JP2006049103A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素圧力を調整する調圧弁の内部に水分が進入することに伴う弊害を防止する。
【解決手段】 調圧弁４０は、可撓性のダイヤフラム４１を備えており、このダイヤフラム４１によって内部が背圧室４２と調圧室４３とに区分されている。背圧室４２には、上流側分岐流路３３を介して電磁弁５０により水素が供給され、この水素は、オリフィス８０を介して、下流側水素流路３２に還元される。このような構成によれば、背圧室４２内に空気が取り込まれないため、空気中に含まれる水分による凍結や錆の発生を抑制することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池に供給する水素の圧力を調整する技術に関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池が、クリーンなエネルギ源として注目されている。車両に搭載される燃料電池システムでは、燃料としての水素が高圧状態で水素タンクに貯蔵されている場合が多い。燃料電池に対してこの水素を供給する際には、燃料電池内に備えられた電解質膜の破損等を防止するため、水素タンクから供給される高圧水素を所定の圧力まで減圧する必要がある。

高圧水素を減圧するには、例えば、下記特許文献１に記載のように、ダイヤフラム式の調圧弁を用いることができる。ダイヤフラム式の調圧弁は、可撓性のダイヤフラムを挟んで、背圧室と調圧室とを備えており、背圧室に供給する流体の圧力に応じて調圧室内を流通する水素の圧力を調整することができる。特許文献１では、背圧室に空気を供給することで、調圧室に供給される水素の圧力を調整している。

特開２００３−６８３３４号公報 特開２００２−３７３６８２号公報 特開平７−２７１４５０号公報

しかしながら、空気中には少なからず水分が含まれるため、例えば、低温環境下でシステムが停止されると、背圧室内に残留した水分によって調圧弁が凍結してしまう虞があった。また、この水分の影響によって、錆が発生してしまう虞もあった。

本発明は、このような課題に考慮してなされたものであり、調圧弁の内部に水分が進入することに伴う弊害を防止することを目的としている。

上記目的を踏まえて、本発明の燃料電池システムは、
水素と酸素との供給を受けて発電する燃料電池と、
水素を高圧状態で貯蔵する水素タンクと、
ダイヤフラムによって内部が調圧室と背圧室とに区分されており、該ダイヤフラムに加わる力のバランスに応じて、前記水素タンクから前記調圧室に供給される水素を調圧すると共に、該調圧した水素を前記燃料電池に供給する調圧弁と、
前記調圧弁の背圧室に前記水素タンクから放出された水素を導入すると共に、該背圧室内の水素の圧力を調整する背圧調整手段と
を備えることを要旨とする。

本発明の燃料電池システムでは、調圧弁の背圧室に水素を導入し、背圧調整手段によってこの背圧室内の水素の圧力を調整することで、燃料電池に供給する水素の圧力を調整する。かかる構成によれば、背圧室に空気を導入しないため、低温環境下における調圧弁の凍結や錆の発生などを抑制することができる。また、燃料電池における発電に不可欠な水素を背圧室に導入するため、水分を含まない他のガスを用意する必要がなく、システム全体の構造を簡略に構成することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、背圧室に導入する水素は、水素タンクから直接導入してもよいし、水素タンクと調圧弁とを接続する配管中に分岐管を設け、この分岐管から導入してもよい。あるいは、調圧弁の内部に設けられた流路を介して導入してもよい。また、調圧室や背圧室には、水素を直接水素タンクから供給するものとしてもよいし、水素タンクから出力された水素を減圧弁などで減圧した上で供給するものとしてもよい。また、水素タンクを複数備えるものとしてもよく、調圧室と背圧室とには、別々の水素タンクから水素が個別に供給される構成としてもよい。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記背圧室は、該背圧室に導入された前記水素を排出する排出口を備え、
前記背圧調整手段は、前記背圧室内に導入する水素の流量を調整する流量調整手段を備えるものとしてもよい。

このような構成によれば、背圧室内の圧力は、背圧室に導入される水素の流量と排出口から排出される水素の流量の差によって決定される。そのため、流量調整手段によって、背圧室内に導入する水素の流量を調整することにより、背圧室内の圧力を制御することができる。流量調整手段としては、例えば、デューティ制御によって流量の制御を行う電磁弁を用いることができる。

