JP2008243782A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of making a compact and lightweight valve for controlling fuel discharge gas discharged from a fuel discharge gas passage of an anode system of a fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1 comprises a fuel cell 10, a fuel gas supply passage 11, an oxidant gas supply passage 12, a fuel gas circulation passage 14, a fuel discharge gas passage 15, and at least either a purge means 41 or a scavenging means 30. The fuel cell system 1 has an opening and closing valve 42, which is arranged on the fuel discharge gas passage 15 in series, capable of opening and closing, a flow rate adjusting valve 43 capable of adjusting a flow rate, and a control device 60 for controlling at least either of a purging flow rate at the time of purging of the purge means 41 and a scavenging flow rate at the time of scavenging of the scavenging means 30 by controlling the opening and closing valve 42 and the flow rate adjusting valve 43. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池のアノードから排出される燃料排ガスの流量を調整することができる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system capable of adjusting a flow rate of fuel exhaust gas discharged from an anode of a fuel cell.

従来、車両等に搭載される燃料電池システムでは、例えば、特許文献1に開示されているように、アノード系内の不純物、および水分を走行中に排出するために、パージ弁(水素パージバルブ)が不可欠で必ず使用されている。また、燃料電池システムでは、氷点下でアノード系内が凍結して閉塞されるのを防止すると共に、イグニッションOFF時にシステム全体をエア掃気する場合、大流量のエアを掃気排出するための掃気排出弁(エア排出バルブ)が不可欠で必ず使用されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, in a fuel cell system mounted on a vehicle or the like, as disclosed in Patent Document 1, for example, a purge valve (hydrogen purge valve) is used to discharge impurities and moisture in the anode system during traveling. Indispensable and always used. In addition, in the fuel cell system, the anode system is prevented from freezing and clogging below freezing point, and when scavenging the entire system when the ignition is OFF, a scavenging discharge valve for scavenging and discharging a large flow of air ( Air discharge valve) is indispensable and always used.

燃料電池システムは、システム上、パージ時のパージ流量と掃気時の掃気流量とが大きく相違しているので、パージ弁が小流量に対応したバルブから構成され、掃気排出弁が大流量に対応したバルブから構成されている。そのため、燃料電池システムでは、アノードオフガス排出系に流量特性の異なる前記2つのバルブが独立した状態で並列に配置されている。
前記2つのバルブは、共に氷点下でも使用されるため、凍結状態でも動く仕様のものとなっている(例えば、特許文献2参照)。
In the fuel cell system, the purge flow rate at the time of purging and the scavenging flow rate at the time of scavenging are greatly different from each other on the system, so the purge valve is composed of a valve corresponding to a small flow rate, and the scavenging discharge valve corresponds to a large flow rate. It consists of a valve. Therefore, in the fuel cell system, the two valves having different flow characteristics are arranged in parallel in the anode off-gas discharge system in an independent state.
Since the two valves are both used below freezing point, they are designed to move even in a frozen state (for example, see Patent Document 2).

特開2006−134807号公報(図1)JP 2006-134807 A (FIG. 1) 特開2005−265036号公報(図2)Japanese Patent Laying-Open No. 2005-265036 (FIG. 2)

しかしながら、前記特許文献1等に記載された従来の燃料電池システムでは、燃料排ガス(アノードオフガス)排出用のバルブは、いずれも氷点下の環境においても作動できるように構成されているので、大きくて重く、部品点数が多いため、コストが高いという問題点があった。   However, in the conventional fuel cell system described in Patent Document 1 and the like, all the valves for discharging the fuel exhaust gas (anode off gas) are configured so that they can operate even in an environment below freezing point. The problem is that the cost is high due to the large number of parts.

従来の燃料電池システムでは、パージ時と掃気時とのそれぞれの流量特性に応じて、パージ弁と掃気排出弁との2種類のバルブを並列配置しているので、重量が重くなると共に、コストアップするため、軽量化とコストダウンとを図ることが大きな課題となっていた。   In the conventional fuel cell system, two types of valves, a purge valve and a scavenging exhaust valve, are arranged in parallel according to the flow rate characteristics during purging and scavenging, which increases the weight and costs. Therefore, it has been a big problem to reduce the weight and reduce the cost.

通常、アノードオフガス排出系のバルブは、水素等の燃料排ガスを完全に遮断する機能が要求され、バタフライバルブやニードル弁のような流量調整弁を使用することができないという問題点があった。   Usually, the anode off-gas exhaust system valve is required to have a function of completely shutting off fuel exhaust gas such as hydrogen, and there is a problem that a flow rate adjusting valve such as a butterfly valve or a needle valve cannot be used.

また、それらの方式の流量調整弁に凍結状態でも働くように機能を持たせるためには、流量調整弁を駆動させるアクチュエータが大型化するという問題点や、凍結防止用のヒーターの設置等が必要となって、部品点数やコストが増大するという問題点があった。   In addition, in order to make these types of flow rate control valves function in a frozen state, it is necessary to increase the size of the actuator that drives the flow rate control valve and to install a freeze prevention heater. As a result, the number of parts and the cost increase.

そこで、本発明は、燃料電池のアノード系の燃料排ガス路から排出される燃料排ガスを制御するバルブを小型化および軽量化できる燃料電池システムを提供することを課題とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can reduce the size and weight of a valve that controls fuel exhaust gas discharged from an anode fuel exhaust path of a fuel cell.

