JP2005216519A - Fuel cell system - Google Patents

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Hisahiro Yoshida
尚弘 吉田
Katsuhiko Yamamoto
克彦 山本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a pressure-adjusting control of a fuel gas supplied to a fuel cell by a simple system constitution. <P>SOLUTION: The fuel cell system (10) is provided with: a high-pressure regulator (A6) to adjust the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell (20) at a high pressure, a low-pressure regulator (A7) to adjust the pressure of the fuel cell at a low pressure; a reaction gas supply passage (31) to include branch/junction passages (31a, 31b) to connect these regulators (A6, A7) respectively in parallel; a shut-off valve (A2) to be connected to the high-pressure regulator (A6) in series on the downstream side than the branch/junction passages (31a, 31b) and on the upstream side than the junction (B2); and a control part (60) to adjust the supply pressure of the fuel gas by open-close controlling of the shut-off valve (A2). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池に供給される反応ガスを調圧する複数のレギュレータを備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system provided with a plurality of regulators for regulating a reaction gas supplied to a fuel cell.

燃料電池に供給される燃料ガス流量は電力負荷に応じて小流量から大流量まで広範囲に変動するため、このような広範囲の調圧制御を単一の調圧弁で精密に行うことは困難である。特開2002−231277号公報には流量−圧力制御特性の異なる複数の調圧弁を組み合わせることでダイナミックレンジの広い調圧制御を可能にした燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムでは燃料電池の要求負荷を基に算出した目標燃料ガス流量が少ない場合には低流量タイプの第1調圧弁で燃料ガスの調圧を行い、目標燃料ガス流量が多い場合には高流量タイプの第2調圧弁で燃料ガスの調圧を行う構成となっている。更に、第2調圧弁の後段に遮断弁を配設することで、第2調圧弁を閉弁したときのガス漏れ量を低減し、第1調圧弁による極小流量の調圧制御を可能にする構成も開示されている。
特開2002−231277号公報
Since the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell varies in a wide range from a small flow rate to a large flow rate depending on the electric power load, it is difficult to precisely perform such a wide range pressure regulation control with a single pressure regulating valve. . Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-231277 proposes a fuel cell system that enables pressure regulation control with a wide dynamic range by combining a plurality of pressure regulation valves having different flow rate-pressure control characteristics. In this fuel cell system, when the target fuel gas flow calculated based on the required load of the fuel cell is small, the fuel gas is regulated by the low flow type first pressure regulating valve, and when the target fuel gas flow is large The fuel gas is regulated by a high flow type second pressure regulating valve. Furthermore, by providing a shut-off valve downstream of the second pressure regulating valve, the amount of gas leakage when the second pressure regulating valve is closed is reduced, and pressure regulation control of a minimum flow rate by the first pressure regulating valve is enabled. A configuration is also disclosed.
JP 2002-231277 A

しかし、燃料ガスの供給圧を調圧するために、複数の調圧弁の弁開度を調整するとともに、更に遮断弁の開閉制御をも行うと、これらの弁機構を制御する電気系統のシステム構成が複雑になる。   However, in order to regulate the supply pressure of the fuel gas, adjusting the valve opening degree of the plurality of pressure regulating valves and further performing the opening / closing control of the shut-off valve, the system configuration of the electric system that controls these valve mechanisms is It becomes complicated.

そこで、本発明は燃料電池に供給される反応ガスの調圧制御を簡易なシステム構成で実現するための燃料電池システムを提案することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to propose a fuel cell system for realizing pressure regulation control of a reaction gas supplied to the fuel cell with a simple system configuration.

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは燃料電池に供給される反応ガスの圧力を調圧するために各々異なる調整圧力に設定された複数のレギュレータと、複数のレギュレータを各々並列に接続する複数の分岐・合流路を含む反応ガス供給路と、複数のレギュレータのうち調整圧力が最も低く設定されたレギュレータを除く単一又は複数のレギュレータの各々に対して、分岐・合流路が分岐する分岐点の下流側であって、且つ分岐・合流路が合流する合流点の上流側において、直列に接続された単一又は複数の遮断弁と、単一又は複数の遮断弁を開閉制御することにより燃料電池に供給される反応ガスの供給圧を調圧する制御部と、を備える。レギュレータと直列に接続された遮断弁を開閉制御(オンオフ制御)することにより簡易なシステム構成でレギュレータの切り替え制御を可能にできる。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a plurality of regulators set to different adjustment pressures in order to regulate the pressure of a reaction gas supplied to the fuel cell, and a plurality of regulators in parallel. The branch / combined flow branches for each of the single or multiple regulators except for the reaction gas supply passage including the multiple branch / combined flow channels to be connected and the regulator with the lowest adjustment pressure among the multiple regulators. The single or multiple shut-off valves connected in series and the single or plural shut-off valves are controlled to open and close at the downstream side of the branching point and the upstream side of the junction where the branching / merging passages merge. And a controller that regulates the supply pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell. By performing open / close control (on / off control) of the shut-off valve connected in series with the regulator, switching control of the regulator can be performed with a simple system configuration.

レギュレータと直列に接続される遮断弁はレギュレータの上流側に配設されるのが望ましい。高圧レギュレータの上流側はその下流側よりも圧力が高いので、反応ガスの質量流量が低下し、遮断弁による圧力損失を低減できる。つまり、高圧レギュレータの上流側に遮断弁を配設することで、遮断弁を低流量設計にすることが可能となり、小型化を実現できる。   The shut-off valve connected in series with the regulator is preferably arranged on the upstream side of the regulator. Since the pressure on the upstream side of the high-pressure regulator is higher than that on the downstream side, the mass flow rate of the reaction gas is reduced, and the pressure loss due to the shutoff valve can be reduced. In other words, by disposing the shut-off valve upstream of the high-pressure regulator, the shut-off valve can be designed to have a low flow rate, and downsizing can be realized.

本発明の燃料電池システムは燃料電池に供給される反応ガスの圧力を信号圧に応じて調圧するための複数のレギュレータと、複数のレギュレータを各々並列に接続する複数の分岐・合流路を含む反応ガス供給路と、複数のレギュレータのうち調整圧力が最も低く設定されたレギュレータを除く単一又は複数のレギュレータの各々に信号圧を供給することにより、複数のレギュレータの中から何れか一つのレギュレータを作動させて燃料電池に供給される反応ガスの供給圧を調圧する信号圧供給手段と、を備える。かかる構成によれば遮断弁が不要となるため、システム構成をより簡易化できる。   A fuel cell system according to the present invention includes a plurality of regulators for adjusting the pressure of a reaction gas supplied to a fuel cell according to a signal pressure, and a reaction including a plurality of branching / combining passages each connecting the plurality of regulators in parallel. By supplying signal pressure to each of the single or multiple regulators, excluding the regulator that has the lowest adjustment pressure among the multiple supply regulators, one of the multiple regulators can be Signal pressure supply means for adjusting the supply pressure of the reaction gas to be operated and supplied to the fuel cell. Such a configuration eliminates the need for a shut-off valve, thereby simplifying the system configuration.

