JP2005347189A - Fuel cell system - Google Patents

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Hisahiro Yoshida
尚弘 吉田
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which a differential pressure between electrodes can be reduced by an effective utilization of a regulator that introduces pressurized gas as a signal pressure into a pressure regulation room. <P>SOLUTION: This regulator 40 has the pressure regulation room 57 into which more pressurized gas than that of the standard pressure is introduced. The regulator 40 adjusts a secondary side pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell 2 because a degree of opening of a valve body 55 is adjusted in accordance with the secondary side pressure of the fuel gas and the pressure of the pressurized gas which acts on a diaphragm 56, and in accordance with an energizing force of an energizing member 62 that energizes the valve body 55 connected to the diaphragm 56 toward a direction to close the valve. Then, at the standard pressure state which is for instance atmospheric pressure state where the pressure of the pressured gas is not introduced into the pressure regulation room 57, opening characteristics of the valve body 55 are settled so that a region will exist where a gas flow amount becomes zero by closing of the valve body 55 in a gas supply flow area supplying the gas to the fuel cell 2. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料ガスの圧力をレギュレータで調整して燃料電池に供給する燃料電池システムに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell system in which the pressure of fuel gas is adjusted by a regulator and supplied to a fuel cell.

燃料電池車両等に搭載される固体高分子電解質型の燃料電池は、電解質膜の両側にアノード(燃料極)とカソード(空気極)とを備え、アノードに水素ガスに代表される燃料ガスが供給され、カソードに空気に代表される酸化ガスが供給されることで、電気を外部に取り出す。一般に、燃料ガスは、例えば高圧タンクに貯留されており、レギュレータで所定の圧力に調整されてアノードに供給される。一方、酸化ガスは、コンプレッサにより大気中の空気が圧送されることでカソードに供給される。燃料電池では、電解質膜の破損防止等のために、アノード側の燃料ガス圧とカソード側の酸化ガス圧との圧力差(極間差圧)が過大にならないようにする必要がある。   A solid polymer electrolyte fuel cell mounted on a fuel cell vehicle has an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode) on both sides of the electrolyte membrane, and a fuel gas typified by hydrogen gas is supplied to the anode. In addition, electricity is taken out by supplying an oxidizing gas typified by air to the cathode. In general, the fuel gas is stored in, for example, a high-pressure tank, adjusted to a predetermined pressure by a regulator, and supplied to the anode. On the other hand, the oxidizing gas is supplied to the cathode when air in the atmosphere is pumped by the compressor. In the fuel cell, in order to prevent damage to the electrolyte membrane, it is necessary to prevent the pressure difference between the anode-side fuel gas pressure and the cathode-side oxidizing gas pressure from being excessive.

図4の曲線L1は、燃料ガスの流量に対するレギュレータの流量特性を示している。レギュレータの2次側圧力(すなわち、アノード側の燃料ガス圧)は、流量増加に伴い僅かに降下する傾向があるが、供給流量域の全範囲では大気圧Pよりも高い正圧に設定される。曲線L2は、酸化ガスの流量に対するコンプレッサの吐出特性を示しており、コンプレッサの吐出圧力(すなわち、カソード側の酸化ガス圧)は、流量増加に伴い徐々に上昇する。   A curve L1 in FIG. 4 shows the flow rate characteristic of the regulator with respect to the flow rate of the fuel gas. The secondary pressure of the regulator (that is, the fuel gas pressure on the anode side) tends to drop slightly as the flow rate increases, but is set to a positive pressure higher than the atmospheric pressure P over the entire supply flow rate range. . A curve L2 indicates the discharge characteristic of the compressor with respect to the flow rate of the oxidizing gas, and the discharge pressure of the compressor (that is, the oxidizing gas pressure on the cathode side) gradually increases as the flow rate increases.

図4からも明らかなように、極間差圧は、燃料電池の負荷(燃料ガスや酸化ガスの燃料電池への供給流量)に応じて変動する。一般に燃料電池は、低負荷のときの使用頻度が高いが、図4に示すように、この低負荷のときに極間差圧が大きくなり、電解質膜の破損等を促進しやすい。この問題を単純に捉え、低負荷での極間差圧を下げるべく、レギュレータの流量特性を全体的にさらに低く設定することも考えられる。   As is clear from FIG. 4, the inter-electrode differential pressure varies according to the load of the fuel cell (the flow rate of fuel gas or oxidizing gas supplied to the fuel cell). In general, a fuel cell is frequently used at a low load. However, as shown in FIG. 4, the inter-electrode differential pressure increases at the low load, and it is easy to promote breakage of the electrolyte membrane. It is conceivable to set the flow rate characteristics of the regulator as a whole lower in order to simply grasp this problem and reduce the pressure difference between the electrodes at a low load.

しかし、例えば燃料電池から排出された燃料オフガスをポンプにより再び燃料電池に循環供給する燃料電池システムでは、ポンプの回転数あたりの流量が低下するため、結局は流量確保のためにポンプの回転数を上げる必要が生じ、効率を悪化させてしまう。また、燃料電池の高負荷のときには、燃料ガスの流量が不足するおそれがある。   However, for example, in a fuel cell system in which the fuel off-gas discharged from the fuel cell is circulated again to the fuel cell by the pump, the flow rate per pump rotation speed decreases. It becomes necessary to raise, and efficiency is deteriorated. Further, when the fuel cell is under a high load, the flow rate of the fuel gas may be insufficient.

そこで、低負荷での極間差圧を小さくし且つ高負荷での燃料ガスの流量を確保するために、コンプレッサの吐出圧力を利用してレギュレータを作動させることが考えられる(例えば、特許文献1参照。)。具体的には、レギュレータの調圧室に、大気圧でなく、コンプレッサの吐出圧力である酸化ガス圧をダイレクトに導入し、これにより実質的に酸化ガス圧と燃料ガス圧との差圧(極間差圧)に基づいてレギュレータを作動させる。
特開2003−68334号公報(第4頁および第1図)
Therefore, in order to reduce the inter-electrode differential pressure at a low load and ensure the flow rate of fuel gas at a high load, it is conceivable to operate a regulator using the discharge pressure of the compressor (for example, Patent Document 1). reference.). Specifically, not the atmospheric pressure but the oxidizing gas pressure, which is the discharge pressure of the compressor, is directly introduced into the regulator's pressure adjustment chamber, so that the pressure difference between the oxidizing gas pressure and the fuel gas pressure (extremely) Actuate the regulator based on the differential pressure.
JP 2003-68334 A (page 4 and FIG. 1)

図4の曲線L3は、曲線L2の吐出特性を有するコンプレッサの吐出圧力を、曲線L1の流量特性を有するレギュレータの調圧室に導入したときのレギュレータの合成流量特性を示している。曲線L3に示すように、大気圧のもとで適切に作動するように設定されたレギュレータの調圧室に、コンプレッサの吐出圧力を単純に導入した場合、レギュレータにより最終的に調整される2次側の燃料ガス圧は非常に高くなり、却って極間差圧を大きくしてしまう。   A curve L3 in FIG. 4 shows a combined flow rate characteristic of the regulator when the discharge pressure of the compressor having the discharge characteristic of the curve L2 is introduced into the pressure regulating chamber of the regulator having the flow rate characteristic of the curve L1. As shown by the curve L3, when the discharge pressure of the compressor is simply introduced into the pressure regulating chamber of the regulator that is set to operate properly under atmospheric pressure, the secondary that is finally adjusted by the regulator. The fuel gas pressure on the side becomes very high, and on the contrary, the pressure difference between the electrodes is increased.

