】
また、前記従来の燃料電池システムでは、エアコンプレッサからレギュレータに供給される空気の圧力が、エアコンプレッサから燃料電池に供給される空気の流量に追従して変化することになった。このため、レギュレータに必要な空気圧を個別にレギュレータに供給することができなかった。このため、レギュレータにおける水素ガスの出口圧力を要求通りに調整することが困難であった。
【０００６】
更に、燃料電池システムを停止させたときは、レギュレータの弁体を全閉にすることになり、図１０に示すように、ガス流量が「０」になるときの出口圧力が上昇していた。このため、レギュレータの下流側に設けられる機器につき、厚肉化などの耐圧設計が必要となり、機器が大型化することになり、耐用期間も短縮する傾向にあった。
【０００７】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、燃料電池に供給されるガス圧力を一定に保つことを可能とした燃料電池システムの減圧装置を提供することにある。この発明の第２の目的は、第１の目的に加え、燃料電池システムの停止時に燃料電池に作用するガス圧力を低減させることを可能とした燃料電池システムの減圧装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池システムの燃料電池に供給されるガスを減圧するガス減圧装置であって、入口及び出口を含むボディと、ボディの内部空間を計量室と背圧室とに区画するダイアフラムと、入口と出口との間にて前記計量室に対応して設けられる弁座と、弁座に対応して設けられる弁体と、弁体はダイアフラムに連動可能に設けられることと、計量室にてダイアフラムにガス圧力が作用することにより、弁体を弁座に近付ける方向へダイアフラムが変位することと、背圧室に作動圧力を供給するための作動圧力供給手段と、背圧室にてダイアフラムに作動圧力が作用することにより、弁体を弁座から離す方向へダイアフラムが変位することと、弁体を弁座から離す方向へダイアフラムを付勢する調圧バネとを備え、少なくともダイアフラム及び調圧バネにより弁体を弁座に対して移動することにより、入口より計量室に入り出口から流れ出るガスを減圧するガス減圧装置において、背圧室に供給される作動圧力を調整するための作動圧力調整手段と、出口からのガス流量又はそのガス流量相当値を検出するためのガス流量検出手段と、検出されるガス流量又はガス流量相当値に応じて作動圧力を調整するために作動圧力調整手段を制御する制御手段とを備えたことを趣旨とする。
【０００９】
上記発明の構成によれば、計量室にてダイアフラムにガス圧力が作用することにより、弁体を弁座に近付ける方向へダイアフラムが変位する。一方、背圧室には作動圧力供給手段により作動圧力が供給される。この作動圧力がダイアフラムに作用することにより、弁体を弁座から離す方向へダイアフラムが変位する。同じく、調圧バネの付勢力が、弁体を弁座から離す方向へダイアフラムを付勢する。これら作動圧力、ガス圧力及び付勢力がバランスし、ダイアフラムが変位して弁座からの弁体の距離、即ち、弁体の開度が決定される。この開度が大きくなるほど、調圧バネが変形し、調圧バネの付勢力がそのバネ定数に従って小さくなり、ダイアフラムに作用する出口のガス圧力も低下することになる。ここで、弁体の開度が大きくなるほど、出口から流れ出るガス流量は多くなるが、そのガス流量又はガス流量相当値がガス流量検出手段により検出される。そして、その検出値に応じて作動圧力調整手段が制御手段により制御されることにより、ダイアフラムに与えられる作動圧力が調整される。従って、ダイアフラムには調圧バネの付勢力と同方向の力が調整されて与えられ、ダイアフラムに作用する力が一定に保たれ、出口のガス圧力が一定になる。
【００１０】