かかる構成の燃料電池システムにおいて、
前記排出口は、前記燃料電池に水素を供給する流路に接続されているものとしてもよい。

このような構成によれば、背圧室に導入された水素を、燃料電池での発電に供することができるため、水素を有効に活用することができる。なお、排出口は、直接燃料電池に接続するものとしてもよいし、調圧弁と燃料電池とを結ぶ配管中に接続するものとしてもよい。

かかる構成の燃料電池システムにおいて、
前記排出口から前記水素を排出する流路に、該水素の排出を制限するオリフィスが設けられているものとしてもよい。

このような構成によれば、オリフィスを介して背圧室内から徐々に水素が排出されるため、流量調整手段によって背圧室に導入する水素の流量を低減することができる。そのため、例えば、流量調整手段に電磁弁を用いる場合には、制御可能な流量のダイナミックレンジの狭い小型の電磁弁を用いることが可能になる。

かかる構成の燃料電池システムにおいて、
前記オリフィスは、前記排出口に近接して設けられているものとしてもよい。

このような構成によれば、オリフィスと燃料電池とを離間させることができるため、燃料電池のカソードから電解質膜を介してアノードに水分がリークしたとしても、この水分がオリフィスや背圧室内に侵入することを抑制することができる。この結果、調圧弁内の錆の発生や低温時における凍結を防止することができる。

また、上述した本発明の燃料電池システムにおいて、
前記背圧室は、該背圧室に導入された前記水素を排出する排出口を備え、
前記背圧調整手段は、前記ダイヤフラムの動きに応じて前記排出口の開口度を変化させる絞り部を備えるものとしてもよい。

このような構成によれば、電磁弁などを用いることなく、容易に、背圧室内の圧力を調整することができる。絞り部は、ダイヤフラムが調圧室側に移動した場合に排出口の開口度が大きくなるようにしてもよいし、逆に、小さくなるようにしてもよい。つまり、水素タンクから供給される水素の流量が減少していった場合に、燃料電池に供給する水素の圧力を高める特性とすることもできるし、逆に、圧力を下げる特性とすることもできる。どちらの特性を採用するかは、システム構成上の要請に応じて決定すればよい。

かかる構成の燃料電池システムにおいて、
前記背圧調整手段は、オリフィスを介して前記背圧室に前記水素を導入するものとしてもよい。

このような構成によれば、背圧室内に導入する水素の流量を低減することができるため、上記絞り部にかかる負荷を軽減することができる。

なお、本発明は、上述した種々の燃料電池システムとしての構成のほか、例えば、燃料電池システムの運転方法などとしても構成することが可能である。

以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．調圧弁の構成：
Ｃ．発電制御：
Ｄ．変形例：

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００は、モータ１１０によって駆動力を得る車両に搭載されている。この燃料電池システム１００は、アクセル開度センサ７０によって検出されたアクセルの操作量に基づいて、燃料電池１０での発電量を制御する。なお、本実施例の燃料電池システム１００は、車載用であるものとしたが、据え置き型など種々の構成を取ることができる。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池１０や、燃料電池１０に圧縮空気を供給するコンプレッサ２０、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンク３０、燃料電池１０に供給する水素の圧力を調整する調圧弁４０、燃料電池システム１００全体の制御を行う制御ユニット６０などから構成される。

燃料電池１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体である。各セルは、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とが配置される構成となっている。本実施例では、燃料電池として固体高分子電解質型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。

燃料電池１０のカソードには、コンプレッサ２０で加圧された空気が供給される。燃料電池１０内での電気化学反応によって酸素が消費された空気は、カソードオフガスとして排気管１１および希釈器１２を通じて外部に排出される。