本発明は、レギュレータの流量特性に着目してなされたものであり、レギュレータを有効に活用して、極間差圧を適切に低減することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。   The present invention has been made paying attention to the flow rate characteristics of a regulator, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of appropriately reducing the inter-electrode differential pressure by effectively utilizing the regulator. .

本発明の燃料電池システムは、弁体が連結されたダイヤフラムによってハウジングの内部空間が仕切られ、一方の空間は燃料電池に供給される燃料ガスが1次側から2次側へと流通可能に構成され且つ他方の空間は基準圧より加圧されたガスが導入される調圧室として構成されたレギュレータを備え、レギュレータは、ダイヤフラムに作用する燃料ガスの2次側圧力および加圧されたガスの圧力と、弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材の付勢力とに応じて弁体の開度が調整されることにより、燃料電池に供給される燃料ガスの2次側圧力を調整可能に構成され、レギュレータは、調圧室が基準圧状態で、燃料電池への燃料ガスの供給流量域に弁体が閉じて流量ゼロとなる領域が存在するように、弁体の開弁特性が設定されているものである。   The fuel cell system of the present invention is configured such that the inner space of the housing is partitioned by a diaphragm to which a valve body is connected, and the fuel gas supplied to the fuel cell can flow from the primary side to the secondary side. And the other space is provided with a regulator configured as a pressure regulating chamber into which a gas pressurized from a reference pressure is introduced. The regulator includes a secondary pressure of fuel gas acting on the diaphragm and a pressure of the pressurized gas. The secondary pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell is adjusted by adjusting the opening of the valve body according to the pressure and the biasing force of the biasing member that biases the valve body in the valve closing direction. The regulator has a valve opening characteristic of the valve body so that there is a region in which the flow rate of the fuel gas is supplied to the fuel cell and the flow rate of the fuel gas is closed and the flow rate is zero. Is set.

この構成によれば、調圧室が非加圧の基準圧状態の場合のレギュレータは、供給流量域に2次側への燃料ガスの流れを遮断する流量ゼロの領域を有するが、実際に調圧室に基準圧より加圧されたガスの圧力を導入されることによって、2次側への燃料ガスの流れを許容し且つ燃料ガスの2次側圧力を調整する。この調整は、ダイヤフラムに作用する燃料ガスの2次側圧力および調圧室内の加圧されたガスの圧力と、付勢部材の付勢力とのバランスによって、ダイヤフラムに連結した弁体の開度が機械的に調整されることによりなされる。
このように、調圧室の基準圧状態で供給流量域の全範囲において燃料ガスが流通可能な設定とするのではなく、基準圧状態では燃料ガスの供給流量域に流量ゼロとなる領域が存在するように弁体の開弁特性を設定することで、調圧室に基準圧よりも加圧されたガスの圧力を導入することで上昇設定される燃料ガスの2次側圧力の上昇幅を小さくすることができる。すなわち、基準圧状態では使用困難となる範囲にレギュレータの流量特性を敢えて設定することで、上述したレギュレータの合成流量特性での2次側圧力の上昇が好適に抑制される。
ここで、「加圧されたガス」は、燃料電池の酸化ガス供給系に設けられる例えばコンプレッサで加圧された酸化ガスであってもよいし、別の加圧源(エアポンプ)で加圧されたエアであってもよい。前者の酸化ガスを利用すると極間差圧を好適に抑制することができる。
また、「基準圧」は例えば大気圧である。「基準圧状態」で供給流量域の一部にのみ流量ゼロとなる領域を設定した場合には、レギュレータの流量特性上、供給流量域が小流量域では燃料ガスの流れが許容されることになる。つまり、このように設定することで、加圧されたガスが上記の酸化ガスである場合には酸化ガスが調圧室に迅速に導入され難い燃料電池システムの始動時であっても、レギュレータは燃料ガスの2次側への流れを許容するため、燃料電池システムの始動性を高めることが可能となる。
According to this configuration, the regulator in the case where the pressure regulating chamber is in the non-pressurized reference pressure state has the zero flow rate region that blocks the flow of the fuel gas to the secondary side in the supply flow rate region. By introducing the pressure of the gas pressurized from the reference pressure into the pressure chamber, the flow of the fuel gas to the secondary side is allowed and the secondary pressure of the fuel gas is adjusted. In this adjustment, the degree of opening of the valve body connected to the diaphragm depends on the balance between the secondary pressure of the fuel gas acting on the diaphragm and the pressure of the pressurized gas in the pressure adjusting chamber and the biasing force of the biasing member. This is done by mechanical adjustment.
In this way, there is a region where the flow rate is zero in the fuel gas supply flow rate region in the reference pressure state, instead of setting the fuel gas to flow in the entire range of the supply flow rate region in the reference pressure state of the pressure regulating chamber. By setting the valve opening characteristics of the valve body so that the pressure of the gas pressurized higher than the reference pressure is introduced into the pressure regulating chamber, the increase range of the secondary pressure of the fuel gas set to be increased Can be small. That is, by setting the flow rate characteristic of the regulator within a range where it is difficult to use in the reference pressure state, the increase in the secondary pressure in the above-described combined flow rate characteristic of the regulator is suitably suppressed.
Here, the “pressurized gas” may be, for example, an oxidant gas pressurized by a compressor provided in an oxidant gas supply system of the fuel cell, or may be pressurized by another pressure source (air pump). Air may be used. When the former oxidizing gas is used, the differential pressure between the electrodes can be suitably suppressed.
The “reference pressure” is, for example, atmospheric pressure. When a region where the flow rate is zero is set only in a part of the supply flow rate region in the “reference pressure state”, the flow characteristics of the regulator permit the fuel gas flow when the supply flow rate region is small. Become. That is, by setting in this way, when the pressurized gas is the above-described oxidizing gas, the regulator can be used even at the start of the fuel cell system in which the oxidizing gas is difficult to be quickly introduced into the pressure adjusting chamber. Since the flow of the fuel gas to the secondary side is allowed, the startability of the fuel cell system can be improved.

この場合、流量ゼロとなる領域に移行するポイントが、供給流量域のうち最大の供給流量の少なくとも半分以下の流量域に存在することが、好ましい。   In this case, it is preferable that the point of transition to a region where the flow rate becomes zero exists in a flow rate region that is at least half of the maximum supply flow rate in the supply flow rate region.

この構成によれば、一般にレギュレータは1次側圧力が変化すると2次側圧力も変化する圧力特性(ヒステリシス)を有するが、上記のようにレギュレータを設定することで、燃料ガスの供給流量等に応じて変化し得る1次側圧力に適切に対応することができる。   According to this configuration, the regulator generally has a pressure characteristic (hysteresis) that changes the secondary side pressure when the primary side pressure changes. However, by setting the regulator as described above, the supply flow rate of the fuel gas can be increased. Accordingly, it is possible to appropriately cope with the primary pressure that can change accordingly.

本発明の他の燃料電池システムは、弁体が連結されたダイヤフラムによってハウジングの内部空間が仕切られ、一方の空間は燃料電池に供給される燃料ガスが1次側から2次側へと流通可能に構成され且つ他方の空間は基準圧より加圧されたガスが導入される調圧室として構成されたレギュレータを備え、レギュレータは、ダイヤフラムに作用する燃料ガスの2次側圧力および加圧されたガスの圧力と、弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材の付勢力とに応じて弁体の開度が調整されることにより、燃料電池に供給される燃料ガスの2次側圧力を調整可能に構成され、レギュレータは、燃料ガスの流量増加に伴い燃料ガスの2次側圧力が大きくなるように、弁体の開弁特性が設定されているものである。   In another fuel cell system of the present invention, the inner space of the housing is partitioned by a diaphragm to which a valve body is connected, and in one space, the fuel gas supplied to the fuel cell can flow from the primary side to the secondary side And the other space is provided with a regulator configured as a pressure regulating chamber into which a gas pressurized from a reference pressure is introduced. The regulator is pressurized with the secondary pressure of the fuel gas acting on the diaphragm. The secondary pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell is adjusted by adjusting the opening of the valve body according to the pressure of the gas and the biasing force of the biasing member that biases the valve body in the valve closing direction. In the regulator, the valve opening characteristic of the valve body is set so that the secondary pressure of the fuel gas increases as the flow rate of the fuel gas increases.