上記第２の目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、燃料電池システムの停止を検出するための停止検出手段を備え、制御手段は、停止が検出されたときに作動圧力を大気圧に低減させるために作動圧力調整手段を制御することを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、停止検出手段により燃料電池システムの停止が検出されたときに、制御手段により作動圧力調整手段が制御されて作動圧力が大気圧に低減される。従って、燃料電池システムの停止時にダイアフラムに作用する力が小さくなり、出口のガス圧力が低下する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムのガス減圧装置を具体化した一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１に、本実施の形態におけるガス減圧装置を含む燃料電池システムを概略構成図に示す。この燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスとしての空気はコンプレッサ１により所定の圧力に昇圧される。昇圧された空気は、加湿器２により加湿されて燃料電池３に供給される。燃料電池３に供給された空気は、同電池３にて発電に使用された後、燃料電池３から空気オフガスとして排出され、圧力制御弁４を介して排出される。圧力制御弁４は、燃料電池３における空気の供給圧力を制御する。この燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素ガスが減圧弁５により減圧されて燃料電池３に供給される。燃料電池３に供給される水素ガスの流量（ガス流量）は、流量センサ１２により検出される。ここで、減圧弁５は、空気式の比例圧力制御弁からなり、コンプレッサ１から燃料電池３に供給される空気を利用して、その空気の圧力信号を入力する。減圧弁５は、その出口における水素ガスの圧力（出口圧力）を、上記圧力信号に応じた所定範囲の圧力となるように減圧する。コンプレッサ１からの圧縮空気を減圧弁５に供給する空気通路６には、電動式の圧力切換弁７が設けられる。圧力切換弁７は、その第１ポート７ａがコンプレッサ１の下流側に連通し、その第２ポート７ｂが大気に連通し、その第３ポート７ｃが減圧弁５に連通する。圧力切換弁７は、電磁石により弁体を駆動することにより、第１ポート７ａと第３ポート７ｃを連通させる圧力供給状態と、第２ポート７ｂと第３ポート７ｃを連通させる大気開放状態とに切り換え可能に設けられる。切換弁７は、上記二つの状態を交互に切り換え可能に構成される。減圧弁５は、燃料電池３に供給される空気の流量に応じて、燃料電池３に供給される水素ガスの流量を調節する。水素ガスは、燃料電池３で発電に使用された後、燃料電池３から水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、水抜き器８により同ガス中に含まれる水分が分離され、ポンプ９により吸引されて、減圧弁５から流れ出る新しい水素ガスと合流して再び燃料電池３に供給される。水抜き器８に回収された水分は、パージ弁１０を開弁することにより、必要に応じて適宜排出される。この燃料電池システムを制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）１１には、切換弁７及び流量センサ１２がそれぞれ接続される。ＥＣＵ１１には、この燃料電池システムを起動・停止するために操作されるイグニションスイッチ（ＩＧ／ＳＷ）１３が接続される。
【００１４】
図２に、減圧弁５の断面図を含むガス減圧装置の概略構成図を示す。減圧弁５は、互いに組み付けられたロワボディ２１とアッパボディ２２を備える。ロワボディ２１は、その左右に位置する出口２３及び入口２４を含む。ロワボディ２１とアッパボディ２２との間に形成される内部空間２５は、ダイアフラム２６により、上側の背圧室２７と下側の計量室２８とに区画される。ダイアフラム２６の外周縁は、両ボディ２１，２２の間に挟持される。
【００１５】
ロワボディ２１は、出口２３及び入口２４の他に、出口２３と入口２４との間に設けられる弁座２９と、弁座２９に隣接する弁室３０と、出口通路３１及び入口通路３２とを含む。弁座２９は、その中心に弁孔２９ａを含む。弁孔２９ａは計量室２８及び出口通路３１を介して出口２３に通じる。弁室３０は、入口通路３２を介して入口２４に通じる。弁室３０には、弁体ホルダ３３が設けられる。弁体ホルダ３３には、弁座２９に対応する弁体３４が往復動可能に設けられる。弁体３４が弁座２９に当接することにより、入口２４と出口２３との間が遮断される。弁体３４が弁座２９から離れることにより、入口２４と出口２３との間が連通する。ダイアフラム２６の中央に設けられるホルダ３５には、弁体３４が連結される。弁体３４は、ダイアフラム２６に連動可能に設けられる。弁体ホルダ３３には、弁体３４を弁座２９に当接する方向へ付勢する復帰バネ３６が設けられる。この実施の形態で、計量室２８においてダイアフラム２６にガス圧力が作用することにより、弁体３４を弁座２９に近付ける方向へダイアフラム２６が変位する。