本発明によれば、レギュレータと直列に接続された遮断弁を開閉制御することにより簡易なシステム構成でレギュレータの切り替え制御を可能にできる。また、高圧レギュレータの上流側はその下流側よりも圧力が高いので、反応ガスの質量流量が低下し、遮断弁による圧力損失を低減できる。つまり、高圧レギュレータの上流側に遮断弁を配設することで、遮断弁を低流量設計にすることが可能となり、小型化を実現できる。また、信号圧に応じて反応ガスを調圧するレギュレータを用いることにより、遮断弁が不要となるため、システム構成をより簡易化できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, switching control of a regulator can be enabled by a simple system structure by carrying out open / close control of the cutoff valve connected in series with the regulator. Moreover, since the pressure on the upstream side of the high-pressure regulator is higher than that on the downstream side, the mass flow rate of the reaction gas is reduced, and the pressure loss due to the shutoff valve can be reduced. In other words, by disposing the shut-off valve upstream of the high-pressure regulator, the shut-off valve can be designed to have a low flow rate, and downsizing can be realized. In addition, the use of a regulator that regulates the reaction gas according to the signal pressure eliminates the need for a shut-off valve, thereby further simplifying the system configuration.

[発明の実施形態1]
図1は本発明の第1実施形態に関わる燃料電池システム10の反応ガス供給系統を中心とするシステム構成を示している。燃料電池システム10は燃料電池電気自動車に搭載されて電力発電を行う発電装置として構成されており、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の供給を受けて電力発電する燃料電池(セルスタック)20を備えている。燃料電池20はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜21の両面にアノード極22とカソード極23をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体24を備えている。膜・電極接合体24の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極22及びカソード極23との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル25及びカソードガスチャンネル26を形成している。
Embodiment 1 of the Invention
FIG. 1 shows a system configuration centering on a reaction gas supply system of a fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 is configured as a power generation device that is mounted on a fuel cell electric vehicle and generates power, and includes a fuel cell (cell stack) 20 that generates power by receiving supply of a reaction gas (fuel gas, oxidizing gas). I have. The fuel cell 20 includes a membrane / electrode assembly 24 in which an anode electrode 22 and a cathode electrode 23 are formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane 21 made of a fluorine-based resin or the like and made of a proton conductive ion exchange membrane or the like by screen printing or the like. It has. Both surfaces of the membrane / electrode assembly 24 are sandwiched by a ribbed separator (not shown), and a grooved anode gas channel 25 and cathode gas channel 26 are formed between the separator and the anode electrode 22 and cathode electrode 23, respectively. .

尚、説明の便宜上、膜・電極接合体24、アノードガスチャンネル25、及びカソードガスチャンネル26から成る単セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したリブ付セパレータを介して複数の単セルが直列に接続したスタック構造を備えている。   For convenience of explanation, the structure of a single cell including the membrane / electrode assembly 24, the anode gas channel 25, and the cathode gas channel 26 is schematically shown. It has a stack structure in which a plurality of single cells are connected in series.

燃料電池システム10の燃料ガス供給系統には、アノードガスチャンネル25に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路(反応ガス供給路)31と、アノードガスチャンネル25から排気される水素オフガスを燃料ガス供給路31に還流させるための循環流路32が配管されている。燃料ガス供給路31には高圧水素タンク54からの燃料ガス供給を遮断する遮断弁A1と、燃料ガスの圧力調整を行う調圧部70と、アノード入口への燃料ガスの流入を遮断する遮断弁A3が配設されている。循環流路32にはアノード出口からの水素オフガスの流出を遮断する遮断弁A4と、水素オフガスを循環させるための水素循環ポンプ55が配設されている。水素循環ポンプ55はモータM1によって駆動される電動ポンプとして構成されており、アノードガスチャンネル25を通過する過程で圧力損失を受けた水素オフガスを適度なガス圧に加圧し、燃料ガス供給路31に還流させている。循環流路32には循環水素に含まれる水素以外の成分濃度が高くなった時点で水素オフガスの一部を循環流路32から車外にパージするための排気流路33が分岐配管されている。水素オフガスのパージ処理は排気流路33に配設された遮断弁(パージ・バルブ)A5を開閉することによって行われる。排気流路33を流れる水素オフガスは希釈器56にて希釈され、システム外に排気される。   In the fuel gas supply system of the fuel cell system 10, a fuel gas supply path (reaction gas supply path) 31 for supplying fuel gas to the anode gas channel 25 and hydrogen off-gas exhausted from the anode gas channel 25 are supplied as fuel gas. A circulation flow path 32 for refluxing the supply path 31 is provided. The fuel gas supply path 31 includes a shutoff valve A1 that shuts off the fuel gas supply from the high-pressure hydrogen tank 54, a pressure regulator 70 that adjusts the pressure of the fuel gas, and a shutoff valve that shuts off the inflow of fuel gas to the anode inlet. A3 is disposed. The circulation channel 32 is provided with a shutoff valve A4 for blocking outflow of hydrogen offgas from the anode outlet and a hydrogen circulation pump 55 for circulating the hydrogen offgas. The hydrogen circulation pump 55 is configured as an electric pump driven by the motor M 1, and pressurizes the hydrogen off-gas that has undergone pressure loss in the process of passing through the anode gas channel 25 to an appropriate gas pressure, Reflux. The circulation flow path 32 is branched with an exhaust flow path 33 for purging a part of the hydrogen off gas from the circulation flow path 32 to the outside of the vehicle when the concentration of components other than hydrogen contained in the circulation hydrogen becomes high. The hydrogen off-gas purge process is performed by opening and closing a shutoff valve (purge valve) A5 disposed in the exhaust passage 33. The hydrogen off-gas flowing through the exhaust passage 33 is diluted by the diluter 56 and exhausted outside the system.

一方、燃料電池システム10の酸化ガス供給系統にはカソードガスチャンネル26に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給路41と、カソードガスチャンネル26から排気されるカソードオフガスを排気するための酸素オフガス流路42が配管されている。エアフィルタ51を介して大気から取り込まれたエアは、モータM2によって駆動されるエアコンプレッサ52によって加圧された後、加湿器53にて適度に過湿され、酸化ガス供給路41を通過してカソードガスチャンネル26に流れ込む。加湿器53では、燃料電池20の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードガスチャンネル26の背圧は調圧弁C1によってほぼ一定圧に調圧される。カソードガスチャンネル26から排気された酸素オフガスは酸素オフガス流路42を流れて希釈器56に導入され、水素オフガスを希釈した後にシステム外に排気される。   On the other hand, the oxidizing gas supply system of the fuel cell system 10 includes an oxidizing gas supply path 41 for supplying oxidizing gas to the cathode gas channel 26 and an oxygen off-gas flow for exhausting cathode off-gas exhausted from the cathode gas channel 26. A path 42 is piped. The air taken in from the atmosphere through the air filter 51 is pressurized by the air compressor 52 driven by the motor M2, and then moderately overhumidified by the humidifier 53, and passes through the oxidizing gas supply path 41. It flows into the cathode gas channel 26. In the humidifier 53, moisture is exchanged between the cathode off-gas that has become highly moistened by the generated water generated by the cell reaction of the fuel cell 20, and the low-humidity oxidizing gas taken from the atmosphere. The back pressure of the cathode gas channel 26 is regulated to a substantially constant pressure by the pressure regulating valve C1. The oxygen off-gas exhausted from the cathode gas channel 26 flows through the oxygen off-gas flow path 42 and is introduced into the diluter 56. After diluting the hydrogen off-gas, the oxygen off-gas is exhausted outside the system.