この構成によれば、調圧室に基準圧より加圧されたガスが導入されると、ダイヤフラムに作用する燃料ガスの2次側圧力および調圧室内の加圧ガスの圧力と、付勢部材の付勢力とのバランスによって、ダイヤフラムに連結した弁体の開度が機械的に調整され、燃料ガスの2次側圧力が調整される。このとき、燃料ガスの流量増加に伴い燃料ガスの2次側圧力が大きくなるように弁体の開弁特性を設定しているため、流量増加に伴う燃料電池におけるアノード側の燃料ガス圧の変化を、流量増加に伴うカソード側の酸化ガス圧の変化に対応させることができる。これにより、供給流量域の広い範囲に亘って極間差圧を適切に低減することが可能となる。
ここで、上記同様に、「加圧されたガス」は、燃料電池に供給される酸化ガス等で構成することができ、「基準圧」は、例えば大気圧である。
According to this configuration, when the gas pressurized from the reference pressure is introduced into the pressure regulating chamber, the secondary pressure of the fuel gas acting on the diaphragm, the pressure of the pressurized gas in the pressure regulating chamber, and the urging member The opening degree of the valve body connected to the diaphragm is mechanically adjusted by the balance with the urging force, and the secondary pressure of the fuel gas is adjusted. At this time, since the valve opening characteristic of the valve body is set so that the secondary pressure of the fuel gas increases as the flow rate of the fuel gas increases, the change in the fuel gas pressure on the anode side in the fuel cell with the increase in the flow rate Can correspond to a change in the oxidizing gas pressure on the cathode side as the flow rate increases. Thereby, it is possible to appropriately reduce the inter-electrode differential pressure over a wide range of the supply flow rate region.
Here, as described above, the “pressurized gas” can be composed of an oxidizing gas or the like supplied to the fuel cell, and the “reference pressure” is, for example, atmospheric pressure.

これらの場合、弁体の開弁特性を設定する設定要素には、付勢部材の性状が含まれることが、好ましい。   In these cases, it is preferable that the setting element for setting the valve opening characteristic of the valve body includes the property of the urging member.

この構成によれば、例えば付勢部材のばね定数などの性状を所定に設定することで、弁体の開弁特性を上記のように設定することができる。   According to this configuration, for example, the valve opening characteristic of the valve element can be set as described above by setting a property such as a spring constant of the biasing member to a predetermined value.

これらの場合、弁体の開弁特性を設定する設定要素には、ダイヤフラムの性状が含まれることが、好ましい。   In these cases, it is preferable that the setting element for setting the valve opening characteristic of the valve body includes the properties of the diaphragm.

この構成によれば、例えばダイヤフラムの受圧面積などの性状を所定に設定することで、弁体の開弁特性を上記のように設定することができる。   According to this configuration, for example, the valve opening characteristic of the valve body can be set as described above by setting the properties such as the pressure receiving area of the diaphragm to a predetermined value.

これらの場合、調圧室の上流側には、調圧室に導入される加圧されたガスの圧力を調圧する調圧弁が設けられていることが、好ましい。   In these cases, it is preferable that a pressure regulating valve for regulating the pressure of the pressurized gas introduced into the pressure regulating chamber is provided on the upstream side of the pressure regulating chamber.

この構成によれば、調圧弁によって調圧された加圧ガスが調圧室に導入されるため、合成流量特性を好適に低減し得る。   According to this configuration, since the pressurized gas regulated by the pressure regulating valve is introduced into the pressure regulating chamber, the composite flow rate characteristic can be suitably reduced.

これらの場合、調圧室の上流側には、調圧室に導入される加圧されたガスを一時的に貯留するアキュムレータが設けられていることが、好ましい。   In these cases, it is preferable that an accumulator for temporarily storing the pressurized gas introduced into the pressure regulating chamber is provided on the upstream side of the pressure regulating chamber.

この構成によれば、アキュムレータによって加圧ガスの圧力が安定されるため、調圧室に作用する加圧ガスの急激な圧力変動を生じ難くすることができる。   According to this configuration, since the pressure of the pressurized gas is stabilized by the accumulator, it is possible to make it difficult for a sudden pressure fluctuation of the pressurized gas acting on the pressure adjusting chamber to occur.

本発明の燃料電池システムによれば、流量特性を所定に設定したレギュレータによって極間差圧が適切に低減されるため、燃料電池の電解質膜等の破損を適切に抑制することができ、燃料電池はもとよりシステム全体の信頼性を高めることができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the pressure difference between the electrodes is appropriately reduced by the regulator having a predetermined flow rate characteristic, so that damage to the electrolyte membrane or the like of the fuel cell can be appropriately suppressed. In addition, the reliability of the entire system can be improved.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、レギュレータの調圧室に加圧されたガスの圧力を信号圧として導入して、レギュレータにより圧力調整した燃料ガスを燃料電池に供給するものであるが、この場合にレギュレータの流量特性を所定に設定することにより燃料電池における極間差圧を適切に低減するものである。以下では、燃料電池システムを搭載した機器として代表される燃料電池車両に好適な燃料電池として、固体高分子電解質型の燃料電池を例に説明する。   Hereinafter, a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this fuel cell system, the pressure of the gas pressurized into the pressure regulating chamber of the regulator is introduced as a signal pressure, and the fuel gas whose pressure is adjusted by the regulator is supplied to the fuel cell. By setting the flow rate characteristic to a predetermined value, the inter-electrode differential pressure in the fuel cell is appropriately reduced. Hereinafter, a solid polymer electrolyte type fuel cell will be described as an example of a fuel cell suitable for a fuel cell vehicle represented by a device equipped with a fuel cell system.

図1に示すように、燃料電池システム1は、酸化ガスとしての酸素ガス(空気)および燃料ガスとしての水素ガスの供給を受けて電力を発生する固体高分子電解質型の燃料電池2と、燃料電池2に酸素ガスを供給する酸素ガス供給系3と、燃料電池2に水素ガスを供給する水素ガス供給系4と、これら各供給系の構成部品などシステム全体を統括制御する制御装置(ECU)と、を備えている。燃料電池2は、基本単位となる単セルを多数積層したスタック構造として構成されている。単セルは、いずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極(アノードおよびカソード)と、で構成されている。   As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a solid polymer electrolyte type fuel cell 2 that generates electric power upon receiving supply of oxygen gas (air) as an oxidizing gas and hydrogen gas as a fuel gas, An oxygen gas supply system 3 that supplies oxygen gas to the battery 2, a hydrogen gas supply system 4 that supplies hydrogen gas to the fuel cell 2, and a control device (ECU) that controls the entire system including components of each of these supply systems And. The fuel cell 2 is configured as a stack structure in which a large number of single cells serving as basic units are stacked. Although not shown in the figure, each single cell is composed of an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane and a pair of electrodes (anode and cathode) sandwiching the electrolyte membrane from both sides.