燃料電池１０のアノードには、水素タンク３０に貯蔵された水素が、調圧弁４０によって調圧されて供給される。調圧弁４０と水素タンク３０とは上流側水素流路３１によって接続され、調圧弁４０と燃料電池１０とは、下流側水素流路３２によって接続されている。調圧弁４０の詳細な構成については後述する。なお、本実施例では、水素タンク３０と調圧弁４０とが直接接続されているものとしているが、水素タンク３０と調圧弁４０との間に、図中に破線で示した減圧弁３６などを設けることにより、水素タンク３０から出力される高圧水素を所定の圧力まで減圧した上で、調圧弁４０に供給するものとしてもよい。

燃料電池１０のアノードに供給された水素は、電気化学反応に供された後、アノードオフガスとして循環管１３に排出される。循環管１３には、ポンプ１４と逆止弁１５とが設けられている。燃料電池１０から排出されたアノードオフガスは、このポンプ１４によって加圧され、逆止弁１５を通り、再び、下流側水素流路３２に供給される。アノードオフガスには、電気化学反応に供しきれない水素が残留している場合があるため、このような構成によって燃料電池１０に水素を循環させることにより、水素を有効に活用することができる。

ところで、アノードオフガスには、カソード側から電解質膜を介してリークした水分や窒素などの不純物が流入する。そのため、このような不純物は、循環管１３から分岐している分岐管１６に設けられた排出バルブ１７を用いて定期的に排出している。排出バルブ１７から排出されたアノードオフガスは、希釈器１２内でカソードオフガスによって希釈されて外部に排出される。なお、本実施例の燃料電池システム１００は、このように水素を循環させる機構を備えるものとしたが、かかる構成は必須ではなく、水素を循環させないものとしてもよい。

制御ユニット６０は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭを内蔵したマイクロコンピュータによって構成されており、ＣＰＵの入力ポートには、アクセル開度センサ７０が接続されている。ＣＰＵは、ＲＡＭをワークエリアとして用いつつＲＯＭに記録された制御プログラムを実行することで、アクセル開度センサ７０からの入力信号に基づき燃料電池１０の発電制御を行う。

Ｂ．調圧弁の構成：
次に、調圧弁４０の構成について説明する。調圧弁４０は、可撓性のダイヤフラム４１を備えており、このダイヤフラム４１によって内部が背圧室４２と調圧室４３とに区分されている。背圧室４２内には、ダイヤフラム４１を調圧室４３側に付勢する弾性バネ４４が備えられている。また、調圧室４３には、ダイヤフラム４１と連結され、調圧室４３の上流側と下流側とを開閉するための弁体４５が備えられている。調圧室４３の上流側は、上流側水素流路３１を介して水素タンク３０に接続されており、調圧室４３の下流側は、下流側水素流路３２を介して燃料電池１０に接続されている。

背圧室４２は、水素タンク３０から放出された水素を背圧室４２内に導入するための流入口４６と、導入した水素を背圧室４２から排出するための排出口４７とを備えている。流入口４６は、上流側水素流路３１から分岐した上流側分岐流路３３に電磁弁５０を介して接続され、排出口４７は、下流側水素流路３２から分岐した下流側分岐流路３４にオリフィス８０を介して接続される。

下流側分岐流路３４は、上述した循環管１３よりも調圧弁４０側で、下流側水素流路３２に接続されている。そのため、循環管１３によって循環されるアノードオフガスが下流側分岐流路３４を伝って背圧室４２に流入することを防止することができる。また、オリフィス８０は、燃料電池１０から離間させて（例えば、１０〜２０ｃｍ程度）、排出口４７に近接して設けている。従って、燃料電池１０内の電解質膜をカソード側からリークした水分がオリフィス８０および背圧室４２に進入することを防止することができる。

ここで、調圧弁４０の動作について説明する。上流側水素流路３１を介して水素タンク３０から供給された水素は、弁体４５とケーシング４８の隙間を通って調圧室４３に流入する。水素タンク３０から供給される水素の圧力が高くなって、調圧室４３に流入した水素の圧力が高くなると、ダイヤフラム４１が図の上方向へ押し上げられ、それに伴い、ダイヤフラム４１と連結された弁体４５が図の上方向へ引き上げられる。その結果、弁体４５とケーシングとの隙間は狭められ、流量に対する圧力損失が増大し、調圧室４３内の水素の圧力は低下する。逆に、調圧室４３に流入した水素の圧力が低くなると、弾性バネ４４と背圧室４２内の圧力による付勢力によってダイヤフラム４１が図の下方へ移動し、それに伴い、弁体４５とケーシング４８の隙間が広げられる。そのため、流量に対する圧力損失は低下し、調圧室４３内の水素の圧力は高くなる。このように、調圧弁４０は、弾性バネ４４と背圧室４２内の圧力とによる付勢力と、調圧室４３内に流入する水素の圧力とのバランスによって、燃料電池１０に供給する水素の圧力を一定にすることが可能な構造となっている。