【００１６】
背圧室２７には、アッパボディ２２とホルダ３５との間に、調圧バネ３７が設けられる。調圧バネ３７は、弁体３４を弁座２９から離す方向へダイアフラム２６を付勢する。アッパボディ２２には、背圧室２７に通じる空気通路３８が形成される。空気通路３８には、オリフィス３９が形成される。空気通路３８の入口には、管継手４０が取り付けられる。管継手４０には、オリフィス４１が形成される。管継手４０には、空気通路６を介して圧力切換弁７及びコンプレッサ１が接続される。圧力切換弁７の第１ポート７ａの近傍には、オリフィス４２が設けられる。この実施の形態の減圧弁５は、ダイアフラム２６、調圧バネ３７及び復帰バネ３６により弁体３４を弁座２９に対して移動することにより、入口２４より計量室２８に入り出口２３から流れ出る水素ガスを減圧するようになっている。
【００１７】
この実施の形態で、圧力切換弁２７が圧力供給状態に切り換えられることにより、減圧弁５の背圧室２８に、コンプレッサ１から作動圧力としての空気圧力が背圧として供給される。この背圧により、調圧バネ３７の付勢力と同方向へダイアフラム２６が押圧される。また、圧力切換弁７が大気開放状態に切り換えられることにより、減圧弁５の背圧室２８が大気へ開放される。これにより、背圧室２７の背圧が大気圧に低減される。このように背圧室２７に対する背圧の供給を制御することにより、調圧バネ３７の付勢力を調整するようになっている。この実施の形態では、コンプレッサ１及び空気通路６により、減圧弁５の背圧室２７に作動圧力を供給するための本発明の作動圧力供給手段が構成される。また、圧力切換弁７は、背圧室２７に供給される背圧を調整するための本発明の作動圧力調整手段に相当する。
【００１８】
この実施の形態で、前述した流量センサ１２は、出口２３からのガス流量を検出するための本発明のガス流量検出手段に相当する。ＥＣＵ１１は、検出されるガス流量に応じて背圧を調整するために圧力切換弁７を制御する本発明の制御手段に相当する。更に、前述したイグニションスイッチ（ＩＧ／ＳＷ）１３は、燃料電池システムの停止を検出するための本発明の停止検出手段に相当する。そして、ＥＣＵ１１は、燃料電池システムの停止が検出されたときに、背圧室２７の背圧を大気圧に低減させるために圧力切換弁７を制御する。
【００１９】
図３に、減圧弁５を制御するためにＥＣＵ１１が実行する制御プログラムをフローチャートに示す。
【００２０】
先ず、ステップ１００で、ＥＣＵ１１は、イグニションスイッチ（ＩＧ／ＳＷ）１３がＯＮされたか否かを判断する。この判断結果が否定である場合、ＥＣＵ１１は、その後の処理を終了する。この判断結果が肯定である場合、ＥＣＵ１１は、処理をステップ１１０へ移行する。
【００２１】
ステップ１１０で、ＥＣＵ１１は、流量センサ１２によるガス流量の検出値を読み込む。
【００２２】
次に、ステップ１２０で、ＥＣＵ１１は、ガス流量の検出値に基づき、圧力切換弁７に対する通電値を算出する。この実施の形態で、予め、ガス流量の値に対する最適な通電値が、マップデータの形で設定されている。ＥＣＵ１１は、このマップデータを参照することにより、最適な通電値を算出することになる。この実施の形態では、圧力切換弁７における圧力供給状態と大気開放状態との切り換えをデューティ制御するものとして、通電値として、ガス流量に対するデューティ値が算出される。この実施の形態では、図４に示すようなマップデータを参照することにより、通電値としてのデューティ値が算出される。このマップデータを参照することにより、減圧弁５の背圧室２７に供給される背圧を、図５において、コンプレッサ１の吐出圧力そのものの特性（実線）に対し、理想的な目標とする圧力特性（破線）に近付けることができる。つまり、図６に示すように、ガス流量に対する背圧の変化（制御した圧力）を、２点鎖線で示す「コンプレッサの吐出圧力そのもの」の特性から、１点鎖線で示す目標圧力の特性に近付けることができる。
【００２３】
そして、ステップ１３０で、ＥＣＵ１１は、算出された通電値（デューティ値）に基づき圧力切換弁７を制御する。
【００２４】