調圧部70は高負荷〜中負荷域において高圧の燃料ガスを供給するために圧力設定された高圧レギュレータA6と、中負荷域〜低負荷域において低圧の燃料ガスを供給するために圧力設定された低圧レギュレータA7と、これらのレギュレータA6,A7を並列に接続する複数の分岐・合流路31a,31bと、高圧レギュレータA6に対して直列に接続された遮断弁A2を備えて構成されている。分岐・合流路31a,31bは分岐点B1において燃料ガス供給路31から二股分岐し、更に合流点B2において合流するガス流路である。上述の構成において、遮断弁A2が閉弁すると、燃料ガスは低圧レギュレータA7のみを通過して低圧に調圧された後に燃料電池20に供給される。一方、遮断弁A2が開弁すると、燃料ガスは高圧レギュレータA6のみを通過して高圧に調圧された後に燃料電池20に供給される。このとき、高圧レギュレータA6の2次側圧力と低圧レギュレータA7の2次側圧力は同圧になるため、低圧レギュレータA7は自己シール機能によって燃料ガスの通過を遮断する。この自己シール機能により、低圧レギュレータA7には遮断弁を配設しなくてもよい。このように、遮断弁A2を開閉制御(オンオフ制御)するだけで高圧レギュレータA6と低圧レギュレータA7の切り替え制御を実現できる。   The pressure adjusting unit 70 is set to have a high pressure regulator A6 that is set to supply high pressure fuel gas in a high load to medium load range, and is set to supply low pressure fuel gas in a medium load range to low load range. The low-pressure regulator A7, a plurality of branching / combining passages 31a and 31b that connect these regulators A6 and A7 in parallel, and a shutoff valve A2 connected in series to the high-pressure regulator A6. The branching / merging passages 31a and 31b are gas passages that bifurcate from the fuel gas supply passage 31 at the branching point B1 and further join at the joining point B2. In the above configuration, when the shutoff valve A2 is closed, the fuel gas passes through only the low pressure regulator A7 and is adjusted to a low pressure, and then supplied to the fuel cell 20. On the other hand, when the shutoff valve A2 is opened, the fuel gas passes through only the high pressure regulator A6 and is adjusted to a high pressure, and then supplied to the fuel cell 20. At this time, since the secondary side pressure of the high pressure regulator A6 and the secondary side pressure of the low pressure regulator A7 become the same pressure, the low pressure regulator A7 blocks the passage of the fuel gas by the self-sealing function. Due to this self-sealing function, the low-pressure regulator A7 does not have to be provided with a shut-off valve. In this way, switching control between the high pressure regulator A6 and the low pressure regulator A7 can be realized only by opening / closing the shutoff valve A2 (on / off control).

尚、遮断弁A2の配設位置としては、分岐点B1よりも下流側であって、且つその合流点B2よりも上流側の範囲内であれば、特に限定されるものではないが、高圧レギュレータA6よりも上流側の位置が望ましい。高圧レギュレータA6の上流側(入力ポート)はその下流側(出力ポート)よりも圧力が高いので、ベルヌーイの定理より質量流量が低下し、遮断弁A2による圧力損失を低減できる。つまり、高圧レギュレータA6の上流側に遮断弁A2を配設することで、遮断弁A2を低流量設計にすることが可能となり、小型化を実現できる。また、遮断弁A2としては、オンオフ弁が好適であるが、リニア弁のように弁開度をリニアに調整できるバルブでもよい。さらに、レギュレータA6,A7としては、システム構成を簡易化する上で機械式のレギュレータが好適である。遮断弁A1〜A5としては、例えば、電磁弁が好適である。   The arrangement position of the shut-off valve A2 is not particularly limited as long as it is downstream of the branch point B1 and upstream of the junction B2, but is not particularly limited. A position upstream of A6 is desirable. Since the pressure on the upstream side (input port) of the high pressure regulator A6 is higher than that on the downstream side (output port), the mass flow rate is reduced by Bernoulli's theorem, and the pressure loss due to the shutoff valve A2 can be reduced. That is, by providing the shutoff valve A2 upstream of the high pressure regulator A6, the shutoff valve A2 can be designed to have a low flow rate, and downsizing can be realized. Further, as the shutoff valve A2, an on / off valve is suitable, but a valve that can linearly adjust the valve opening degree, such as a linear valve, may be used. Further, as the regulators A6 and A7, mechanical regulators are suitable for simplifying the system configuration. As the shutoff valves A1 to A5, for example, electromagnetic valves are suitable.

制御部60は燃料電池20の運転状態に応じてモータM1,M2を駆動してエアコンプレッサ52と水素循環ポンプ55の回転数を制御するとともに、遮断弁A1〜A5に開閉信号を出力して開閉制御を行う。燃料ガス供給系統には各部のガス圧を計測するための圧力センサP1〜P4が設置されており、圧力センサP1〜P4から出力される圧力値は制御部60に入力されるように構成されている。ここで、圧力センサP1は遮断弁A1の出口付近のガス圧を、圧力センサP2はアノード入口付近のガス圧を、圧力センサP3は水素循環ポンプ55の上流側のガス圧を、圧力センサP4は水素循環ポンプ55の下流側のガス圧を、それぞれ計測する。   The control unit 60 drives the motors M1 and M2 in accordance with the operating state of the fuel cell 20 to control the rotation speeds of the air compressor 52 and the hydrogen circulation pump 55, and outputs an open / close signal to the shutoff valves A1 to A5 to open and close it. Take control. The fuel gas supply system is provided with pressure sensors P1 to P4 for measuring the gas pressure of each part, and the pressure values output from the pressure sensors P1 to P4 are input to the control unit 60. Yes. Here, the pressure sensor P1 is the gas pressure near the outlet of the shutoff valve A1, the pressure sensor P2 is the gas pressure near the anode inlet, the pressure sensor P3 is the gas pressure upstream of the hydrogen circulation pump 55, and the pressure sensor P4 is The gas pressure on the downstream side of the hydrogen circulation pump 55 is measured.

次に、レギュレータA6,A7の切り替え制御について、図2〜図6を参照しつつ、燃料電池20の運転状態と対応付けて説明を加える。これらの図に示す制御ルーチンは制御部60によって実行される。まず、システム起動要求があるか否かがチェックされる(ステップS1)。システム起動要求がない場合には(ステップS1;NO)、ステップS11にジャンプする。一方、システム起動要求がある場合には(ステップS1;YES)、遮断弁A1〜A4を全て開弁するとともに、遮断弁A5を閉弁して、燃料電池20への燃料ガス供給を開始する。遮断弁A2を開弁することにより高圧レギュレータA6を作動させ、燃料ガスの供給圧を高めてシステム起動時間を短縮できる。   Next, switching control of the regulators A6 and A7 will be described in association with the operating state of the fuel cell 20 with reference to FIGS. The control routine shown in these drawings is executed by the control unit 60. First, it is checked whether there is a system activation request (step S1). If there is no system activation request (step S1; NO), the process jumps to step S11. On the other hand, when there is a system activation request (step S1; YES), all of the shutoff valves A1 to A4 are opened, and the shutoff valve A5 is closed, and fuel gas supply to the fuel cell 20 is started. By opening the shutoff valve A2, the high pressure regulator A6 is operated, and the fuel gas supply pressure is increased, thereby shortening the system startup time.