前記課題を解決するための手段として、請求項1に記載の燃料電池システムの発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記アノードを通過した燃料ガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、前記アノードからの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、前記燃料排ガス路からの前記燃料排ガスをパージするパージ手段と、前記アノードに掃気ガスを導入し、このアノードおよび前記燃料ガス循環路内の残留ガスを前記燃料排ガス路を通して掃気する掃気手段との少なくとも一方と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料排ガス路に直列に配置された開閉制御可能な開閉弁および流量調整可能な流量調整弁と、前記開閉弁と前記流量調整弁とを制御することにより、前記パージ手段によるパージ時のパージ流量と前記掃気手段とによる掃気時の掃気流量の少なくとも一方の制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする。   As a means for solving the above-mentioned problem, the invention of the fuel cell system according to claim 1 includes a fuel cell that generates power by reacting a fuel gas supplied to the anode and an oxidant gas supplied to the cathode. A fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the anode, an oxidant gas supply path for supplying an oxidant gas to the cathode, and a fuel gas circulation for returning the fuel gas that has passed through the anode to the fuel gas supply path A fuel exhaust path for discharging the fuel exhaust gas from the anode, a purge means for purging the fuel exhaust gas from the fuel exhaust path, and a scavenging gas is introduced into the anode, and the anode and the fuel gas circulation path And at least one of scavenging means for scavenging residual gas in the fuel exhaust gas passage, in the fuel exhaust gas passage An on-off control valve and a flow rate adjustment valve arranged in series, a flow rate adjustment valve capable of adjusting the flow rate, and the on-off valve and the flow rate adjustment valve are controlled, whereby the purge flow rate when purging by the purge means and the scavenging means are controlled. And control means for controlling at least one of the scavenging flow rates during scavenging.

請求項1に記載の燃料電池システムの発明によれば、燃料排ガス路に開閉制御可能な開閉弁と流量調整可能な流量調整弁とを直列に配置して、開閉弁と流量調整弁とを制御手段で制御することにより、燃料排ガスの排出流量を調整できる。その結果、開閉弁および流量調整弁は、遮断シール性および作動差圧が低くなるため、バルブ全体を小型化することが可能となる。すなわち、燃料電池システムは、2つの異なる流量特性を持つバルブを並列に配置した従来の場合と比較して、バルブ全体を小型化および軽量化することが可能となる。
また、燃料電池システムは、パージ手段によるパージ時のパージ流量と掃気手段とによる掃気時の掃気流量の少なくとも一方の制御を行う制御手段を備えたことにより、燃料電池システムの運転条件に合わせて排出流量を任意に変えることが可能となる。その結果、燃料電池システムは、不要なパージや掃気を適宜に抑制し、燃費の向上を図ることができる。
なお、パージ手段と掃気手段とを両方設けて、パージと掃気の両方を行った場合には、燃料排ガスの排出流量の制御をさらに効率よく行うことができるので、燃費もさらに向上させることができる。
According to the fuel cell system of the first aspect of the present invention, the on-off valve that can be controlled to open and close and the flow rate adjustment valve that can adjust the flow rate are arranged in series in the fuel exhaust gas path to control the on-off valve and the flow rate adjustment valve. By controlling by means, the discharge flow rate of the fuel exhaust gas can be adjusted. As a result, the on-off valve and the flow rate adjustment valve have a low shut-off sealing property and an operating differential pressure, so that the entire valve can be reduced in size. That is, in the fuel cell system, the entire valve can be reduced in size and weight as compared with the conventional case in which two valves having different flow characteristics are arranged in parallel.
Further, the fuel cell system is provided with a control means for controlling at least one of the purge flow rate at the time of purging by the purge means and the scavenging flow rate at the time of scavenging by the scavenging means, so that discharge is performed in accordance with the operating conditions of the fuel cell system. It is possible to arbitrarily change the flow rate. As a result, the fuel cell system can appropriately suppress unnecessary purging and scavenging and improve fuel efficiency.
Note that when both the purge means and the scavenging means are provided and both the purge and the scavenging are performed, the exhaust flow rate of the fuel exhaust gas can be controlled more efficiently, and the fuel consumption can be further improved. .

請求項2に記載の燃料電池システムの発明は、請求項1に記載された燃料電池システムであって、前記開閉弁は、凍結対策を施した弁装置から構成すると共に、前記流量調整弁の上流側に配置したことを特徴とする。
ここで、凍結対策とは、開閉弁を通過するガス中に含まれている水分が温度の低下によって凍結して弁体が開閉不能となることを防止するための対策であり、その構造は特に限定されない。凍結対策は、例えば、弁体装置内に水分が溜まらないようにして凍結を防止する構造や、弁体および弁座の位置をバルブ内の流路底面より高く配置して水分が溜まる可能性がある部位から弁体を離間して弁体の凍結を防止する構造、アクチュエータの内部に水が浸入するのを防止する構造等の対策が挙げられる。
The invention of the fuel cell system according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the on-off valve is constituted by a valve device that has taken a countermeasure against freezing, and upstream of the flow rate adjustment valve. It is arranged on the side.
Here, the anti-freezing measure is a measure for preventing moisture contained in the gas passing through the on-off valve from freezing due to a decrease in temperature and making the valve body incapable of being opened and closed. It is not limited. Freezing measures include, for example, a structure that prevents freezing by preventing water from accumulating in the valve body device, and the possibility of water accumulation by placing the valve body and valve seat higher than the bottom of the flow path in the valve. Measures such as a structure that separates the valve body from a certain part to prevent the valve body from freezing and a structure that prevents water from entering the inside of the actuator can be cited.