カソードには、酸素ガス供給系3により所定の圧力の酸素ガスが供給され、アノードには、水素ガス供給系4により所定の圧力の水素ガスが供給される。後述するように、カソード側の酸素ガスの圧力とアノード側の水素ガスの圧力との圧力差(極間差圧)は、燃料電池2の負荷(発電量)に関らず過大とならないように低く設定されている。燃料電池2では、酸素ガスと水素ガスとの電気化学反応により発電が行われ、燃料電池2による発電を利用して、燃料電池システム1を搭載した燃料電池車両は走行する。   Oxygen gas having a predetermined pressure is supplied to the cathode by an oxygen gas supply system 3, and hydrogen gas having a predetermined pressure is supplied to the anode by a hydrogen gas supply system 4. As will be described later, the pressure difference between the pressure of the oxygen gas on the cathode side and the pressure of the hydrogen gas on the anode side (differential pressure difference) should not be excessive regardless of the load (power generation amount) of the fuel cell 2. It is set low. In the fuel cell 2, power is generated by an electrochemical reaction between oxygen gas and hydrogen gas, and a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system 1 travels using the power generated by the fuel cell 2.

酸素ガス供給系3は、酸素ガスを燃料電池2に供給するための供給流路11と、燃料電池2から排出された酸素オフガスを外部に排出するための排出流路12と、酸素ガスの圧力を後述するレギュレータ40に導く圧力調整系13と、を備えている。供給流路11には、フィルタ15を介して大気中の酸素ガスを取り込むコンプレッサ16と、コンプレッサ16の下流側に設けられ、コンプレッサ16により圧送される酸素ガスを加湿する加湿器17と、が配設されている。   The oxygen gas supply system 3 includes a supply flow channel 11 for supplying oxygen gas to the fuel cell 2, a discharge flow channel 12 for discharging oxygen off-gas discharged from the fuel cell 2 to the outside, and the pressure of the oxygen gas. And a pressure adjusting system 13 that guides to a regulator 40 described later. The supply flow path 11 includes a compressor 16 that takes in oxygen gas in the atmosphere via a filter 15, and a humidifier 17 that is provided on the downstream side of the compressor 16 and humidifies oxygen gas pumped by the compressor 16. It is installed.

加湿器17は、排出流路12上にも配設されており、浄化済みの酸素ガスと酸素オフガスとの間で水分交換を行う。加湿器17と燃料電池2との間の排出流路12には、酸素オフガスの流量を調整することにより燃料電池2内の酸素ガスの圧力を調整する背圧調整弁18が配設されている。背圧調整弁18の開度は、燃料電池2の負荷に応じて制御装置により調整される。   The humidifier 17 is also disposed on the discharge channel 12 and exchanges moisture between the purified oxygen gas and the oxygen off gas. A back pressure adjusting valve 18 that adjusts the pressure of oxygen gas in the fuel cell 2 by adjusting the flow rate of oxygen off-gas is disposed in the discharge flow path 12 between the humidifier 17 and the fuel cell 2. . The opening degree of the back pressure adjusting valve 18 is adjusted by the control device in accordance with the load of the fuel cell 2.

コンプレッサ16は、制御装置に接続されたモータを有しており、燃料電池2の負荷に応じてモータの回転数が制御される。例えば、燃料電池2が燃料電池車両の始動時等の低負荷から加速時等の高負荷に移行すると、コンプレッサ16は、モータの回転数が上がり燃料電池2への酸素ガスの供給量を増加させる。このとき、図3にて酸素ガスの流量に対するコンプレッサ16の吐出特性曲線L2に示すように、コンプレッサ16の吐出圧力(燃料電池2の酸素ガスの入口圧力)は、酸素ガスの流量の増加に伴い徐々に上昇する。   The compressor 16 has a motor connected to the control device, and the rotational speed of the motor is controlled according to the load of the fuel cell 2. For example, when the fuel cell 2 shifts from a low load at the time of starting the fuel cell vehicle to a high load at the time of acceleration, the compressor 16 increases the rotation speed of the motor and increases the amount of oxygen gas supplied to the fuel cell 2. . At this time, as shown in the discharge characteristic curve L2 of the compressor 16 with respect to the flow rate of oxygen gas in FIG. 3, the discharge pressure of the compressor 16 (oxygen gas inlet pressure of the fuel cell 2) increases with the increase in the flow rate of oxygen gas. Rise gradually.

圧力調整系13は、加湿器17の上流側にて供給流路11に分岐接続された分岐流路21を有し、分岐流路21は、コンプレッサ16によって圧送される酸素ガスをレギュレータ40および希釈器36に導く。分岐流路21が加湿器17の上流側の供給流路11から分岐されているため、加湿器17の下流側にて分岐される場合に比べて、レギュレータ40の腐食が好適に抑制される。分岐流路21には、酸素ガスの圧力を調圧する上流側制御弁22と、上流側制御弁22の下流側に設けられ、酸素ガスを一時的に貯留するアキュムレータ23(バッファタンク)と、アキュムレータ23の下流側に設けられ、酸素ガスの圧力を調圧する下流側制御弁24と、が配設されている。   The pressure adjustment system 13 has a branch channel 21 branched and connected to the supply channel 11 on the upstream side of the humidifier 17, and the branch channel 21 dilutes the oxygen gas pumped by the compressor 16 and the regulator 40. Guide to vessel 36. Since the branch flow path 21 is branched from the supply flow path 11 on the upstream side of the humidifier 17, the corrosion of the regulator 40 is preferably suppressed as compared with the case where the branch flow path 21 is branched on the downstream side of the humidifier 17. The branch channel 21 is provided with an upstream control valve 22 that regulates the pressure of oxygen gas, an accumulator 23 (buffer tank) that is provided downstream of the upstream control valve 22 and temporarily stores oxygen gas, and an accumulator. And a downstream side control valve 24 that regulates the pressure of oxygen gas.

アキュムレータ23は、上流側制御弁22で調圧された酸素ガスの圧力を安定させる。アキュムレータ23に貯留された酸素ガスの圧力は、大気圧よりも高い圧力になっている。上流側制御弁22および下流側制御弁24は、弁の開度を制御される調圧弁からなり、例えば機械式のレギュレータで構成されている。アキュムレータ23と下流側制御弁24との間の分岐流路21には、アキュムレータ23で安定化された酸素ガスの圧力を信号圧としてレギュレータ40に導入するための圧導入流路25が分岐接続されている。後述するように、レギュレータ40は、この酸素ガスの圧力などに基づいて、燃料電池2に供給する水素ガスの圧力を調整する。   The accumulator 23 stabilizes the pressure of the oxygen gas regulated by the upstream control valve 22. The pressure of the oxygen gas stored in the accumulator 23 is higher than atmospheric pressure. The upstream side control valve 22 and the downstream side control valve 24 are pressure control valves that control the opening degree of the valve, and are configured by, for example, a mechanical regulator. A branch passage 21 between the accumulator 23 and the downstream control valve 24 is branched to a pressure introduction passage 25 for introducing the pressure of oxygen gas stabilized by the accumulator 23 into the regulator 40 as a signal pressure. ing. As will be described later, the regulator 40 adjusts the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 based on the pressure of the oxygen gas and the like.