次いで、水素循環系統に設置された圧力センサP2〜P4から出力される各々の圧力値が圧力値Pk1以上であるか否かをチェックする(ステップS3)。圧力値Pk1としては、燃料ガス供給系統の水素漏洩判定を行える程度のガス圧に選定するのが望ましい。水素循環系統に供給された燃料ガスが圧力値Pk1以上に加給されたならば(ステップS3;YES)、遮断弁A1〜A5を閉弁して水素漏洩判定を行う(ステップS4)。この水素漏洩判定では、圧力センサP1〜P4から出力される圧力値の単位時間あたりの変化代ΔP1〜ΔP4がそれぞれの基準値Pc1〜Pc4を超えているか否かがチェックされる(ステップS5)。何れの変化代ΔP1〜ΔP4もそれぞれの基準値Pc1〜Pc4を超えてない場合には(ステップS5;NO)、水素漏れは生じてないため、ステップS11にジャンプする。   Next, it is checked whether or not each pressure value output from the pressure sensors P2 to P4 installed in the hydrogen circulation system is equal to or higher than the pressure value Pk1 (step S3). As the pressure value Pk1, it is desirable to select a gas pressure that allows hydrogen leakage determination of the fuel gas supply system. If the fuel gas supplied to the hydrogen circulation system has been supplied to a pressure value Pk1 or more (step S3; YES), the shutoff valves A1 to A5 are closed and a hydrogen leak determination is performed (step S4). In this hydrogen leakage determination, it is checked whether or not the change margins ΔP1 to ΔP4 per unit time of the pressure values output from the pressure sensors P1 to P4 exceed the respective reference values Pc1 to Pc4 (step S5). If none of the change allowances ΔP1 to ΔP4 exceeds the respective reference values Pc1 to Pc4 (step S5; NO), no hydrogen leakage occurs, and the process jumps to step S11.

一方、何れかの変化代ΔP1〜ΔP4がそれぞれの基準値Pc1〜Pc4を超えている場合には(ステップS5;YES)、水素漏れが生じている可能性があるため、遮断弁A1〜A4を全て開弁するとともに、遮断弁A5を閉弁して(ステップS6)、燃料ガス供給系統のガス圧をより一層高めて高精度な水素漏洩判定を行う。次いで、水素循環系統に設置された圧力センサP2〜P4から出力される各々の圧力値が圧力値Pk2以上であるか否かをチェックする(ステップS7)。圧力値Pk2としては、燃料ガス供給系統の微小な水素漏れを高精度に行える程度のガス圧(Pk1以上のガス圧)に選定するのが望ましい。   On the other hand, if any of the change allowances ΔP1 to ΔP4 exceeds the respective reference values Pc1 to Pc4 (step S5; YES), there is a possibility that hydrogen leakage has occurred, so the shutoff valves A1 to A4 are opened. While all the valves are opened, the shutoff valve A5 is closed (step S6), and the gas pressure in the fuel gas supply system is further increased to perform highly accurate hydrogen leak determination. Next, it is checked whether or not each pressure value output from the pressure sensors P2 to P4 installed in the hydrogen circulation system is equal to or higher than the pressure value Pk2 (step S7). As the pressure value Pk2, it is desirable to select a gas pressure (a gas pressure equal to or higher than Pk1) to such a level that minute hydrogen leakage of the fuel gas supply system can be performed with high accuracy.

水素循環系統に供給された燃料ガスが圧力値Pk2以上に加給されたならば(ステップS7;YES)、遮断弁A1〜A5を閉弁して水素漏洩判定を行う(ステップS8)。この水素漏洩判定では、圧力センサP1〜P4から出力される圧力値の単位時間あたりの変化代ΔP1〜ΔP4がそれぞれの基準値Pd1〜Pd4を超えているか否かがチェックされる(ステップS9)。何れの変化代ΔP1〜ΔP4もそれぞれの基準値Pd1〜Pd4を超えてない場合には(ステップS9;NO)、水素漏れは生じてないため、ステップS11にジャンプする。一方、何れかの変化代ΔP1〜ΔP4がそれぞれの基準値Pd1〜Pd4を超えている場合には(ステップS9;YES)、水素漏れが生じていると判断できるため、システム異常停止を行う(ステップS10)。システム異常停止時には遮断弁A1〜A5は閉弁されて燃料ガスの供給が停止される。   If the fuel gas supplied to the hydrogen circulation system has been supplied to the pressure value Pk2 or more (step S7; YES), the shutoff valves A1 to A5 are closed to determine hydrogen leakage (step S8). In this hydrogen leakage determination, it is checked whether or not the change margins ΔP1 to ΔP4 per unit time of the pressure values output from the pressure sensors P1 to P4 exceed the respective reference values Pd1 to Pd4 (step S9). If none of the change allowances ΔP1 to ΔP4 exceeds the respective reference values Pd1 to Pd4 (step S9; NO), no hydrogen leakage occurs, and the process jumps to step S11. On the other hand, if any of the change allowances ΔP1 to ΔP4 exceeds the respective reference values Pd1 to Pd4 (step S9; YES), it can be determined that hydrogen leakage has occurred, and thus the system is stopped abnormally (step S9). S10). When the system is abnormally stopped, the shutoff valves A1 to A5 are closed and the supply of fuel gas is stopped.

さて、上述の水素漏洩判定において異常なしと判断されると、システムが走行可能な状態であるか否かがチェックされる(ステップS11)。システムに異常があり、走行できる状態でないと判定されると(ステップS11;NO)、システム異常停止が行われる(ステップS10)。一方、システムに異常がなく、走行できる状態にあると判定されると(ステップS11;YES)、遮断弁A1,A3,A4を開弁するとともに遮断弁A2を閉弁し(ステップS12)、低圧レギュレータA7を作動させて燃料電池20に低圧燃料ガスを供給する。次いで、アクセル開度や車速等から要求負荷を求め(ステップS13)、燃料電池20のI−V特性より要求電流を算出し、ストイキ値等を加味した上でエアコンプレッサ52の目標回転数と、水素循環ポンプ55の目標回転数と、アノード入口圧力の目標圧力をそれぞれマップ等に基づいて算出する(ステップS14,S15,S16)。   When it is determined that there is no abnormality in the above-described hydrogen leakage determination, it is checked whether or not the system is in a travelable state (step S11). If it is determined that there is an abnormality in the system and the vehicle is not ready to travel (step S11; NO), an abnormal system stop is performed (step S10). On the other hand, if it is determined that there is no abnormality in the system and the vehicle is ready to travel (step S11; YES), the shut-off valves A1, A3, A4 are opened and the shut-off valve A2 is closed (step S12). The regulator A7 is operated to supply low-pressure fuel gas to the fuel cell 20. Next, the required load is obtained from the accelerator opening, the vehicle speed, etc. (step S13), the required current is calculated from the IV characteristics of the fuel cell 20, and the target rotational speed of the air compressor 52 is taken into account after taking into account the stoichiometric value, etc. The target rotation speed of the hydrogen circulation pump 55 and the target pressure of the anode inlet pressure are respectively calculated based on a map or the like (steps S14, S15, S16).