請求項2に記載の燃料電池システムの発明によれば、開閉弁は、凍結対策を施した弁装置から構成すると共に、流量調整弁の上流側に配置したことにより、弁装置が停止した後に、アノード系内のガス中の水蒸気の露結、凍結により流量調整弁が作動不良になることが防止される。その結果、下流側に配置された流量調整弁は、氷点下であっても流量調整機能を保持することができる。   According to the invention of the fuel cell system according to claim 2, the on-off valve is constituted by a valve device that has been subjected to anti-freezing measures, and disposed on the upstream side of the flow regulating valve, so that after the valve device stops, It is possible to prevent the flow rate adjusting valve from malfunctioning due to condensation or freezing of water vapor in the gas in the anode system. As a result, the flow rate adjusting valve arranged on the downstream side can maintain the flow rate adjusting function even when it is below freezing point.

請求項3に記載の燃料電池システムの発明は、請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムであって、前記開閉弁と前記流量調整弁とを一体に構成したことを特徴とする。   A fuel cell system according to a third aspect is the fuel cell system according to the first or second aspect, wherein the on-off valve and the flow rate adjusting valve are integrally formed.

請求項3に記載の燃料電池システムの発明によれば、前記開閉弁と前記流量調整弁とを一体に構成したことにより、燃料電池システムにおけるバルブの個数および部品点数を削減して、コストの低減を図ることができる。   According to the fuel cell system of the present invention, since the on-off valve and the flow rate adjusting valve are integrally formed, the number of valves and the number of parts in the fuel cell system are reduced, thereby reducing the cost. Can be achieved.

請求項4に記載の燃料電池システムの発明は、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記燃料電池システムが停止する際に、前記流量調整弁を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に前記燃料電池システムを停止させることを特徴とする。   A fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the control means is configured to stop the fuel cell system when the fuel cell system stops. The fuel cell system is stopped after setting the flow rate adjusting valve to a purge flow rate to be performed at the next startup.

請求項4に記載の燃料電池システムの発明によれば、燃料電池装置は、停止する際に、前記流量調整弁を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に停止させることにより、燃料電池システムを起動した際に、流量調整弁を作動させてパージ流量を設定することを解消できる。   According to the fuel cell system of the present invention, when the fuel cell device is stopped, the fuel cell system is started by stopping the flow rate adjusting valve after setting the flow rate adjusting valve to a purge flow rate to be performed next time. In this case, it is possible to eliminate the setting of the purge flow rate by operating the flow rate adjustment valve.

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池のアノード系の燃料排ガス路から排出される燃料排ガスを制御するバルブを小型化および軽量化できる。また、燃料排ガス路から排出される燃料排ガスの流量を小流量から大流量までの広範囲に制御することが可能な燃料電池システムを提供することができる。   According to the fuel cell system of the present invention, the valve for controlling the fuel exhaust gas discharged from the fuel exhaust system of the anode system of the fuel cell can be reduced in size and weight. In addition, it is possible to provide a fuel cell system capable of controlling the flow rate of the fuel exhaust gas discharged from the fuel exhaust gas passage in a wide range from a small flow rate to a large flow rate.

以下、図1を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。
図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
Hereinafter, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the present embodiment.

≪燃料電池システムの構成≫
図1に示すように、燃料電池システム1は、例えば、燃料電池10の発電電力によって走行用の電動モータ(走行モータ)を回転させて走行する燃料電池自動車に搭載されるシステムである。燃料電池自動車の停止時(燃料電池10の停止時)に、燃料電池10に掃気ガスを供給し、燃料電池10の燃料ガス供給路11および酸化剤ガス供給路12を掃気するシステムである。この燃料電池システム1は、それぞれ後記する燃料電池10と、燃料ガス供給路11と、酸化剤ガス供給路12と、掃気ガス導入路13と、燃料ガス循環路14と、燃料排ガス路15と、燃料排ガス希釈手段40と、掃気手段30と、パージ手段41と、開閉弁42と、流量調整弁43と、圧力調整弁51と、制御装置(制御手段)60と、を備えている。なお、燃料電池システム1において、掃気手段30とパージ手段41とは、少なくともどちらか一方だけ備えていればよい。以下、掃気手段30とパージ手段41を両方備えて制御装置60で制御する燃料電池システム1を例に挙げて説明する。
≪Configuration of fuel cell system≫
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 is a system that is mounted on a fuel cell vehicle that travels by rotating a traveling electric motor (traveling motor) with power generated by the fuel cell 10, for example. When the fuel cell vehicle is stopped (when the fuel cell 10 is stopped), scavenging gas is supplied to the fuel cell 10 and the fuel gas supply path 11 and the oxidant gas supply path 12 of the fuel cell 10 are scavenged. The fuel cell system 1 includes a fuel cell 10, a fuel gas supply path 11, an oxidant gas supply path 12, a scavenging gas introduction path 13, a fuel gas circulation path 14, a fuel exhaust gas path 15, which will be described later, A fuel exhaust gas dilution means 40, a scavenging means 30, a purge means 41, an on-off valve 42, a flow rate adjustment valve 43, a pressure adjustment valve 51, and a control device (control means) 60 are provided. In the fuel cell system 1, it is sufficient that at least one of the scavenging means 30 and the purging means 41 is provided. Hereinafter, the fuel cell system 1 having both the scavenging means 30 and the purge means 41 and controlled by the control device 60 will be described as an example.