かかる構造の調圧弁４０では、背圧室４２内の圧力を高くすると、ダイヤフラム４１を図の下方に押し下げる付勢力が強くなるため、弁体４５が図の下方に押し下げられ、調圧室４３内の水素圧力を高めることができる。また、逆に、背圧室４２内の圧力を低くすれば、ダイヤフラム４１を図の下方に押し下げる付勢力が弱くなるため、弁体４５が図の上方に引き上げられ、調圧室４３内の水素圧力を低くすることができる。つまり、背圧室４２内の圧力を高めるほど、燃料電池１０に供給する水素の圧力が高くなり、背圧室４２内の圧力を低くするほど、燃料電池１０に供給する水素の圧力は低くなる。本実施例の燃料電池システム１００では、このような特性を利用することにより、背圧室４２内の圧力を調整することで、燃料電池１０に供給する水素の圧力を制御し、発電量の調整を行う。

上述したように、背圧室４２には、上流側分岐流路３３および電磁弁５０を介して水素タンク３０から水素が供給される。また、背圧室４２内に流入した水素は、オリフィス８０を介して、下流側水素流路３２に排出される。つまり、背圧室４２内の圧力は、背圧室４２に流入した水素の流量と背圧室４２から排出される水素の流量の差によって決まる。そのため、背圧室４２内の圧力を高めるためには、電磁弁５０によって、背圧室４２内に供給する水素の流量を高め、背圧室４２内の圧力を下げるためには、電磁弁５０によって、背圧室４２内に供給する水素の流量を低くすればよい。

なお、オリフィス８０を通過した水素は、下流側分岐流路３４を介して下流側水素流路３２に排出されるが、このとき、下流側水素流路３２内の水素圧力への影響を最低限に抑制するように、オリフィス８０の径は設定されている。

Ｃ．発電制御：
次に、燃料電池システム１００の発電制御について説明する。
図２は、燃料電池１０の発電量を制御するために実行される発電制御処理ルーチンを表すフローチャートである。本ルーチンは、制御ユニット６０のＣＰＵがＲＯＭに記録された制御プログラムに基づき実行する処理であり、燃料電池システム１００の稼働中、繰り返し実行される処理である。

本処理が実行されると、まず、制御ユニット６０は、アクセル開度センサ７０によってアクセルの操作量を検出し（ステップＳ１００）、目標とする発電量をＲＯＭに記録された所定のマップや関数に基づき算出する（ステップＳ１１０）。なお、本実施例では、アクセル開度に基づき目標発電量を算出するものとしたが、例えば、燃料電池１０に接続された負荷の大きさや負荷に流れる電流量などに応じて目標発電量を算出するものとしてもよい。

次に、制御ユニット６０は、目標とする発電量を発電するために必要な水素の圧力を所定のマップや関数を用いて決定する（ステップＳ１２０）。図には、かかるマップの一例を示している。このマップによれば、目標発電量が多いほど、燃料電池１０に供給する水素の圧力を高めることになる。

次に、制御ユニット６０は、燃料電池１０に供給する水素の圧力を上記ステップＳ１２０により求めた水素の圧力に調圧するために、電磁弁５０を開閉するデューティ比（開弁比）を所定のマップや関数によって求める（ステップＳ１３０）。図には、かかるマップの一例を示している。上述したように、燃料電池１０に供給する水素の圧力を高めるには、調圧弁４０の背圧室４２に、より多くの水素を供給すればよい。そのため、図示するマップは、ステップＳ１２０によって求めた水素の圧力が高くなるほど、デューティ比も高くなるように設定されている。