ここで、圧力センサP2が計測した圧力値が目標圧力値以上である場合には(ステップS17;YES)、燃料ガスの供給圧が高めになっているので、遮断弁A2を閉弁し(ステップS18)、低圧レギュレータA7を作動させて低圧燃料ガスを供給する。一方、圧力センサP2が計測した圧力値が目標圧力値未満である場合には(ステップS17;NO)、燃料ガスの供給圧が低めになっているので、遮断弁A2を開弁し(ステップS19)、高圧レギュレータA6を作動させて高圧燃料ガスを供給する。このように遮断弁A2の開閉制御を通じてレギュレータA6,A7の切り替え制御を行い、燃料ガスの供給圧を目標圧力に一致させる。   Here, when the pressure value measured by the pressure sensor P2 is equal to or higher than the target pressure value (step S17; YES), the supply pressure of the fuel gas is increased, so the shutoff valve A2 is closed (step S1). S18), the low pressure regulator A7 is operated to supply the low pressure fuel gas. On the other hand, when the pressure value measured by the pressure sensor P2 is less than the target pressure value (step S17; NO), the supply pressure of the fuel gas is low, so the shutoff valve A2 is opened (step S19). ), The high pressure regulator A6 is operated to supply the high pressure fuel gas. Thus, the switching control of the regulators A6 and A7 is performed through the opening / closing control of the shutoff valve A2, and the supply pressure of the fuel gas is made to coincide with the target pressure.

電池運転を継続すると、水素循環系統を循環するアノードオフガスに含まれる窒素や水分等の不純物量が増大するため、遮断弁A5を開閉してアノードオフガスの一部をシステム外に排気する(ステップS20)。電池温度が低温又は電力負荷が高負荷である程、不純物が増大するため、遮断弁A5の開時間を長くし、開閉頻度を多くする。次いで、極間差圧を調整するため、カソード入口圧力PAを推定演算する(ステップS21)。カソード出口の背圧は調圧弁C1によってほぼ一定圧に調圧されているため、電力負荷から定まる酸化ガス流量に圧力損失を加味して計算することによりカソード入口圧力PAを計算できる。次いで、極間差圧Pe=P2−PAを演算し(ステップS22)、極間差圧Peが閾値Pt1以上である場合には(ステップS23;YES)、燃料ガス圧の方が酸化ガス圧よりも大きいため、遮断弁A2を閉弁して(ステップS24)、低圧レギュレータA7を作動させることにより燃料ガス圧を減少させる。一方、極間差圧Peが閾値−Pt2以下である場合には(ステップS25;YES)、酸化ガス圧の方が燃料ガス圧よりも大きいため、遮断弁A2を開弁して(ステップS26)、高圧レギュレータA6を作動させて燃料ガス圧を増加させる。酸化ガス圧を加減することで極間差圧Peの調整を行うと、燃料電池20のI−V特性が悪化する場合があるので、燃料ガス圧を加減することで極間差圧Peの調整を行うのが望ましい。   If the battery operation is continued, the amount of impurities such as nitrogen and moisture contained in the anode off-gas circulating through the hydrogen circulation system increases. Therefore, the shutoff valve A5 is opened and closed to exhaust a part of the anode off-gas outside the system (step S20). ). As the battery temperature is lower or the power load is higher, impurities increase, so the open time of the shutoff valve A5 is lengthened and the open / close frequency is increased. Next, in order to adjust the inter-electrode differential pressure, the cathode inlet pressure PA is estimated and calculated (step S21). Since the back pressure at the cathode outlet is adjusted to a substantially constant pressure by the pressure regulating valve C1, the cathode inlet pressure PA can be calculated by calculating the pressure loss in addition to the oxidizing gas flow rate determined from the power load. Next, the inter-electrode differential pressure Pe = P2-PA is calculated (step S22). If the inter-electrode differential pressure Pe is equal to or greater than the threshold value Pt1 (step S23; YES), the fuel gas pressure is greater than the oxidizing gas pressure. Therefore, the shutoff valve A2 is closed (step S24), and the fuel gas pressure is decreased by operating the low pressure regulator A7. On the other hand, when the inter-electrode differential pressure Pe is equal to or less than the threshold value −Pt2 (step S25; YES), since the oxidizing gas pressure is larger than the fuel gas pressure, the shutoff valve A2 is opened (step S26). Then, the high pressure regulator A6 is operated to increase the fuel gas pressure. If the inter-electrode differential pressure Pe is adjusted by adjusting the oxidizing gas pressure, the IV characteristics of the fuel cell 20 may deteriorate. Therefore, the inter-electrode differential pressure Pe can be adjusted by adjusting the fuel gas pressure. It is desirable to do.

発電時間が長くなると、ガスチャンネル25,26に凝縮水が蓄積してセルの有効電極面積が減少し、各セルに反応ガスが均等に供給されなくなるおそれがある。このような状況では、各々のセル間で電圧分布が生じ、最も電圧の低いセルが0V以下まで降圧して過放電するおそれがある。過放電の状態で電流を流し続けると、高分子電解質膜21が破損する可能性があるので、適宜排水する必要がある。そこで、発電電流の積算値ITを演算し(ステップS27)、電流積算値ITが閾値IW未満であり、且つセル電圧が閾値V1以上である場合には(ステップS28;NO)、フラッディングの虞はないので、排水処理は行わずにステップS39にジャンプする。一方、電流積算値ITが閾値IW以上であるか又はセル電圧が閾値V1以下である場合には(ステップS28;YES)、フラッディングの虞があるので、以下に述べるようにガスチャンネル25,26に圧力変動を起こして排水を促進する。   When the power generation time is lengthened, condensed water accumulates in the gas channels 25 and 26, and the effective electrode area of the cell is reduced, so that the reaction gas may not be supplied uniformly to each cell. In such a situation, voltage distribution occurs between the cells, and the cell having the lowest voltage may be stepped down to 0 V or less and overdischarged. If an electric current continues to flow in an overdischarged state, the polymer electrolyte membrane 21 may be damaged. Therefore, it is necessary to drain appropriately. Therefore, the integrated value IT of the generated current is calculated (step S27), and if the current integrated value IT is less than the threshold value IW and the cell voltage is not less than the threshold value V1 (step S28; NO), there is a risk of flooding. Since there is no waste water treatment, the process jumps to step S39. On the other hand, if the current integrated value IT is equal to or greater than the threshold value IW or the cell voltage is equal to or less than the threshold value V1 (step S28; YES), there is a risk of flooding. Causes pressure fluctuations and promotes drainage.