水素ガス供給系4は、高圧の水素ガスを貯蔵した高圧タンクなどの水素供給源31と、水素供給源31の水素ガスを燃料電池2に供給する供給流路32と、燃料電池2から排出された水素オフガス(未反応の水素ガス)を供給流路32に戻すための循環流路33と、循環流路33の水素オフガスを供給流路32に還流させる水素ポンプ34と、水素ポンプ34の下流側の循環流路33に設けられ、水素オフガスの逆流を阻止する逆止め弁35と、循環流路33に分岐配管され、水素オフガス中の不純物を水素オフガスとともに希釈器36に導く排出流路37と、を有している。   The hydrogen gas supply system 4 is discharged from the fuel cell 2, a hydrogen supply source 31 such as a high-pressure tank that stores high-pressure hydrogen gas, a supply channel 32 that supplies the hydrogen gas from the hydrogen supply source 31 to the fuel cell 2, and the hydrogen cell. A circulating flow path 33 for returning the hydrogen off gas (unreacted hydrogen gas) to the supply flow path 32, a hydrogen pump 34 for returning the hydrogen off gas in the circulation flow path 33 to the supply flow path 32, and a downstream of the hydrogen pump 34. Provided in the circulation path 33 on the side, a check valve 35 for preventing the back flow of the hydrogen off gas, and a discharge pipe 37 branched to the circulation path 33 to guide impurities in the hydrogen off gas to the diluter 36 together with the hydrogen off gas. And have.

水素ポンプ34は、燃料電池2の負荷に応じて制御装置により駆動制御される。循環流路33は、供給流路32の合流点Aに接続されており、合流点Aで合流した新たな水素ガスと水素オフガスとからなる混合ガスが燃料電池2に供給される。排出流路37には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁38が設けられている。制御装置により開閉制御されるパージ弁38が燃料電池システム1の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガスが排出流路37を通って希釈器36に導かれる。希釈器36では、この水素オフガスの濃度を分岐流路21からの酸素ガスを用いて低減する。希釈器36で処理された排ガスは、排気路39を通って最終的に排出流路12の酸素オフガスと合流してシステム外の大気中に排気される。   The hydrogen pump 34 is driven and controlled by a control device according to the load of the fuel cell 2. The circulation channel 33 is connected to the junction A of the supply channel 32, and a mixed gas composed of new hydrogen gas and hydrogen off-gas that merged at the junction A is supplied to the fuel cell 2. The discharge flow path 37 is provided with a purge valve 38 that functions as a shut valve that opens and closes the discharge flow path 37. The purge valve 38 that is controlled to be opened and closed by the control device is appropriately opened when the fuel cell system 1 is operating, so that the hydrogen off-gas is led to the diluter 36 through the discharge passage 37. In the diluter 36, the concentration of this hydrogen off gas is reduced using the oxygen gas from the branch flow path 21. The exhaust gas treated by the diluter 36 is finally exhausted into the atmosphere outside the system through the exhaust passage 39 and finally joined with the oxygen off-gas in the exhaust passage 12.

供給流路32の合流点Aの上流側には、燃料電池2に供給される水素ガスの圧力を調整する上記のレギュレータ40が配設されている。図示省略したが、供給流路32のレギュレータ40の上流側には、水素供給源31からの水素ガスの圧力を減圧する複数のレギュレータのほか、シャットバルブや各種の圧力センサが配設されている。すなわち、本実施形態は、複数のレギュレータで減圧された水素ガスが図中のレギュレータ40に流入し、レギュレータ40を通過した水素ガスが水素オフガスと合流して燃料電池2に供給されるものであり、レギュレータ40によって燃料電池2の水素ガスの入口圧力が調整される。   The regulator 40 for adjusting the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 is disposed on the upstream side of the confluence point A of the supply flow path 32. Although not shown, on the upstream side of the regulator 40 in the supply flow path 32, a shut valve and various pressure sensors are disposed in addition to a plurality of regulators for reducing the pressure of the hydrogen gas from the hydrogen supply source 31. . That is, in the present embodiment, hydrogen gas decompressed by a plurality of regulators flows into the regulator 40 in the figure, and the hydrogen gas that has passed through the regulator 40 merges with the hydrogen off-gas and is supplied to the fuel cell 2. The inlet pressure of the hydrogen gas of the fuel cell 2 is adjusted by the regulator 40.

レギュレータ40は、例えば図2に示すようなポペット型で構成することができる。図2に示すように、レギュレータ40は、その外殻をハウジング51により構成され、ハウジング51には、水素ガスの供給流路32に接続された1次側の流入口52および2次側の流出口53と、酸素ガスの圧導入流路25に接続された導入口54と、が形成されている。   For example, the regulator 40 may be configured as a poppet type as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the regulator 40 has an outer shell constituted by a housing 51, and the housing 51 includes a primary-side inlet 52 connected to a hydrogen gas supply channel 32 and a secondary-side flow. An outlet 53 and an inlet 54 connected to the oxygen gas pressure introducing passage 25 are formed.

ハウジング51の内部空間は、弁体55が連結されたダイヤフラム56によって上下に仕切られており、これらよりも上側の空間は水素ガスが1次側から2次側へと流通可能な流路として構成され、下側の空間は酸素ガスが導入口54から導入される調圧室57として構成されている。弁体55およびダイヤフラム56の上面には、水素ガスの2次側圧力が作用し、弁体55およびダイヤフラム56の下面には、調圧室57に導入された酸素ガスの圧力が作用する。レギュレータ40は、圧力調整系13の酸素ガスを調圧室57に導入することにより、2次側圧力である燃料電池2の水素ガスの入口圧力を調整する。   The internal space of the housing 51 is partitioned up and down by a diaphragm 56 to which a valve body 55 is connected, and the space above these is configured as a flow path through which hydrogen gas can flow from the primary side to the secondary side. The lower space is configured as a pressure regulating chamber 57 into which oxygen gas is introduced from the introduction port 54. A secondary pressure of hydrogen gas acts on the upper surfaces of the valve body 55 and the diaphragm 56, and a pressure of oxygen gas introduced into the pressure regulating chamber 57 acts on the lower surfaces of the valve body 55 and the diaphragm 56. The regulator 40 adjusts the inlet pressure of the hydrogen gas of the fuel cell 2 that is the secondary side pressure by introducing the oxygen gas of the pressure adjusting system 13 into the pressure regulating chamber 57.

調圧室57には、弁体55を開弁方向(上方向)に付勢する調圧スプリング58が配設されている。調圧スプリング58は、そのバネ定数などの性状が所定に設定されている。弁体55には、ステム59を介してポペット60が設けられており、ポペット60の側面はハウジング51に設けた弁座61に離接可能に構成されている。ポペット60が弁座61から離間する弁体55が開いた状態では、1次側と2次側との間の流路は連通して、2次側への水素ガスの流れが許容される。一方、ポペット60が弁座61に当接する弁体55が閉じた状態では、1次側と2次側との間の流路は遮断され、2次側への水素ガスの流れが遮断される。   A pressure adjusting spring 58 that urges the valve body 55 in the valve opening direction (upward) is disposed in the pressure adjusting chamber 57. The pressure adjusting spring 58 has a predetermined property such as a spring constant. The valve body 55 is provided with a poppet 60 through a stem 59, and the side surface of the poppet 60 is configured to be detachable from a valve seat 61 provided in the housing 51. In a state where the valve body 55 in which the poppet 60 is separated from the valve seat 61 is opened, the flow path between the primary side and the secondary side is in communication and the flow of hydrogen gas to the secondary side is allowed. On the other hand, in a state where the valve element 55 in which the poppet 60 contacts the valve seat 61 is closed, the flow path between the primary side and the secondary side is blocked, and the flow of hydrogen gas to the secondary side is blocked. .