最後に制御ユニット６０は、上記ステップＳ１３０によって求めたデューティ比に基づき、電磁弁５０をデューティ制御し（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。

なお、上述した発電制御処理ルーチンでは、電磁弁５０のデューティ制御のみによって発電量を制御するものとしたが、例えば、同時にコンプレッサ２０を制御して燃料電池１０に供給する空気の量を調整することで、発電量を制御するものとしてもよい。また、燃料電池１０が実際に発電した発電量を所定のセンサによって検出し、この実測値と目標発電量とを近づけるためのフィードバック制御を行うものとしてもよい。

以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１００では、調圧弁４０の背圧室４２に対して、空気ではなく乾燥した水素を導入する。そのため、低温環境下で燃料電池システム１００が停止された場合であっても、背圧室４２内に水分が残留することが防止され、調圧弁４０の凍結や錆の発生を抑制することができる。また、燃料電池１０での発電に不可欠な水素を背圧室４２に導入するため、水分を含まない他のガスを用意する必要がなく、燃料電池システム１００を簡略に構成することができる。

また、本実施例では、オリフィス８０を燃料電池１０から離間させて排出口４７に近接して設けるものとしたため、燃料電池１０内の電解質膜を介してカソード側から水分（水蒸気）がアノード側にクロスリークした場合であっても、この水分がオリフィス８０や背圧室４２内に侵入することを抑制することができる。また、システム停止時に、電磁弁５０のゴム製の弁体５１を閉状態とすれば、仮に、システム停止後に水分が背圧室４２に進入して、電磁弁５０に到達した場合であっても、電磁弁５０が備える磁性体５２に錆が発生することを抑制することができる。

また、本実施例では、調圧弁４０内の、調圧室４３と背圧室４２との両者に対して水素を導入するため、ダイヤフラム４１の材質としては、水素不透過の特殊な材料に限定されず、ある程度までの水素透過性を有する素材が使用可能である。従来は、調圧室４３に水素を導入し、背圧室４２に空気を導入する構成であったため、ダイヤフラム４１の素材として水素透過性の低いフッ素系の素材やＮＢＲといった素材を用いていたが、本実施例では、シリコン系のゴムなど、比較的安価で温度範囲の広い材料を用いることが可能となる。なお、本実施例では、背圧室４２内の弾性バネ４４の素材として、水素脆化に強い素材を用いている。

また、本実施例では、背圧室４２からオリフィス８０を介して水素を排出するため、背圧室４２内に導入する水素の流量は比較的少量でよい。従って、背圧室４２に水素を送り込む電磁弁５０は、制御可能な水素流量のダイナミックレンジが比較的狭いものでよく、小型の電磁弁を用いることができる。また、本実施例では、電磁弁５０によって背圧室４２内の圧力制御を行うため、燃料電池１０に供給する水素の圧力を精度よく調整することができる。

Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこのような実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、以下のような変形が可能である。

（変形例１）
上記実施例では、図１に示すように、調圧弁４０の排出口４７に近接してオリフィス８０を設けるものとしたが、このオリフィス８０は省略するものとしてもよい。このような構成では、電磁弁５０によって十分な量の水素を背圧室４２に導入して、背圧室４２内の圧力を調整する。

（変形例２）
上記実施例では、上流側分岐流路３３に電磁弁５０を設けるものとしたが、この電磁弁５０に換えて、第２のオリフィスを設けるものとしてもよい。ただし、この第２のオリフィスの径は、オリフィス８０の径よりも大きいものとする。このような構成では、燃料電池１０に供給する水素の圧力を積極的に調整することはできないが、背圧室４２内に空気を導入することはないため、調圧弁４０の凍結や錆の発生を抑制することができる。

（変形例３）
上記実施例では、図１に示すように、背圧室４２から排出される水素は、下流側分岐流路３４を介して下流側水素流路３２に排出するものとしたが、下流側水素流路３２ではなく、例えば、所定の逆止弁を介して希釈器１２に排出するものとしてもよい。また、水素を利用する他の装置に対して排出するものとしてもよい。