ガスチャンネル25,26に圧力変動を起こすには、まず、遮断弁A2を開弁して(ステップS29)、高圧レギュレータA6を作動させてアノードガスチャンネル25内の燃料ガス圧を高める。次いで、電流積算値ITをゼロクリアする(ステップS30)。電流積算値ITのゼロクリア時点からの時間経過が所定時間t1を経過しており、且つセル電圧が閾値V2以上である場合には(ステップ31;YES)、セル電圧が回復しつつあるので、遮断弁A2を閉弁し(ステップS32)、低圧レギュレータA7を作動させてアノードガスチャンネル25内の燃料ガス圧を低める。更に、発電量を増加させて燃料ガスの消費を増大し(ステップS33)、遮断弁A5を開いてアノードオフガスをシステム外に排気することで(ステップ34)、燃料ガス圧をより一層低下させる。このように減圧速度を上げることで脈動効果を大きくし、ガスチャンネル25,26に貯溜している水分の排水を促進する。アノードオフガスの排気量の増大に伴い、エアコンプレッサ52の回転数を増加させ(ステップS35)、希釈器56に導入される希釈エア流量を増やしてアノードオフガスを希釈する。次いで、アノード入口圧力P2が圧力値Pk3以下に達したか否かをチェックし(ステップS36)、圧力P2が圧力値Pk3以下に達すると(ステップS36;YES)、エアコンプレッサ52の回転数を通常回転数に復帰させる(ステップS37)。   In order to cause the pressure fluctuation in the gas channels 25 and 26, first, the shutoff valve A2 is opened (step S29), and the high pressure regulator A6 is operated to increase the fuel gas pressure in the anode gas channel 25. Next, the current integrated value IT is cleared to zero (step S30). When the elapsed time from the zero clear point of the current integrated value IT has passed the predetermined time t1 and the cell voltage is equal to or higher than the threshold value V2 (step 31; YES), the cell voltage is recovering, so that The valve A2 is closed (step S32), and the low pressure regulator A7 is operated to lower the fuel gas pressure in the anode gas channel 25. Further, the amount of power generation is increased to increase the consumption of fuel gas (step S33), and the shutoff valve A5 is opened to exhaust the anode off gas outside the system (step 34), thereby further reducing the fuel gas pressure. By increasing the pressure reduction speed in this way, the pulsation effect is increased, and the drainage of moisture stored in the gas channels 25 and 26 is promoted. As the amount of anode off gas exhausted increases, the number of revolutions of the air compressor 52 is increased (step S35), and the flow rate of diluted air introduced into the diluter 56 is increased to dilute the anode off gas. Next, it is checked whether or not the anode inlet pressure P2 has reached the pressure value Pk3 or less (step S36). When the pressure P2 has reached the pressure value Pk3 or less (step S36; YES), the rotational speed of the air compressor 52 is normally set. The rotational speed is restored (step S37).

以上のようにして電池運転を実施するが、電力負荷が小さい場合には、燃料電池20を運転しなくてもバッテリからの電力供給で走行できるため、燃料電池20の運転を一次休止して間欠運転を行うのが好ましい。そこで、間欠運転開始条件が成立しているか否かがチェックされ(ステップS38)、間欠運転開始条件が成立してない場合には(ステップS38;NO)、ステップS11にジャンプする。間欠運転開始条件が成立すると(ステップS38;YES)、電池運転休止に備えて遮断弁A1〜A5を全て閉弁し(ステップS39)、水素漏洩判定を行う(ステップS40)。この水素漏洩判定は上述したステップS2〜ステップS9と同じ処理を再度実施すればよい。このようにして間欠運転モードに移行したならば、間欠運転解除条件が成立しているか否かがチェックされる(ステップS41)。間欠運転解除条件が成立してない場合には(ステップS41;NO)、ステップS38にジャンプする。   Although the battery operation is performed as described above, when the power load is small, the fuel cell 20 can be driven by power supply without operating the fuel cell 20, so the operation of the fuel cell 20 is temporarily stopped and intermittent. It is preferable to operate. Therefore, it is checked whether or not the intermittent operation start condition is satisfied (step S38). If the intermittent operation start condition is not satisfied (step S38; NO), the process jumps to step S11. When the intermittent operation start condition is satisfied (step S38; YES), all the shutoff valves A1 to A5 are closed in preparation for the battery operation suspension (step S39), and hydrogen leakage determination is performed (step S40). This hydrogen leakage determination may be performed again by performing the same processing as in steps S2 to S9 described above. In this way, if the mode is shifted to the intermittent operation mode, it is checked whether or not the intermittent operation cancellation condition is satisfied (step S41). If the intermittent operation cancellation condition is not satisfied (step S41; NO), the process jumps to step S38.

一方、間欠運転解除条件が成立すると(ステップS41;YES)、電池運転再開に備えて遮断弁A1〜A4を全て開弁し(ステップS42)、高圧レギュレータA6を作動させて高圧の燃料ガスを燃料電池20に供給する。さらに、水素循環ポンプ55の回転数を増大させ、燃料ガスを一層加圧する(ステップS43)。間欠運転解除時にはクロスリーク等により燃料ガス圧は低下しているため、高圧の燃料ガスを燃料電池20に供給することで、窒素等の分圧を相対的に小さくし、安定した発電を行うことができる。燃料ガス供給系統の各部のガス圧P2〜P4が圧力値Pk4以上になると(ステップS44;YES)、燃料ガス供給系統のガス圧が必要かつ十分なガス圧に昇圧されたので、遮断弁A2を閉弁して(ステップS45)、低圧レギュレータA7を作動させる。   On the other hand, when the intermittent operation cancellation condition is satisfied (step S41; YES), all the shutoff valves A1 to A4 are opened in preparation for resuming the battery operation (step S42), and the high pressure regulator A6 is operated to supply high pressure fuel gas to the fuel. The battery 20 is supplied. Further, the rotation speed of the hydrogen circulation pump 55 is increased, and the fuel gas is further pressurized (step S43). When the intermittent operation is released, the fuel gas pressure is reduced due to cross leaks, etc., so that high-pressure fuel gas is supplied to the fuel cell 20 to relatively reduce the partial pressure of nitrogen or the like and perform stable power generation. Can do. When the gas pressures P2 to P4 of each part of the fuel gas supply system become equal to or higher than the pressure value Pk4 (step S44; YES), the gas pressure of the fuel gas supply system has been increased to a necessary and sufficient gas pressure. The valve is closed (step S45), and the low pressure regulator A7 is operated.

そして、最後にシステム停止要求があるか否かがチェックされる(ステップS46)。システム停止要求がない場合には(ステップS46;NO)、ステップS11にジャンプする。システム停止要求があると(ステップS46;YES)、遮断弁A1,A2を閉弁して(ステップS47)、燃料ガスの供給を停止する。更に、低電流発電を行って残留燃料ガスを消費する(ステップS48)。アノード入口ガス圧P2が圧力値Pk5以下になると(ステップS49;YES)、水素循環ポンプ55を停止し(ステップS50)、更に発電を停止する(ステップS51)。続いて、遮断弁A5を開弁することにより(ステップS52)、水素循環系の残留水素を排気する。アノード入口ガス圧P2が圧力値Pk6以下になると(ステップS53;YES)、遮断弁A3〜A5を閉弁する(ステップS54)。遮断弁A3〜A5の閉弁時点から所定時間t2を経過した後(ステップS55;YES)、エアコンプレッサ52を停止し(ステップS56)、ステップS1にジャンプする。   Finally, it is checked whether or not there is a system stop request (step S46). If there is no system stop request (step S46; NO), the process jumps to step S11. When there is a system stop request (step S46; YES), the shutoff valves A1 and A2 are closed (step S47), and the fuel gas supply is stopped. Further, low-current power generation is performed to consume residual fuel gas (step S48). When the anode inlet gas pressure P2 becomes equal to or lower than the pressure value Pk5 (step S49; YES), the hydrogen circulation pump 55 is stopped (step S50), and the power generation is further stopped (step S51). Subsequently, by opening the shutoff valve A5 (step S52), residual hydrogen in the hydrogen circulation system is exhausted. When the anode inlet gas pressure P2 becomes equal to or lower than the pressure value Pk6 (step S53; YES), the shutoff valves A3 to A5 are closed (step S54). After a predetermined time t2 has elapsed from the closing time of the shutoff valves A3 to A5 (step S55; YES), the air compressor 52 is stopped (step S56), and the process jumps to step S1.