≪燃料電池の構成≫
図1に示す燃料電池10(燃料電池スタック)は、主として、一価の陽イオン交換型の電解質膜の両面を触媒が担持されたアノード(燃料極)10aおよびカソード(空気極)10bで挟持してなる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体)10cと、MEAを挟持するセパレータとからなる単セルが、複数積層された固体高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、PEFC)からなる。燃料電池10は、アノード10aに供給される水素等の燃料ガスと、カソード10bに供給される加湿空気等の酸化剤ガスとを反応させて発電するように構成されている。
≪Configuration of fuel cell≫
A fuel cell 10 (fuel cell stack) shown in FIG. 1 mainly has a monovalent cation exchange type electrolyte membrane sandwiched between an anode (fuel electrode) 10a and a cathode (air electrode) 10b on which a catalyst is supported. Polymer Electrolyte Fuel Cell, in which a plurality of single cells each comprising a membrane electrode assembly (MEA) 10c and a separator sandwiching the MEA are stacked. PEFC). The fuel cell 10 is configured to generate power by reacting a fuel gas such as hydrogen supplied to the anode 10a with an oxidant gas such as humidified air supplied to the cathode 10b.

≪燃料ガス供給路の構成≫
図1に示すように、燃料ガス供給路11は、燃料電池10のアノード10aに燃料ガスタンク21内の燃料ガスを供給するアノード系の供給路である。この燃料ガス供給路11には、例えば、燃料ガスタンク21と、遮断弁22と、レギュレータ23と、フィルタ24と、熱交換器25と、エゼクタ26と、が備えられている。なお、燃料ガス供給路11には、例えば、遮断弁22とレギュレータ23との間に掃気ガス供給路17を接続してもよい。このようにすれば、図1に矢印Aで示す燃料ガス供給路(配管21aから配管26a間)11の掃気が可能になり、全体の掃気ができる。
≪Configuration of fuel gas supply path≫
As shown in FIG. 1, the fuel gas supply path 11 is an anode-type supply path that supplies the fuel gas in the fuel gas tank 21 to the anode 10 a of the fuel cell 10. The fuel gas supply path 11 includes, for example, a fuel gas tank 21, a shutoff valve 22, a regulator 23, a filter 24, a heat exchanger 25, and an ejector 26. For example, a scavenging gas supply path 17 may be connected to the fuel gas supply path 11 between the shutoff valve 22 and the regulator 23. In this way, scavenging of the fuel gas supply path (between the pipe 21a and the pipe 26a) 11 indicated by the arrow A in FIG. 1 is possible, and the entire scavenging can be performed.

燃料ガスタンク21は、燃料ガスとしての水素等が貯蔵されたタンクであり、配管21aを介して遮断弁22に接続されている。
遮断弁22は、燃料ガスタンク21から流出される燃料ガスの流出を調整する電磁バルブであり、配管22aを介してレギュレータ23に接続されている。遮断弁22は、制御装置60と電気的に接続されており、この制御装置60によって適宜に弁体が開閉制御されるようになっている。
The fuel gas tank 21 is a tank in which hydrogen or the like as a fuel gas is stored, and is connected to the shutoff valve 22 via a pipe 21a.
The shut-off valve 22 is an electromagnetic valve that adjusts the outflow of the fuel gas flowing out from the fuel gas tank 21, and is connected to the regulator 23 via the pipe 22a. The shut-off valve 22 is electrically connected to the control device 60, and the valve body is appropriately controlled to open and close by the control device 60.

レギュレータ23は、燃料ガスを所定の圧力に調整するための減圧調整弁からなり、下流側に燃料ガスを浄化するフィルタ24が備えられている。レギュレータ23は、制御装置60と電気的に接続されており、この制御装置60の駆動信号によって燃料ガスの圧力を減圧制御するようになっている。そのレギュレータ23は、フィルタ24および配管24aを介して熱交換器25に接続されている。   The regulator 23 includes a pressure reducing valve for adjusting the fuel gas to a predetermined pressure, and a filter 24 for purifying the fuel gas is provided on the downstream side. The regulator 23 is electrically connected to the control device 60, and the pressure of the fuel gas is controlled to be reduced by a drive signal of the control device 60. The regulator 23 is connected to the heat exchanger 25 via a filter 24 and a pipe 24a.

熱交換器25は、レギュレータ23による燃料ガスの減圧時に発生した熱を熱交換して低下させるための装置であり、配管25aを介してエゼクタ26に接続されている。
エゼクタ26は、燃料電池10のアノード10aから排出された未反応の水素を含むアノードオフガスを燃料ガス循環路14に循環させるための機器であり、配管26aを介して燃料電池10の燃料ガス導入口に接続されている。
The heat exchanger 25 is a device for exchanging and reducing the heat generated when the fuel gas is decompressed by the regulator 23, and is connected to the ejector 26 via a pipe 25a.
The ejector 26 is a device for circulating the anode off-gas containing unreacted hydrogen discharged from the anode 10a of the fuel cell 10 to the fuel gas circulation path 14, and the fuel gas inlet of the fuel cell 10 via the pipe 26a. It is connected to the.