（変形例４）
図３は、燃料電池システム１００の第４の変形例を示す説明図である。上記実施例では、図１に示すように、背圧室４２に、流入口４６と排出口４７の２つの開口部を設けるものとした。これに対して本変形例では、図３に示すように、背圧室４２には、開口部９２を１つだけ設ける構成としており、電磁弁５０とオリフィス８０とを配管９０によって直結し、この配管９０から分岐した分岐管９１を、開口部９２に接続している。このような構成であっても、背圧室４２内の圧力を電磁弁５０のデューティ制御によって調整することができる。かかる変形例によれば、背圧室４２に設ける開口部が１つだけでよいため、調圧弁４０の構造を簡略化することができる。

（変形例５）
図４は、燃料電池システム１００の第５の変形例を示す説明図である。上記実施例では、図１に示すように、電磁弁５０を用いて水素を背圧室４２内に導入し、オリフィス８０を介してこの水素を排出するものとした。これに対して本変形例では、図４に示すように、オリフィス８０ｂを介して水素を背圧室４２に導入し、電磁弁５０ｂを用いて水素を排出する。こうすることによっても、電磁弁５０ｂを用いて背圧室４２内の圧力を調整することができる。

（変形例６）
図５は、燃料電池システム１００の第６の変形例にかかる調圧弁４０ｃの構成を示す説明図である。図５に示す調圧弁４０ｃは、排出口４７の開口部に、ダイヤフラム４１に連結して移動する絞り部４７１を設け、ダイヤフラム４１が調圧室４３側に移動した場合に、排出口４７の開口度が上がり、ダイヤフラム４１が背圧室４２側に移動した場合に、排出口４７の開口度が低下する構成を採った。また、背圧室４２には、電磁弁５０ではなく、オリフィス８０ｃを介して、水素が導入されるものとした。

本変形例にかかる調圧弁４０ｃの動作を説明する。水素タンク内の水素が消費され、オリフィス８０ｃを介して背圧室４２に流入する水素の流量が少なくなった場合には、背圧室４２内の圧力が低下するため、ダイヤフラム４１は背圧室４２側に移動する。すると、このダイヤフラム４１の移動に伴い、絞り部４７１が図の上方に移動するため、排出口４７の開口度が下がり、排出口４７から排出される水素の圧力損失が増大する。この結果、背圧室４２内の圧力が高められることになるため、弁体４５の閉弁方向への移動が抑制される。つまり、水素タンク３０から出力される水素の流量が低下しても、燃料電池１０に供給する水素を確保することが可能になる。

図６は、この調圧弁４０ｃによって調整される水素圧力の特性を示すグラフである。水素タンク３０から出力される水素の流量は、水素タンク３０内の残留水素の量に応じて変化する。具体的には、残留水素が多いほど、出力される水素の流量は増し、残留水素が少ないほど、出力される水素の流量は減少する。そのため、上述した構成の調圧弁４０ｃは、図６に示すように、水素タンク３０の残留水素が多いほど、燃料電池１０に供給する水素圧力が低くなり、残留水素が少ないほど、燃料電池１０に供給する水素圧力が高くなる特性となる。

（変形例７）
図７は、燃料電池システム１００の第７の変形例にかかる調圧弁４０ｄの構成を示す説明図である。図７に示す調圧弁４０ｄは、図５に示した調圧弁４０ｃとほぼ同様の構成であるが、本変形例の調圧弁４０ｄは、ダイヤフラム４１が調圧室４３側に移動すると、排出口４７の開口度が下がり、背圧室４２側に移動すると開口度が上がるように絞り部４７２を構成するものとした。

かかる調圧弁４０ｄの動作を説明する。水素タンク内の水素が消費され、オリフィス８０ｃを介して背圧室４２に流入する水素の流量が少なくなった場合には、背圧室４２内の圧力が低下するため、ダイヤフラム４１は背圧室４２側に移動する。すると、このダイヤフラム４１の移動に伴い、絞り部４７２が図の上方に移動するため、排出口４７の開口度が上がり、排出口４７から排出される水素の圧力損失が低下する。この結果、背圧室４２内の圧力が低下することになるため、弁体４５が閉弁方向へ移動する。つまり、水素タンク３０から出力される水素の流量が低下すると、燃料電池１０に供給する水素の圧力も低下することになる。