その後、ステップ１４０で、ＥＣＵ１１は、イグニションスイッチ（ＩＧ／ＳＷ）１２がＯＦＦされたか否かを判断する。この判断結果が否定である場合、ＥＣＵ１１は、処理をステップ１１０へ戻す。この判断結果が肯定である場合、ＥＣＵ１１は、処理をステップ１５０で、圧力切換弁７を大気開放状態に切り換え、その後の処理を一旦停止する。
【００２５】
以上説明した本実施の形態におけるガス減圧装置によれば、計量室２８にてダイアフラム２６に水素のガス圧力が作用することにより、弁体３４を弁座３１に近付ける方向へダイアフラム２６が変位する。一方、背圧室２７にはコンプレッサ１により背圧が供給される。この背圧がダイアフラム２６に作用することにより、弁体３４を弁座３１から離す方向へダイアフラム２６が変位する。同じく、調圧バネ３７の付勢力が、弁体３４を弁座３１から離す方向へダイアフラム２６を付勢する。これら背圧、ガス圧力及び付勢力がバランスし、ダイアフラム２６が変位して弁座３１からの弁体３４の距離、即ち、弁体３４の開度が決定される。この開度が大きくなるほど、調圧バネ３７が変形し、調圧バネ３７の付勢力がそのバネ定数に従って小さくなり、ダイアフラム２６に作用する出口２３のガス圧力も低下することになる。
【００２６】
ここで、弁体３４の開度が大きくなるほど、出口２３から流れ出るガス流量は多くなるが、このガス流量が流量センサ１２により検出される。そして、その検出値に応じて圧力切換弁５がＥＣＵ１１により通電制御されて背圧室２７に与えられる背圧が調整される。従って、ダイアフラム２６には調圧バネ３７の付勢力と同方向の力が与えられ、ダイアフラム２６に作用する力が一定となり、出口２３のガス圧力が一定に保たれる。この結果、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力を一定に保つことができる。このように、ガス流量が変化しても一定圧力の水素ガスを燃料電池３に供給できることから、燃料電池３につき良好な性能を確保することができる。
【００２７】
図７に、ガス流量と各部の力との関係をグラフに示す。このグラフからも分かるように、調圧バネ３７の付勢力は、ガス流量が「０」から「１００」へ増えるに連れて、「１００」から「９０」へ減少する。この付勢力の変化に合わせて、その付勢力と同じ方向の力が背圧によりダイアフラム２６に与えられる。この実施の形態では、図７のグラフに示すように、ガス流量が「０」から「１００」へ増えるに連れて背圧が「０」から「１０」へ徐々に増えるように設定される。即ち、ガス流量が「０」のときは、背圧も最小の「０」となり、ガス流量が最大の「１００」になるに連れて背圧が「１０」になるように設定される。この背圧により、ダイアフラム２６に作用する力の合成力が一定値である「１００」に調整される。この結果、減圧弁５の出口２３における水素ガスの圧力が、同出口２３から流れ出るガス流量の変化に対して変化しなくなる。
【００２８】
また、この実施の形態におけるガス減圧装置によれば、イグニションスイッチ（ＩＧ／ＳＷ）１３により燃料電池システムの停止が検出されたとき、背圧室２７に供給される背圧を大気圧に低減させるために圧力切換弁７がＥＣＵ１１により制御される。従って、燃料電池システムの停止時には、減圧弁５のダイアフラム２６に作用する力が直ちに小さくなり、その出口２３のガス圧力が直ちに低下する。この結果、燃料電池システムの停止時に燃料電池３に作用する水素ガスの圧力を低減させることができる。このように、燃料電池システムの停止時に水素ガスの圧力を低減できるので、燃料電池２３の耐圧設計を厳重にする必要がなくなり、燃料電池３の小型化や長寿命化に役立てることができる。
【００２９】
図８に、ガス流量に対する各部力の関係をグラフに示す。図８のグラフに示す実験では、図７とは異なり、便宜上、ガス流量の変化に対して背圧を変える制御は行っていない。弁体３４の全閉時（ガス流量が「０」となるとき）にのみ、圧力切換弁７を大気開放状態に切り換えて背圧室２７に大気圧を導入することにより、背圧を「０（大気圧）」にしている。このグラフからも分かるように、ガス流量が「０」となるときに、背圧を「０」にすることにより、ダイアフラム２６に作用する力が急激に低下する。この結果、減圧弁５の出口２３における水素ガスの圧力を急激に低減することができる。
【００３０】
尚、この発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
【００３１】