≪酸化剤ガス供給路の構成≫
図1に示すように、酸化剤ガス供給路12は、燃料電池10のカソード10bに空気等の酸化剤ガスを供給する供給路である。酸化剤ガス供給路12は、例えば、一端側が酸化剤ガスを送るためのコンプレッサ(図示せず)や、酸化剤ガスを加湿させるための加湿器(図示せず)等に接続され、他端側が配管12aによってカソード10bに接続されている。
≪Configuration of oxidant gas supply path≫
As shown in FIG. 1, the oxidant gas supply path 12 is a supply path that supplies an oxidant gas such as air to the cathode 10 b of the fuel cell 10. The oxidant gas supply path 12 is connected to, for example, a compressor (not shown) for sending the oxidant gas at one end side, a humidifier (not shown) for humidifying the oxidant gas, and the other end side. It is connected to the cathode 10b by a pipe 12a.

≪掃気ガス導入路の構成≫
図1に示すように、掃気ガス導入路13は、燃料電池10の掃気時に、掃気ガス(空気等の酸化剤ガス)を、カソード系からアノード系に導くための流路であり、掃気導入弁31を主に備えて構成されている。
≪Configuration of scavenging gas introduction path≫
As shown in FIG. 1, the scavenging gas introduction path 13 is a flow path for guiding the scavenging gas (oxidant gas such as air) from the cathode system to the anode system when scavenging the fuel cell 10. 31 is mainly provided.

<掃気導入弁の構成>
掃気導入弁31は、掃気ガス導入路13を開閉するための電磁バルブであり、燃料電池10の発電時に、酸化剤ガス供給路12と燃料ガス供給路11との連通を遮断し、掃気時に、弁体を開放して酸化剤ガス供給路12の酸化剤ガスを燃料ガス供給路(配管26a)11に導入させる電磁バルブである。この掃気導入弁31は、制御装置60と電気的に接続されており、この制御装置60の駆動信号によって弁体を開いて掃気ガス導入路13から掃気ガスをアノード系へ流すように開閉制御される。この掃気導入弁31は、上流側が、配管31aを介してカソード系の前記配管12aに接続され、下流側が、配管31bを介して、アノード系の前記配管26aに接続されている。
<Configuration of scavenging introduction valve>
The scavenging introduction valve 31 is an electromagnetic valve for opening and closing the scavenging gas introduction passage 13. The scavenging gas introduction passage 31 shuts off the communication between the oxidant gas supply passage 12 and the fuel gas supply passage 11 when the fuel cell 10 generates power. This is an electromagnetic valve that opens the valve body and introduces the oxidant gas in the oxidant gas supply path 12 into the fuel gas supply path (pipe 26a) 11. The scavenging introduction valve 31 is electrically connected to the control device 60 and is controlled to be opened and closed so that the valve body is opened by the drive signal of the control device 60 and the scavenging gas flows from the scavenging gas introduction passage 13 to the anode system. The The scavenging introduction valve 31 has an upstream side connected to the cathode system pipe 12a through a pipe 31a and a downstream side connected to the anode system pipe 26a through a pipe 31b.

<掃気手段の構成>
掃気手段30は、燃料電池システム1の停止時に、前記掃気導入弁31を開いて掃気ガス導入路13からアノード10aに掃気ガス(酸化剤ガス)を導入し、このアノード10aと燃料ガス循環路14内の残留ガスを燃料排ガス路15を通して掃気するものである。この掃気手段30は、掃気ガス導入路13と、掃気導入弁31と、燃料ガス循環路14と、エゼクタ26と、後記する燃料排ガス路15と、開閉弁42と、流量調整弁43と、から主に構成されている。
<Configuration of scavenging means>
When the fuel cell system 1 is stopped, the scavenging means 30 opens the scavenging introduction valve 31 to introduce scavenging gas (oxidant gas) from the scavenging gas introduction path 13 to the anode 10a, and the anode 10a and the fuel gas circulation path 14 The residual gas is scavenged through the fuel exhaust gas passage 15. The scavenging means 30 includes a scavenging gas introduction path 13, a scavenging introduction valve 31, a fuel gas circulation path 14, an ejector 26, a fuel exhaust gas path 15 to be described later, an on-off valve 42, and a flow rate adjustment valve 43. It is mainly composed.

≪燃料ガス循環路の構成≫
図1に示すように、燃料ガス循環路14は、アノード10aを通過した燃料ガスを前記燃料ガス供給路11に戻すための循環流路であり、上流側が燃料電池10に接続され、下流側がエゼクタ26に接続されている。
≪Configuration of fuel gas circuit≫
As shown in FIG. 1, the fuel gas circulation path 14 is a circulation path for returning the fuel gas that has passed through the anode 10a to the fuel gas supply path 11, the upstream side being connected to the fuel cell 10, and the downstream side being an ejector. 26.

≪燃料排ガス路の構成≫
燃料排ガス路15は、燃料電池10のアノード10aからの燃料排ガスを排出する流路である。燃料排ガス路15には、パージ手段41を構成する開閉弁42、および流量調整弁43と、燃料排ガス希釈手段40を構成する希釈器44と、が備えられている。なお、この燃料排ガス路15において、この燃料排ガス路15を開閉制御可能な開閉弁42と、流量調整可能な流量調整弁43とは、直列に配置されている。
≪Configuration of fuel exhaust path≫
The fuel exhaust gas passage 15 is a passage for discharging fuel exhaust gas from the anode 10 a of the fuel cell 10. The fuel exhaust gas passage 15 is provided with an on-off valve 42 that constitutes the purge means 41, a flow rate adjusting valve 43, and a diluter 44 that constitutes the fuel exhaust gas dilution means 40. In the fuel exhaust gas passage 15, an on-off valve 42 capable of controlling the opening and closing of the fuel exhaust gas passage 15 and a flow rate adjusting valve 43 capable of adjusting the flow rate are arranged in series.