ポペット60の上面とハウジング51との間には、ポペット60を介して弁体55を閉弁方向(下方向)に付勢する調圧バネ62(付勢部材)が配設されている。調圧バネ62は、調圧スプリング58およびステム59と同軸に配設され、調圧スプリング58と同様にバネ定数などの性状が所定に設定されている。このような構成により、レギュレータ40は、弁体55およびダイヤフラム56に作用する酸素ガスの圧力および水素ガスの2次側圧力と、調圧スプリング58および調圧バネ62の付勢力とに応じて、弁体55の開度(ポペット60の位置)が調整されることにより、水素ガスの2次側圧力を調整する。   Between the upper surface of the poppet 60 and the housing 51, a pressure regulating spring 62 (biasing member) that biases the valve body 55 in the valve closing direction (downward) via the poppet 60 is disposed. The pressure adjusting spring 62 is disposed coaxially with the pressure adjusting spring 58 and the stem 59, and the properties such as the spring constant are set to a predetermined value like the pressure adjusting spring 58. With such a configuration, the regulator 40 is responsive to the pressure of the oxygen gas and the secondary pressure of the hydrogen gas acting on the valve body 55 and the diaphragm 56 and the biasing force of the pressure regulating spring 58 and the pressure regulating spring 62. The secondary pressure of the hydrogen gas is adjusted by adjusting the opening degree of the valve body 55 (position of the poppet 60).

上記したように、レギュレータ40の調圧室57は、基準圧となる大気圧よりも高い加圧された酸素ガスの圧力を導入されるものであるが、この酸素ガスが導入されない大気圧状態(基準圧状態)では、弁体55の開弁特性が、次の規定を満たすように設定されている。すなわち、本実施形態のレギュレータ40は、調圧室57が大気圧状態では、燃料電池2への水素ガスの供給流量域に弁体55が閉じて流量ゼロとなる領域が存在するように、弁体55の開弁特性が設定される。   As described above, the pressure regulating chamber 57 of the regulator 40 is supplied with a pressurized oxygen gas pressure higher than the atmospheric pressure serving as the reference pressure, but is in an atmospheric pressure state where this oxygen gas is not introduced ( In the reference pressure state), the valve opening characteristic of the valve body 55 is set so as to satisfy the following regulations. That is, the regulator 40 of the present embodiment is configured such that when the pressure regulating chamber 57 is in the atmospheric pressure state, there is a region where the valve body 55 is closed and the flow rate becomes zero in the hydrogen gas supply flow rate region to the fuel cell 2. The valve opening characteristic of the body 55 is set.

この点について、レギュレータ40の開弁特性(すなわち流量に対する2次側圧力特性)を主として示す図3および図4を参照して詳述するが、弁体55の開弁特性を設定する要素には、例えば、弁体55やダイヤフラム56の受圧面積、形状、剛性などの材料特性に代表されるこれらの性状のほか、調圧スプリング58や調圧バネ62の形状、材料特性、バネ定数に代表されるこれらの性状などが含まれる。すなわち、これらの受圧面積、形状、材料特性、バネ定数の少なくとも一つから選ばれる性状を変更することで、弁体55の開弁特性を設定することが可能となる。   This point will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4 mainly showing the valve opening characteristics of the regulator 40 (that is, the secondary pressure characteristics with respect to the flow rate). The elements that set the valve opening characteristics of the valve body 55 are as follows. For example, in addition to these properties typified by material characteristics such as the pressure receiving area, shape, and rigidity of the valve body 55 and the diaphragm 56, the shape, material properties, and spring constant of the pressure regulating spring 58 and pressure regulating spring 62 are representative. These properties are included. That is, the valve opening characteristic of the valve body 55 can be set by changing the property selected from at least one of these pressure receiving areas, shapes, material characteristics, and spring constants.

図3および図4の曲線L1は、調圧室57が大気圧状態である場合における水素ガスの流量に対するレギュレータ40の流量特性を示している。レギュレータ40における2次側設定圧力は、一般に水素ガスの流量増加に伴い圧力降下するものであるが、この圧力降下した2次側圧力が、水素ガスの流量に対する燃料電池2の水素ガスの入口圧力となる。大気圧状態の調圧室57で、水素ガスの供給流量域の全範囲において2次側への水素ガスの流れを許容するためには、図4の曲線L1に示すように、レギュレータ40の2次側圧力が大気圧Pよりも高くなるように、弁体55の開弁特性を設定する必要がある。   A curve L1 in FIGS. 3 and 4 shows the flow rate characteristic of the regulator 40 with respect to the flow rate of the hydrogen gas when the pressure regulating chamber 57 is in the atmospheric pressure state. The secondary side set pressure in the regulator 40 generally decreases with an increase in the flow rate of hydrogen gas. The secondary side pressure that has decreased is the inlet pressure of the hydrogen gas in the fuel cell 2 with respect to the hydrogen gas flow rate. It becomes. In order to allow the flow of hydrogen gas to the secondary side in the whole range of the supply flow rate region of hydrogen gas in the pressure adjusting chamber 57 in the atmospheric pressure state, as shown by a curve L1 in FIG. It is necessary to set the valve opening characteristic of the valve body 55 so that the secondary pressure becomes higher than the atmospheric pressure P.

これに対し、本実施形態のレギュレータ40は、図4の曲線L1から全体としてその特性を下げた図3に示す曲線L1の流量特性を有している。この流量特性を有するレギュレータ40は、2次側圧力が2次側への水素ガスの流れを許容する正圧の範囲と、水素ガスの流量増加に伴い圧力降下した2次側圧力が2次側への水素ガスの流れを遮断する負圧の範囲とを含むように、弁体55の開弁特性を設定されている。したがって、このレギュレータ40は、調圧室57が大気圧状態で仮に使用されると、流量Fまでしか水素ガスの流れを許容せず、流量F以降では弁体55が閉じて水素ガスの流れを遮断する。   On the other hand, the regulator 40 of this embodiment has the flow rate characteristic of the curve L1 shown in FIG. 3 which lowered the characteristic as a whole from the curve L1 of FIG. In the regulator 40 having this flow rate characteristic, the secondary side pressure is in a positive pressure range that allows the hydrogen gas to flow to the secondary side, and the secondary side pressure that has dropped with the increase in the hydrogen gas flow rate is the secondary side. The valve opening characteristic of the valve body 55 is set so as to include a negative pressure range that blocks the flow of hydrogen gas to the valve. Therefore, the regulator 40 allows the flow of hydrogen gas only up to the flow rate F if the pressure regulating chamber 57 is used in an atmospheric pressure state, and after the flow rate F, the valve body 55 is closed and the flow of hydrogen gas is allowed to flow. Cut off.

図3の曲線L3は、本実施形態のレギュレータ40の合成流量特性を示している。すなわち、曲線L3は、図3の曲線L1の流量特性を有するレギュレータ40の調圧室57に、図3の曲線L2の吐出特性を有するコンプレッサ16からの酸素ガスを導入した場合に、レギュレータ40により最終的に調整される2次側圧力を示している。この曲線L3に示すように、レギュレータ40は、流量F以降でも水素ガスの流れを許容するため、水素ガスの供給流量域の全範囲で2次側への水素ガスの流れを許容し且つその水素ガスの2次側圧力を調整する。また曲線L3に示すように、本実施形態のレギュレータ40は、水素ガスの流量増加に伴い水素ガスの2次側圧力が大きくなるように、弁体55の開弁特性に設定されている。   A curve L3 in FIG. 3 shows a combined flow rate characteristic of the regulator 40 of the present embodiment. That is, when the oxygen gas from the compressor 16 having the discharge characteristic of the curve L2 in FIG. 3 is introduced into the pressure regulating chamber 57 of the regulator 40 having the flow characteristic of the curve L1 in FIG. The secondary side pressure finally adjusted is shown. As shown by this curve L3, the regulator 40 allows the flow of hydrogen gas even after the flow rate F, and therefore allows the flow of hydrogen gas to the secondary side in the entire range of the supply flow rate of hydrogen gas and the hydrogen gas. Adjust the secondary pressure of the gas. Further, as shown by the curve L3, the regulator 40 of the present embodiment is set to the valve opening characteristic of the valve body 55 so that the secondary pressure of the hydrogen gas increases as the flow rate of the hydrogen gas increases.