図８は、この調圧弁４０ｄによって調整される水素圧力の特性を示すグラフである。上述した構成の調圧弁４０ｄによれば、図６に示した特性とは、全く逆の特性を持たせることができる。つまり、本変形例の調圧弁４０ｄは、図８に示すように、水素タンク３０の残留水素が多いほど、燃料電池１０に供給する水素圧力が高まり、残留水素が少ないほど、燃料電池１０に供給する水素圧力が低下する特性となる。

上述した変形例６および変形例７によれば、電磁弁のような電気的手段を用いることなく、燃料電池１０に供給する水素の圧力を水素タンク３０内の残留水素の量に応じて柔軟に変化させることができる。調圧弁４０ｃと調圧弁４０ｄのどちらの調圧弁を採用するかは、燃料電池１０に接続された負荷の要求する特性に応じて任意に選択すればよい。

（変形例８）
上記実施例では、図１に示すように、水素タンク３０は１つであるものとしたが、水素タンクは複数備えられているものとしてもよい。この場合、調圧弁４０の調圧室４３と背圧室４２とには、別々の水素タンクから個別に水素が供給される構成としてもよい。

燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 発電制御処理ルーチンを表すフローチャートである。 燃料電池システムの第４の変形例を示す説明図である。 燃料電池システムの第５の変形例を示す説明図である。 燃料電池システムの第６の変形例にかかる調圧弁４０ｃの構成を示す説明図である。 調圧弁４０ｃによって調整される水素圧力の特性を示すグラフである。 燃料電池システムの第７の変形例にかかる調圧弁４０ｄの構成を示す説明図である。 調圧弁４０ｄによって調整される水素圧力の特性を示すグラフである。

符号の説明

１００...燃料電池システム
１１０...モータ
１０...燃料電池
１１...排気管
１２...希釈器
１３...循環管
１４...ポンプ
１５...逆止弁
１６...分岐管
１７...排出バルブ
２０...コンプレッサ
３０...水素タンク
３１...上流側水素流路
３２...下流側水素流路
３３...上流側分岐流路
３４...下流側分岐流路
４０，４０ｃ，４０ｄ...調圧弁
４１...ダイヤフラム
４２...背圧室
４３...調圧室
４４...弾性バネ
４５...弁体
４６...流入口
４７...排出口
４８...ケーシング
５０，５０ｂ...電磁弁
４７１，４７２...絞り部
６０...制御ユニット
７０...アクセル開度センサ
８０，８０ｂ，８０ｃ...オリフィス
９０...配管
９１...分岐管
９２...開口部

Claims (7)

1. 燃料電池システムであって、
   水素と酸素との供給を受けて発電する燃料電池と、
   水素を高圧状態で貯蔵する水素タンクと、
   ダイヤフラムによって内部が調圧室と背圧室とに区分されており、該ダイヤフラムに加わる力のバランスに応じて、前記水素タンクから前記調圧室に供給される水素を調圧すると共に、該調圧した水素を前記燃料電池に供給する調圧弁と、
   前記調圧弁の背圧室に前記水素タンクから放出された水素を導入すると共に、該背圧室内の水素の圧力を調整する背圧調整手段と
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記背圧室は、該背圧室に導入された前記水素を排出する排出口を備え、
   前記背圧調整手段は、前記背圧室内に導入する水素の流量を調整する流量調整手段を備える
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記排出口は、前記燃料電池に水素を供給する流路に接続されている
   燃料電池システム。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、
   前記排出口から前記水素を排出する流路に、該水素の排出を制限するオリフィスが設けられた
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記オリフィスは、前記排出口に近接して設けられている
   燃料電池システム。
6. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記背圧室は、該背圧室に導入された前記水素を排出する排出口を備え、
   前記背圧調整手段は、前記ダイヤフラムの動きに応じて前記排出口の開口度を変化させる絞り部を備える
   燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記背圧調整手段は、オリフィスを介して前記背圧室に前記水素を導入する
   燃料電池システム。

Images