≪パージ手段の構成≫
前記パージ手段41は、燃料電池システム1の運転中に燃料ガス循環路14内に混在する水分や、その他の不純物を適宜に外部に排出することを主な目的とするものである。このパージ手段41は、酸化剤ガス供給路12の酸化剤ガスを掃気ガス導入路13から燃料ガス循環路14に送って、燃料ガス循環路14内のオフガスを燃料排ガス路15へ押し出すように構成されている。パージ手段41は、例えば、掃気ガス導入路13と、掃気導入弁31と、燃料ガス循環路14と、エゼクタ26と、燃料排ガス路15と、開閉弁42と、流量調整弁43と、希釈器44と、から主に構成されている。
≪Configuration of purge means≫
The purge means 41 is mainly intended to appropriately discharge moisture and other impurities mixed in the fuel gas circulation path 14 during operation of the fuel cell system 1. The purge means 41 is configured to send the oxidant gas in the oxidant gas supply path 12 from the scavenging gas introduction path 13 to the fuel gas circulation path 14 and push off the off-gas in the fuel gas circulation path 14 to the fuel exhaust gas path 15. Has been. The purge means 41 includes, for example, a scavenging gas introduction path 13, a scavenging introduction valve 31, a fuel gas circulation path 14, an ejector 26, a fuel exhaust gas path 15, an on-off valve 42, a flow rate adjustment valve 43, and a diluter. 44.

<開閉弁の構成>
開閉弁42は、燃料排ガスを燃料電池10から排出する燃料排ガス路15を開閉するための電磁バルブであり、上流側が配管15aによって燃料電池10に接続され、下流側が流路42aによって流量調整弁43に接続されている。開閉弁42は、凍結対策を施した弁装置から構成されると共に、流量調整弁43の上流側に配置されている。この開閉弁42は、制御装置60と電気的に接続されており、この制御装置60の駆動信号によって弁体が開閉制御されるように構成されている。
<Configuration of on-off valve>
The on-off valve 42 is an electromagnetic valve for opening and closing the fuel exhaust gas passage 15 for discharging the fuel exhaust gas from the fuel cell 10, and the upstream side is connected to the fuel cell 10 by the pipe 15a, and the downstream side is the flow rate adjusting valve 43 by the channel 42a. It is connected to the. The on-off valve 42 is composed of a valve device that has taken measures against freezing and is disposed upstream of the flow rate adjusting valve 43. The on-off valve 42 is electrically connected to the control device 60, and is configured such that the valve body is controlled to open and close by a drive signal of the control device 60.

<流量調整弁の構成>
流量調整弁43は、パージ時および掃気時に、開閉弁42から流れて来る燃料ガスの流量を調整(低減)させてから下流の希釈器44に流すためのバルブであり、上流側が流路42aによって開閉弁42に接続され、下流側が配管43aによって希釈器44に接続されている。この流量調整弁43は、制御装置60と電気的に接続されており、この制御装置60の駆動信号によって弁体が適宜な開度に開閉制御されるように構成されている。
<Configuration of flow control valve>
The flow rate adjusting valve 43 is a valve for adjusting (reducing) the flow rate of the fuel gas flowing from the on-off valve 42 during purging and scavenging, and then flowing it to the downstream diluter 44. The on-off valve 42 is connected, and the downstream side is connected to the diluter 44 by a pipe 43a. The flow rate adjusting valve 43 is electrically connected to the control device 60, and is configured such that the valve body is controlled to open and close to an appropriate opening degree by a drive signal of the control device 60.

≪燃料排ガス希釈手段の構成≫
燃料排ガス希釈手段40は、燃料電池10に接続された燃料排ガス路15から排出された燃料排ガスを希釈器44で希釈ガス(酸化剤ガス)に合流させることによって希釈して大気中に排出するための装置である。
≪Configuration of fuel exhaust gas dilution means≫
The fuel exhaust gas dilution means 40 dilutes the fuel exhaust gas discharged from the fuel exhaust gas passage 15 connected to the fuel cell 10 with the diluent gas (oxidant gas) by the diluter 44 and discharges it to the atmosphere. It is a device.

<希釈器の構成>
希釈器44は、水素等の燃料排ガスを、酸化剤ガス供給路12に接続した希釈ガス導入路(図示せず)の酸化剤ガスや、酸化剤ガス排出路16から送られて来る酸化剤ガス(カソードオフガス)等の希釈ガスによって希釈し流速を調整して配管44aから燃料電池自動車の外部に排出するための装置である。
<Configuration of the diluter>
The diluter 44 oxidizes a fuel exhaust gas such as hydrogen as an oxidant gas in a dilute gas introduction path (not shown) connected to the oxidant gas supply path 12 or an oxidant gas sent from the oxidant gas discharge path 16. This is a device for diluting with a diluent gas such as (cathode off-gas) and adjusting the flow rate and discharging it from the pipe 44a to the outside of the fuel cell vehicle.