以上のように、本実施形態の燃料電池システム1によれば、調圧室57に酸素ガスを導入しない大気圧状態で、供給流量域に水素ガスの流量がゼロとなる領域が存在するようにレギュレータ40の流量特性を敢えて設定している。この結果、大気圧状態で供給流量域の全範囲において水素ガスの流れを確保する流量特性に設定する場合(図4の場合)に比べて、実際に調圧室57に酸素ガスの圧力を導入した状態で上昇するレギュレータ40の2次側圧力の上昇幅を小さくすることができる。   As described above, according to the fuel cell system 1 of the present embodiment, there is a region where the flow rate of hydrogen gas is zero in the supply flow rate region in an atmospheric pressure state where oxygen gas is not introduced into the pressure regulating chamber 57. The flow characteristic of the regulator 40 is set intentionally. As a result, the oxygen gas pressure is actually introduced into the pressure regulating chamber 57 as compared with the case where the flow rate characteristic is set to ensure the hydrogen gas flow in the entire supply flow rate range in the atmospheric pressure state (in the case of FIG. 4). Thus, it is possible to reduce the increase width of the secondary pressure of the regulator 40 that rises in the above state.

これにより、低負荷での極間差圧を適切に低減することができると共に、高負荷での水素ガスの流量を適切に確保することができる。また、流量増加に伴う水素ガスの2次側圧力(燃料電池2の水素ガスの入口圧力)の変化が、流量増加に伴う燃料電池2の酸素ガスの入口圧力の変化の傾きに対応するため、供給流量域の広い範囲に亘って極間差圧を適切に低減することができる。   Thereby, while being able to reduce appropriately the pressure difference between electrodes in low load, the flow volume of hydrogen gas in high load can be ensured appropriately. Further, since the change in the secondary pressure of hydrogen gas (hydrogen gas inlet pressure of the fuel cell 2) accompanying the increase in flow rate corresponds to the slope of the change in the inlet pressure of oxygen gas in the fuel cell 2 accompanying the increase in flow rate, The inter-electrode differential pressure can be appropriately reduced over a wide range of the supply flow rate region.

さらに、本実施形態のレギュレータ40は、小流量域(図3の流量Fより小さい流量域)で2次側圧力が2次側への水素ガスの流れを許容する正圧の範囲に設定されているため、酸素ガスが調圧室57に迅速に導入され難い燃料電池システム1の始動時に、レギュレータ40は水素ガスの2次側への流れを許容することができる。これにより、燃料電池システム1の始動性を高めることが可能となる。この場合に、レギュレータ40の2次側設定圧力は、燃料電池システム1の始動性を確保できる程度に正圧の範囲に設定されていればよいが、レギュレータ40の1次側圧力の変化を考慮して設定されることが好ましい。   Further, in the regulator 40 of the present embodiment, the secondary pressure is set to a positive pressure range that allows the flow of hydrogen gas to the secondary side in a small flow rate range (a flow rate range smaller than the flow rate F in FIG. 3). Therefore, the regulator 40 can allow the hydrogen gas to flow to the secondary side when starting the fuel cell system 1 in which oxygen gas is not easily introduced into the pressure regulating chamber 57 quickly. Thereby, the startability of the fuel cell system 1 can be improved. In this case, the secondary side set pressure of the regulator 40 may be set in a positive pressure range so that the startability of the fuel cell system 1 can be ensured, but the change in the primary side pressure of the regulator 40 is taken into consideration. Is preferably set.

例えば、流量ゼロとなる領域に移行するポイント(図3の流量F)が、供給流量域のうち最大の供給流量の少なくとも半分以下の流量域に存在するように、弁体55の開弁特性を設定すればよい。これにより、水素ガスの供給流量等に応じて変化し得る1次側圧力に適切に対応することができる。   For example, the valve opening characteristic of the valve body 55 is set so that the point (flow rate F in FIG. 3) at which the flow rate becomes zero exists in a flow rate range that is at least half of the maximum supply flow rate in the supply flow rate range. You only have to set it. Thereby, it is possible to appropriately cope with the primary pressure that can change according to the supply flow rate of the hydrogen gas.

なお、レギュレータ40の全流量域において2次側圧力を負圧の範囲にすることもでき、このように設定した場合には、レギュレータ40は、調圧室57の大気圧状態では供給流量域の全範囲において2次側への水素ガスの流れを遮断することになる。この場合には、燃料電池システム1の始動時に、燃料電池2への酸素ガスの供給に遅れて水素ガスの供給を開始すればよい。   It should be noted that the secondary pressure can be set to a negative pressure range in the entire flow rate range of the regulator 40, and in such a case, the regulator 40 is in the supply flow rate range in the atmospheric pressure state of the pressure regulating chamber 57. In the entire range, the flow of hydrogen gas to the secondary side is cut off. In this case, the supply of hydrogen gas may be started after the supply of oxygen gas to the fuel cell 2 when the fuel cell system 1 is started.

なおまた、調圧室57に導入するガスとして、コンプレッサ16で加圧された酸化ガスとしたが、別の加圧源(エアポンプ)で加圧されたエアなど、例えば大気圧である基準圧より高い加圧されたガスであればよい。もっとも、本実施形態のように、コンプレッサ16で加圧された酸化ガスを利用することで、極間差圧を好適に低減することができる。   In addition, although the oxidizing gas pressurized by the compressor 16 is used as the gas to be introduced into the pressure regulating chamber 57, for example, air pressurized by another pressurizing source (air pump) or the like, for example, from a reference pressure that is atmospheric pressure. Any highly pressurized gas may be used. However, the differential pressure between the electrodes can be suitably reduced by using the oxidizing gas pressurized by the compressor 16 as in the present embodiment.

ところで、燃料電池システム1を搭載した燃料電池車両は、さまざまな使用環境で走行するものであるが、例えば高地において走行する場合にも上記の燃料電池システム1は有用である。高地では大気圧が所定圧(10〜20kPa)程度低くなるが、本実施形態では、上記のようにコンプレッサ16で取り込んだ酸素ガスが上流側制御弁22やアキュムレータ23などで調整された圧力としてレギュレータ40に導入されるため、本実施形態のレギュレータ40は大気圧の変化に影響されない。したがって、燃料電池車両が高地において走行する場合にあっても、燃料電池2に供給する水素ガスの圧力をレギュレータ40によって安定して設定することができる。また、上流側制御弁22および下流側制御弁24を制御装置により開度制御される電磁弁で構成した場合には、大気圧センサ(高地センサ)の出力に基づいて、上流側制御弁22および下流側制御弁24の開度をそれぞれ調整してもよい。   By the way, the fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system 1 travels in various usage environments, but the fuel cell system 1 described above is also useful when traveling in high altitudes, for example. At high altitude, the atmospheric pressure is lowered by about a predetermined pressure (10 to 20 kPa), but in this embodiment, the oxygen gas taken in by the compressor 16 as described above is regulated as a pressure adjusted by the upstream control valve 22, the accumulator 23, or the like. Therefore, the regulator 40 of this embodiment is not affected by changes in atmospheric pressure. Therefore, even when the fuel cell vehicle travels at a high altitude, the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 can be stably set by the regulator 40. Further, when the upstream side control valve 22 and the downstream side control valve 24 are composed of electromagnetic valves whose opening degree is controlled by the control device, the upstream side control valve 22 and the downstream side control valve 22 You may adjust the opening degree of the downstream control valve 24, respectively.