（１）前記実施の形態では、本発明のガス減圧装置を、燃料電池システムにおいて燃料電池３に供給される水素ガスを減圧するために使用した。これに対し、本発明のガス減圧装置を、燃料電池システムにおいて燃料電池に供給される空気を減圧するために使用することもできる。
【００３２】
（２）前記実施の形態では、本発明のガス流量検出手段として、ガス流量を検出する流量センサ７を使用した。これに対し、本発明のガス流量検出手段として、ガス流量相当値である「弁体の開度」を検出する開度センサ等をガス流量検出手段として使用することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明の構成によれば、ダイアフラムには調圧バネの付勢力と同方向の作動圧力が調整されて与えられ、ダイアフラムに作用する力が一定に保たれ、出口のガス圧力が一定になる。この結果、燃料電池に供給されるガス圧力を一定に保つことができる。
【００３４】
請求項２に記載の発明の構成によれば、燃料電池システムの停止時にダイアフラムに作用する力が小さくなり、出口のガス圧力が低下する。この結果、請求項１に記載の発明の効果に加え、燃料電池システムの停止時に燃料電池に作用するガス圧力を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態に係り、燃料電池システムを示す概略構成図。
【図２】減圧弁の断面図を含むガス減圧装置を示す概略構成図。
【図３】減圧弁の制御プログラムを示すフローチャート。
【図４】ガス流量に対するデューティ値の関係を示すマップデータ。
【図５】ガス流量に対する背圧の関係を示すグラフ。
【図６】ガス流量に対する背圧の関係を示すグラフ。
【図７】ガス流量と各部の力との関係を示すグラフ。
【図８】ガス流量と各部の力との関係を示すグラフ。
【図９】ガス流量に対する出力荷重の関係を示すグラフ。
【図１０】ガス流量に対する出口圧力の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１ コンプレッサ（作動圧力供給手段）
３ 燃料電池
５ 減圧弁
６ 空気通路
７ 圧力切換弁（作動圧力調整手段）
１１ ＥＣＵ（制御手段）
１２ 流量センサ（ガス流量検出手段）
１３ ＩＧ／ＳＷ（停止検出手段）
２１ ロワボディ
２２ アッパボディ
２３ 出口
２４ 入口
２５ 内部空間
２６ ダイアフラム
２７ 背圧室
２８ 計量室
３１ 弁座
３４ 弁体

Claims (2)

1. 燃料電池システムの燃料電池に供給されるガスを減圧するガス減圧装置であって、
   入口及び出口を含むボディと、
   前記ボディの内部空間を計量室と背圧室とに区画するダイアフラムと、
   前記入口と前記出口との間にて前記計量室に対応して設けられる弁座と、
   前記弁座に対応して設けられる弁体と、
   前記弁体は前記ダイアフラムに連動可能に設けられることと、
   前記計量室にて前記ダイアフラムにガス圧力が作用することにより、前記弁体を前記弁座に近付ける方向へ前記ダイアフラムが変位することと、
   前記背圧室に作動圧力を供給するための作動圧力供給手段と、
   前記背圧室にて前記ダイアフラムに作動圧力が作用することにより、前記弁体を前記弁座から離す方向へ前記ダイアフラムが変位することと、
   前記弁体を前記弁座から離す方向へ前記ダイアフラムを付勢する調圧バネと
   を備え、少なくとも前記ダイアフラム及び前記調圧バネにより前記弁体を前記弁座に対して移動することにより、前記入口より前記計量室に入り前記出口から流れ出るガスを減圧するガス減圧装置において、
   前記背圧室に供給される作動圧力を調整するための作動圧力調整手段と、
   前記出口からのガス流量又はそのガス流量相当値を検出するためのガス流量検出手段と、
   前記検出されるガス流量又はガス流量相当値に応じて前記作動圧力を調整するために前記作動圧力調整手段を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池システムのガス減圧装置。
2. 前記燃料電池システムの停止を検出するための停止検出手段を備え、前記制御手段は、前記停止が検出されたときに前記作動圧力を大気圧に低減させるために前記作動圧力調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのガス減圧装置。

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