≪酸化剤ガス排出路の構成≫
燃料電池10のカソード10bから排出されるカソードオフガスを排出するための流路であり、上流側がカソード10bに接続され、下流側が内圧を調整するための圧力調整弁51を介在して希釈器44に接続されている。
≪Configuration of oxidant gas discharge passage≫
A flow path for discharging the cathode off-gas discharged from the cathode 10b of the fuel cell 10, the upstream side being connected to the cathode 10b and the downstream side being connected to the diluter 44 via a pressure adjusting valve 51 for adjusting the internal pressure. It is connected.

≪制御装置(制御手段)の構成≫
前記制御装置60は、前記以外に、開閉弁42と流量調整弁43とを制御することにより、パージ手段41によるパージ時のパージ流量と、掃気手段30による掃気時の掃気流量との制御を行う機能を備えている。また、制御装置60は、燃料電池システム1が停止する際に、流量調整弁43を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に停止するように構成されている。制御装置60は、イグニッションスイッチ(図示せず)に接続されて、このイグニッションスイッチのON/OFFに連動して作動するようになっている。この制御装置60は、例えば、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。
≪Configuration of control device (control means) ≫
In addition to the above, the control device 60 controls the on-off valve 42 and the flow rate adjusting valve 43 to control the purge flow rate when purging by the purge means 41 and the scavenging flow rate when scavenging by the scavenging means 30. It has a function. In addition, when the fuel cell system 1 stops, the control device 60 is configured to stop after setting the flow rate adjustment valve 43 to the purge flow rate that is performed at the next startup. The control device 60 is connected to an ignition switch (not shown), and operates in conjunction with ON / OFF of the ignition switch. The control device 60 includes, for example, a CPU, ROM, RAM, various interfaces, electronic circuits, and the like.

さらに説明すると、例えば、燃料電池10を構成するいずれかの単セルのセル電圧の低下により、燃料オフガス中の水分量(つまり、アノード10a内の水分量)や異種ガスの濃度が高いと推定される場合(パージ時)、制御装置60は、開閉弁42および流量調整弁43を開き、この水分量の高い燃料オフガスを配管43aを介して希釈器44に送る機能を備えている。   More specifically, for example, due to a decrease in the cell voltage of any single cell constituting the fuel cell 10, it is estimated that the amount of water in the fuel off-gas (that is, the amount of water in the anode 10a) and the concentration of different gases are high. (When purging), the control device 60 has a function of opening the on-off valve 42 and the flow rate adjusting valve 43 and sending the fuel off-gas having a high water content to the diluter 44 through the pipe 43a.

一方、各単セルのセル電圧が良好な値であることにより、燃料オフガス中の水分量が適切と推定される場合(燃料循環時)、制御装置60は、開閉弁42および流量調整弁43を閉じて、燃料オフガスが燃料ガス循環路14からエゼクタ26に戻され、燃料ガスが循環して効率的よく利用されるように制御する機能を備えている。
ただし、水素パージの方式は、このようなセル電圧に基づく方式に限定されず、その他の方式であっても構わない。
On the other hand, when the cell voltage of each single cell is a good value and the amount of water in the fuel off-gas is estimated to be appropriate (during fuel circulation), the control device 60 controls the on-off valve 42 and the flow rate adjustment valve 43. The fuel gas is closed and returned to the ejector 26 from the fuel gas circulation path 14 so that the fuel gas is circulated and used efficiently.
However, the hydrogen purge method is not limited to a method based on such a cell voltage, and other methods may be used.

≪燃料電池システムの動作≫
次に、図1を参照して、燃料電池システム1の動作について説明する。
まず、燃料電池10の電力の発生について説明する。
図1に示すように、燃料電池10は、燃料ガスが燃料ガスタンク21から燃料ガス供給路11、およびこの燃料ガス供給路11に設置されたエゼクタ26等の機器を介して供給される燃料ガス(水素)と、コンプレッサ(図示せず)から酸化剤ガス供給路12によって供給される酸化剤ガス(酸素)との電気化学反応によって電力および熱を発生する。
≪Operation of fuel cell system≫
Next, the operation of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG.
First, generation of electric power of the fuel cell 10 will be described.
As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 includes a fuel gas (a fuel gas supplied from a fuel gas tank 21 via a fuel gas supply path 11 and an apparatus such as an ejector 26 installed in the fuel gas supply path 11). Hydrogen and electric power and heat are generated by an electrochemical reaction between a compressor (not shown) and an oxidant gas (oxygen) supplied through an oxidant gas supply path 12.

次に、燃料電池システム1の定常運転時の状態を説明する。
燃料電池システム1の定常運転時には、掃気導入弁31、開閉弁42、および流量調整弁43が制御装置60によって閉められている。このため、エゼクタ26からアノード10aに送られた燃料ガスは、燃料ガス循環路14を通って、再びアノード10aに戻るように循環される。このようにして燃料ガスの無駄な消費が削減されている。
Next, the state at the time of steady operation of the fuel cell system 1 will be described.
During steady operation of the fuel cell system 1, the scavenging introduction valve 31, the on-off valve 42, and the flow rate adjustment valve 43 are closed by the control device 60. Therefore, the fuel gas sent from the ejector 26 to the anode 10a is circulated so as to return to the anode 10a again through the fuel gas circulation path 14. In this way, useless consumption of fuel gas is reduced.