本実施形態は、好ましくはレギュレータ40の調圧室57に酸化ガスの一部を導入することにより、単セルのアノード側とカソード側の圧力差(極間差圧)を低減することを前提にするものである。しかしながら、加圧された酸化ガスを調圧室57に直接導入すると、逆に極間差圧が大きくなる(図4参照)。そこで、これに対処するため、本実施形態ではレギュレータ40の開弁特性を予め基準圧状態(好ましくは加圧された酸化ガスが導入されない圧力状態又は大気圧状態)下で加圧された酸化ガスが導入されることを見越して設定するものである。   This embodiment is premised on reducing the pressure difference (electrode pressure difference) between the anode side and the cathode side of the single cell, preferably by introducing a part of the oxidizing gas into the pressure regulating chamber 57 of the regulator 40. To do. However, when the pressurized oxidizing gas is directly introduced into the pressure regulating chamber 57, the pressure difference between the electrodes increases conversely (see FIG. 4). Therefore, in order to cope with this, in the present embodiment, the valve opening characteristic of the regulator 40 is previously set to be an oxidizing gas pressurized under a reference pressure state (preferably a pressure state in which the pressurized oxidizing gas is not introduced or an atmospheric pressure state). Is set in anticipation of being introduced.

具体的には、レギュレータ40の開弁特性において、基準圧状態下でガスの供給領域とガスの供給流量がゼロとなる供給制限領域とが存在するように設定される。これは別の見方をすれば、レギュレータ40の二次側圧力の特性が基準圧状態下で基準圧に対して高い領域と低い領域とを有する特性である。好ましくは、レギュレータ40の二次側圧力の特性が、ガス小流量の領域(図3のFより小さい流量領域)では基準圧より高く設定され、ガス大流量の領域(図3のFより大きい流量領域)では基準圧より低く設定される。   Specifically, the valve opening characteristics of the regulator 40 are set such that a gas supply region and a supply restriction region where the gas supply flow rate becomes zero exist under the reference pressure state. From another viewpoint, this is a characteristic in which the secondary pressure characteristic of the regulator 40 has a high region and a low region with respect to the reference pressure under the reference pressure state. Preferably, the characteristics of the secondary pressure of the regulator 40 are set higher than the reference pressure in the small gas flow rate region (the flow rate region smaller than F in FIG. 3), and the large gas flow rate region (the flow rate larger than F in FIG. 3). In the area), it is set lower than the reference pressure.

実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on embodiment. 実施形態に係るレギュレータの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the regulator which concerns on embodiment. 実施形態に係る燃料電池システムにおけるレギュレータの流量特性について示すグラフである。It is a graph shown about the flow characteristic of the regulator in the fuel cell system concerning an embodiment. 従来の燃料電池システムにおけるレギュレータの流量特性について示すグラフである。It is a graph shown about the flow characteristic of the regulator in the conventional fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム、2 燃料電池、3 酸素ガス供給系、4 水素ガス供給系、13 圧力調整系、16 コンプレッサ、17 加湿器、25 圧導入流路、32 供給流路、40 レギュレータ、57 調圧室   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system, 2 Fuel cell, 3 Oxygen gas supply system, 4 Hydrogen gas supply system, 13 Pressure adjustment system, 16 Compressor, 17 Humidifier, 25 Pressure introduction flow path, 32 Supply flow path, 40 Regulator, 57 Pressure regulation Room

Claims (7)

弁体が連結されたダイヤフラムによってハウジングの内部空間が仕切られ、一方の空間は燃料電池に供給される燃料ガスが1次側から2次側へと流通可能に構成され且つ他方の空間は基準圧より加圧されたガスが導入される調圧室として構成されたレギュレータを備え、
前記レギュレータは、前記ダイヤフラムに作用する燃料ガスの2次側圧力および加圧されたガスの圧力と、前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材の付勢力とに応じて当該弁体の開度が調整されることにより、前記燃料電池に供給される燃料ガスの2次側圧力を調整可能に構成され、
前記レギュレータは、前記調圧室が基準圧状態で、前記燃料電池への燃料ガスの供給流量域に前記弁体が閉じて流量ゼロとなる領域が存在するように、前記弁体の開弁特性が設定されている燃料電池システム。
The inner space of the housing is partitioned by a diaphragm to which the valve body is connected, one of the spaces is configured to allow the fuel gas supplied to the fuel cell to flow from the primary side to the secondary side, and the other space is the reference pressure. Comprising a regulator configured as a pressure regulating chamber into which more pressurized gas is introduced;
The regulator includes a valve body corresponding to a secondary pressure of the fuel gas acting on the diaphragm and a pressure of the pressurized gas, and a biasing force of a biasing member that biases the valve body in a valve closing direction. Is adjusted so that the secondary pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell can be adjusted,
The regulator has a valve opening characteristic of the valve body such that there is a region in which the valve body is closed and the flow rate becomes zero in a fuel gas supply flow rate region when the pressure regulating chamber is in a reference pressure state. The fuel cell system that is set.
前記流量ゼロとなる領域に移行するポイントが、前記供給流量域のうち最大の供給流量の少なくとも半分以下の流量域に存在する請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the point at which the flow rate becomes zero exists in a flow rate region that is at least half of the maximum supply flow rate in the supply flow rate region. 弁体が連結されたダイヤフラムによってハウジングの内部空間が仕切られ、一方の空間は燃料電池に供給される燃料ガスが1次側から2次側へと流通可能に構成され且つ他方の空間は基準圧より加圧されたガスが導入される調圧室として構成されたレギュレータを備え、
前記レギュレータは、前記ダイヤフラムに作用する燃料ガスの2次側圧力および加圧されたガスの圧力と、前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材の付勢力とに応じて当該弁体の開度が調整されることにより、前記燃料電池に供給される燃料ガスの2次側圧力を調整可能に構成され、
前記レギュレータは、燃料ガスの流量増加に伴い燃料ガスの2次側圧力が大きくなるように、前記弁体の開弁特性が設定されている燃料電池システム。
The inner space of the housing is partitioned by a diaphragm to which the valve body is connected, one of the spaces is configured to allow the fuel gas supplied to the fuel cell to flow from the primary side to the secondary side, and the other space is the reference pressure. Comprising a regulator configured as a pressure regulating chamber into which more pressurized gas is introduced;
The regulator includes a valve body corresponding to a secondary pressure of the fuel gas acting on the diaphragm and a pressure of the pressurized gas, and a biasing force of a biasing member that biases the valve body in a valve closing direction. Is adjusted so that the secondary pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell can be adjusted,
The regulator is a fuel cell system in which the valve opening characteristic of the valve body is set so that the secondary pressure of the fuel gas increases as the flow rate of the fuel gas increases.
前記弁体の開弁特性を設定する設定要素には、前記付勢部材の性状が含まれる請求項1ないし3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the setting element that sets the valve opening characteristic of the valve body includes a property of the urging member. 前記弁体の開弁特性を設定する設定要素には、前記ダイヤフラムの性状が含まれる請求項1ないし4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the setting element that sets the valve opening characteristic of the valve body includes a property of the diaphragm. 前記調圧室の上流側には、当該調圧室に導入される加圧されたガスの圧力を調圧する調圧弁が設けられている請求項1ないし5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a pressure regulating valve that regulates a pressure of a pressurized gas introduced into the pressure regulating chamber is provided upstream of the pressure regulating chamber. system. 前記調圧室の上流側には、当該調圧室に導入される加圧されたガスを一時的に貯留するアキュムレータが設けられている請求項1ないし6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein an accumulator for temporarily storing a pressurized gas introduced into the pressure regulating chamber is provided upstream of the pressure regulating chamber. system.

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