本実施形態によれば、高圧レギュレータA6の上流に設置された遮断弁A2を開閉制御することで、高圧レギュレータA6と低圧レギュレータA7の切り替え制御が可能になるため、燃料電池に供給される燃料ガス圧を簡易なシステム構成で異なる圧力値に調圧できる。また、高圧レギュレータA6の上流側に遮断弁A2を設置することで、遮断弁A2を低流量設計にすることが可能となり、遮断弁A2の小型化、及び圧力損失の低減を可能にできる。   According to the present embodiment, since the switching control between the high pressure regulator A6 and the low pressure regulator A7 can be performed by opening / closing the shutoff valve A2 installed upstream of the high pressure regulator A6, the fuel gas supplied to the fuel cell The pressure can be adjusted to different pressure values with a simple system configuration. Further, by installing the shutoff valve A2 upstream of the high pressure regulator A6, the shutoff valve A2 can be designed to have a low flow rate, and the shutoff valve A2 can be reduced in size and pressure loss can be reduced.

[発明の実施形態2]
図8は本発明の第2実施形態に関わる燃料電池システムの調圧部71の構成を示している。本実施形態は第1実施形態の構成において調圧部70を調圧部71に置き換えた構成を備えている。調圧部71は燃料電池20に供給される燃料ガスの圧力を調圧するために高圧、中圧、及び低圧の調整圧力に設定された複数のレギュレータA6〜A8と、レギュレータA6〜A8を各々並列に接続する複数の分岐・合流路31a〜31cを含む反応ガス供給路31と、中圧レギュレータA8及び高圧レギュレータA6の各々に対して直列に配設された遮断弁A9,A2を備えて構成されている。設定圧力の異なる複数のレギュレータA6〜A8を用いることにより、レギュレータ一つあたりのダイナミックレンジが狭くても、燃料電池20の電力負荷に応じて燃料ガス圧を高圧〜低圧までの広範囲にわたって調圧できる。また、レギュレータの個数が多い程、調圧レンジを作り易いメリットがある。
Embodiment 2 of the Invention
FIG. 8 shows the configuration of the pressure adjusting unit 71 of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. The present embodiment includes a configuration in which the pressure adjusting unit 70 is replaced with a pressure adjusting unit 71 in the configuration of the first embodiment. In order to regulate the pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell 20, the pressure regulation unit 71 includes a plurality of regulators A6 to A8 that are set to high pressure, intermediate pressure, and low pressure regulation pressure, and regulators A6 to A8 in parallel. The reaction gas supply path 31 including a plurality of branch / combining flow paths 31a to 31c connected to the A, and the shutoff valves A9 and A2 disposed in series with respect to each of the intermediate pressure regulator A8 and the high pressure regulator A6. ing. By using a plurality of regulators A6 to A8 having different set pressures, the fuel gas pressure can be regulated over a wide range from high pressure to low pressure according to the power load of the fuel cell 20 even if the dynamic range per regulator is narrow. . In addition, there is an advantage that the larger the number of regulators, the easier it is to make a pressure adjustment range.

制御部60は遮断弁A2,A9を開閉制御することによりレギュレータA6〜A8の作動を切り替えることができる。例えば、遮断弁A2,A9が全て閉弁すると、低圧レギュレータA7のみが作動する。遮断弁A9が開弁し、遮断弁A2が閉弁すると、中圧レギュレータA8のみが作動し、低圧レギュレータA7は自己シール機能により燃料ガスの通過を遮断する。遮断弁A9が閉弁し、遮断弁A2が開弁すると、高圧レギュレータA6のみが作動し、低圧レギュレータA7は自己シール機能により燃料ガスの通過を遮断する。遮断弁A2,A9の設置位置としては、分岐・合流路31a〜31cの分岐点B1よりも下流側であって、且つその合流点B2よりも上流側の範囲内であれば、特に限定されるものではないが、それぞれ中圧レギュレータA8及び高圧レギュレータA6よりも上流側の位置が望ましい。遮断弁A2,A9をレギュレータ上流に設置することで、低流量設計が可能となり、小型化を実現できる。   The controller 60 can switch the operation of the regulators A6 to A8 by controlling the shutoff valves A2 and A9 to open and close. For example, when all the shutoff valves A2 and A9 are closed, only the low pressure regulator A7 operates. When the shutoff valve A9 is opened and the shutoff valve A2 is closed, only the intermediate pressure regulator A8 operates, and the low pressure regulator A7 shuts off the passage of fuel gas by the self-sealing function. When the shutoff valve A9 is closed and the shutoff valve A2 is opened, only the high pressure regulator A6 operates, and the low pressure regulator A7 shuts off the passage of fuel gas by the self-sealing function. The installation positions of the shutoff valves A2 and A9 are particularly limited as long as they are in the downstream side of the branch point B1 of the branch / joint flow paths 31a to 31c and in the upstream side of the join point B2. Although not intended, positions upstream of the intermediate pressure regulator A8 and the high pressure regulator A6 are desirable. By installing the shut-off valves A2 and A9 upstream of the regulator, a low flow rate design can be achieved and downsizing can be realized.

尚、レギュレータをN個(Nは3以上の整数)並列に接続する場合には、最も低圧に設定されたレギュレータを除く(N−1)個のレギュレータの各々に対して遮断弁を直列に(N−1)個設置し、この(N−1)個の遮断弁を開閉制御することで、N個のレギュレータを切り替え制御できる。(N−1)個のレギュレータの開閉制御を行うには、目標圧力よりも高い設定圧力のレギュレータに対応する遮断弁が閉弁していればばよく、目標圧力よりも低い設定圧力のレギュレータに対応する遮断弁は開弁又は閉弁の何れの状態でもよい。   When N regulators are connected in parallel (N is an integer of 3 or more), a cutoff valve is connected in series to each of the (N-1) regulators excluding the regulator set to the lowest pressure ( By installing (N-1) pieces and controlling the opening and closing of these (N-1) shut-off valves, the N regulators can be switched and controlled. (N-1) To perform open / close control of the number of regulators, it is only necessary that the shutoff valve corresponding to the regulator with the set pressure higher than the target pressure is closed, and the regulator with the set pressure lower than the target pressure is supported. The shut-off valve to be operated may be either opened or closed.

[発明の実施形態3]
図9は本発明の第3実施形態に関わる燃料電池システムの調圧部72の構成を示している。本実施形態は第1実施形態の構成において調圧部70を調圧部72に置き換えた構成を備えている。調圧部72は高負荷〜中負荷域において高圧の燃料ガスを供給するために圧力設定された高圧レギュレータA10と、中負荷域〜低負荷域において低圧の燃料ガスを供給するために圧力設定された低圧レギュレータA11と、レギュレータA10,A11を各々並列に接続する複数の分岐・合流路31a,31bを含む反応ガス供給路31を備えて構成されている。高圧レギュレータA10は、例えば、空気式の比例圧力制御弁として構成され、信号圧供給手段80から供給されるエア圧を信号圧として入力し、燃料ガス圧が所定圧力範囲になるように減圧制御する。信号圧供給手段80としては、高圧レギュレータA10にエア等の作動媒体を介して信号圧を供給できるエアコンプレッサが好適である。制御部60は電力負荷に応じて高圧レギュレータA10に供給される信号圧を制御する。具体的には、低負荷〜中負荷の範囲では低圧レギュレータA11のみが作動するように高圧レギュレータA10に高圧エアを供給して閉弁させる。中負荷〜高負荷の範囲では高圧レギュレータA10が作動するように信号圧を調整する。高圧レギュレータA10が作動している状態では低圧レギュレータA11は自己シール機能により燃料ガスの通過を遮断する。本構成によれば、レギュレータを切り替え制御するための遮断弁が不要となるため、システム構成を簡易化できる。
Embodiment 3 of the Invention
FIG. 9 shows the configuration of the pressure adjusting unit 72 of the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. The present embodiment has a configuration in which the pressure adjusting unit 70 is replaced with a pressure adjusting unit 72 in the configuration of the first embodiment. The pressure adjusting unit 72 is pressure-set to supply high-pressure fuel gas in a high-load to medium-load range and to supply low-pressure fuel gas in a medium-load to low-load range. The low-pressure regulator A11 and the reaction gas supply path 31 including a plurality of branching / combining flow paths 31a and 31b that connect the regulators A10 and A11 in parallel, respectively. The high pressure regulator A10 is configured, for example, as a pneumatic proportional pressure control valve, and inputs the air pressure supplied from the signal pressure supply means 80 as a signal pressure and controls the pressure reduction so that the fuel gas pressure falls within a predetermined pressure range. . As the signal pressure supply means 80, an air compressor capable of supplying a signal pressure to the high pressure regulator A10 via a working medium such as air is suitable. The controller 60 controls the signal pressure supplied to the high pressure regulator A10 according to the power load. Specifically, high-pressure air is supplied to the high-pressure regulator A10 so that only the low-pressure regulator A11 operates in the range of low load to medium load. The signal pressure is adjusted so that the high pressure regulator A10 operates in the middle load to high load range. In a state where the high-pressure regulator A10 is operating, the low-pressure regulator A11 blocks the passage of fuel gas by a self-sealing function. According to this configuration, since a shut-off valve for switching and controlling the regulator is not necessary, the system configuration can be simplified.

尚、レギュレータをN個(Nは3以上の整数)並列に接続する場合には、最も低圧に設定されたレギュレータを除く(N−1)個のレギュレータを、例えば、上述した空気式の比例圧力制御弁として構成し、この比例圧力制御弁を開閉制御することで、何れか一つのレギュレータのみが作動するように構成してもよい。   When N regulators are connected in parallel (N is an integer of 3 or more), (N-1) regulators excluding the regulator set to the lowest pressure can be replaced with, for example, the pneumatic proportional pressure described above. It may be configured as a control valve so that only one of the regulators is operated by controlling the opening and closing of the proportional pressure control valve.

第1実施形態に関わる燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment. 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。6 is a flowchart describing a fuel cell operation control routine. 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。6 is a flowchart describing a fuel cell operation control routine. 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。6 is a flowchart describing a fuel cell operation control routine. 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。6 is a flowchart describing a fuel cell operation control routine. 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。6 is a flowchart describing a fuel cell operation control routine. 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。6 is a flowchart describing a fuel cell operation control routine. 第2実施形態に関わる調圧部の構成図である。It is a block diagram of the pressure regulation part in connection with 2nd Embodiment. 第3実施形態に関わる調圧部の構成図である。It is a block diagram of the pressure regulation part in connection with 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池システム 20…燃料電池 31…燃料ガス供給路 31a,31b…分岐・合流路 60…制御部 70…調圧部 A2…遮断弁 A6…高圧レギュレータ A7…低圧レギュレータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system 20 ... Fuel cell 31 ... Fuel gas supply path 31a, 31b ... Branching / joining flow path 60 ... Control part 70 ... Pressure regulation part A2 ... Shut-off valve A6 ... High pressure regulator A7 ... Low pressure regulator

Claims (3)

燃料電池に供給される反応ガスの圧力を調圧するために各々異なる調整圧力に設定された複数のレギュレータと、
前記複数のレギュレータを各々並列に接続する複数の分岐・合流路を含む反応ガス供給路と、
前記複数のレギュレータのうち調整圧力が最も低く設定されたレギュレータを除く単一又は複数のレギュレータの各々に対して、前記分岐・合流路が分岐する分岐点の下流側であって且つ前記分岐・合流路が合流する合流点の上流側において、直列に接続された単一又は複数の遮断弁と、
前記単一又は複数の遮断弁を開閉制御することにより前記燃料電池に供給される反応ガスの供給圧を調圧する制御部と、
を備える、燃料電池システム。
A plurality of regulators each set to a different adjustment pressure to regulate the pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell;
A reaction gas supply path including a plurality of branching / combining flow paths each connecting the plurality of regulators in parallel;
For each of a single regulator or a plurality of regulators excluding the regulator set with the lowest adjustment pressure among the plurality of regulators, the branching / merging channel is downstream of the branching point where the branching / merging channel branches. A single or a plurality of shut-off valves connected in series on the upstream side of the junction where the paths meet;
A controller that regulates the supply pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell by controlling the opening or closing of the single or multiple shutoff valves;
A fuel cell system comprising:
請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記遮断弁は前記レギュレータの上流側に配設されている、燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1,
The fuel cell system, wherein the shut-off valve is disposed upstream of the regulator.
燃料電池に供給される反応ガスの圧力を信号圧に応じて調圧するための複数のレギュレータと、
前記複数のレギュレータを各々並列に接続する複数の分岐・合流路を含む反応ガス供給路と、
前記複数のレギュレータのうち調整圧力が最も低く設定されたレギュレータを除く単一又は複数のレギュレータの各々に信号圧を供給することにより、前記複数のレギュレータの中から何れか一つのレギュレータを作動させて前記燃料電池に供給される反応ガスの供給圧を調圧する信号圧供給手段と、
を備える、燃料電池システム。

A plurality of regulators for regulating the pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell according to the signal pressure;
A reaction gas supply path including a plurality of branching / combining flow paths each connecting the plurality of regulators in parallel;
By supplying a signal pressure to each of a single regulator or a plurality of regulators excluding a regulator set with the lowest adjustment pressure among the plurality of regulators, any one of the regulators is operated. Signal pressure supply means for adjusting the supply pressure of the reaction gas supplied to the fuel cell;
A fuel cell system comprising:

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