次に、パージ時の状態について説明する。
走行中に、図1に示す開閉弁42および流量調整弁43が開かれてパージがあると、燃料排ガスは、燃料電池10から燃料排ガス路15、開閉弁42、流量調整弁43、および希釈器44を介して燃料電池システム1の外部へ排出される。
Next, the state at the time of purging will be described.
When the on-off valve 42 and the flow rate adjustment valve 43 shown in FIG. 1 are opened and purged during traveling, the fuel exhaust gas is sent from the fuel cell 10 to the fuel exhaust gas passage 15, the on-off valve 42, the flow rate adjustment valve 43, and the diluter. It is discharged to the outside of the fuel cell system 1 through 44.

このとき、開閉弁42から排出される燃料排ガスの流量は、その下流に配置された流量調整弁43が、制御装置60からの駆動信号で作動させることによって調整される。その燃料排ガスは、さらに、希釈器44によって流速が抑制されて流れるようになる。また、その希釈器44では、酸化剤ガス排出路16からカソードオフガス(希釈ガス)が流れ込んで合流して、水素等の燃料排ガスが混合および希釈されてから配管44aから外部に排気される。   At this time, the flow rate of the fuel exhaust gas discharged from the on-off valve 42 is adjusted by operating the flow rate adjusting valve 43 disposed downstream thereof with a drive signal from the control device 60. The fuel exhaust gas further flows with the flow rate suppressed by the diluter 44. In the diluter 44, cathode off-gas (diluted gas) flows from the oxidant gas discharge passage 16 and joins, and fuel exhaust gas such as hydrogen is mixed and diluted, and then exhausted to the outside through the pipe 44a.

掃気時の状態について説明する。
そして、燃料電池10の発電状態を停止して、燃料ガス循環路14内の燃料ガスの圧力が低下したときに、センサ(図示せず)と制御装置60とによって、掃気導入弁31、開閉弁42、および流量調整弁43が開かれる。すると、燃料ガス循環路14内の燃料ガスが燃料排ガス路15、開閉弁42、流量調整弁43、および希釈器44を通って配管44aから外部に排出される。
A state during scavenging will be described.
Then, when the power generation state of the fuel cell 10 is stopped and the pressure of the fuel gas in the fuel gas circulation path 14 is reduced, the scavenging introduction valve 31 and the on-off valve are controlled by the sensor (not shown) and the control device 60. 42 and the flow regulating valve 43 are opened. Then, the fuel gas in the fuel gas circulation path 14 is discharged from the pipe 44 a to the outside through the fuel exhaust gas path 15, the on-off valve 42, the flow rate adjusting valve 43, and the diluter 44.

すなわち、掃気導入弁31は、制御装置60からの駆動信号により、ON状態に切り換わって開弁される。すると、コンプレッサ(図示せず)からの酸化剤ガス(掃気ガス)が、酸化剤ガス供給路12および掃気ガス導入路13を通って燃料ガス供給路11に流れ込み、アノード10a、燃料排ガス路15、開閉弁42、流量調整弁43、および希釈器44を通って外部に排出されて、燃料ガス循環路14を循環していた燃料オフガス(残留ガス)が押し出されるようにして掃気される。   That is, the scavenging introduction valve 31 is switched to an ON state and opened by a drive signal from the control device 60. Then, the oxidant gas (scavenging gas) from the compressor (not shown) flows into the fuel gas supply path 11 through the oxidant gas supply path 12 and the scavenging gas introduction path 13, and the anode 10a, the fuel exhaust gas path 15, The fuel off-gas (residual gas) that has been discharged to the outside through the on-off valve 42, the flow rate adjusting valve 43, and the diluter 44 and circulated through the fuel gas circulation path 14 is purged.

次に、掃気が完了した場合を説明する。
燃料ガスの掃気が完了して、燃料電池10による発電状態の通常の状態に復帰させる場合、制御装置60によって遮断弁22およびレギュレータ23が開弁されて燃料ガス供給路11からエゼクタ7を介してアノード10aに燃料ガスが送られると共に、掃気導入弁31、開閉弁42、流量調整弁43が遮断される。そして、再び、アノード10aから排出された燃料ガスが、燃料ガス循環路14、エゼクタ26を介してアノード10aに戻る燃料ガスの循環が行われる。
Next, the case where scavenging is completed will be described.
When the scavenging of the fuel gas is completed and the fuel cell 10 returns to the normal power generation state, the control device 60 opens the shut-off valve 22 and the regulator 23 from the fuel gas supply path 11 via the ejector 7. While the fuel gas is sent to the anode 10a, the scavenging introduction valve 31, the on-off valve 42, and the flow rate adjusting valve 43 are shut off. Then, the fuel gas discharged from the anode 10a is circulated again to return to the anode 10a through the fuel gas circulation path 14 and the ejector 26.

このとき、開閉弁42および流量調整弁43は、制御装置60のOFF信号によって閉弁状態になることにより、燃料排ガス路15が遮断されて、酸化剤ガス(掃気ガス)が燃料ガス循環路14側に流れなくなり、掃気が停止される。   At this time, the on-off valve 42 and the flow rate adjusting valve 43 are closed by an OFF signal from the control device 60, whereby the fuel exhaust gas passage 15 is shut off and the oxidant gas (scavenging gas) is supplied to the fuel gas circulation passage 14. The scavenging is stopped.

燃料電池システム1の停止時について説明する。
制御装置60は、燃料電池システム1が停止する際に、前記流量調整弁43を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に燃料電池システム1を停止させるように駆動制御する。このため、燃料電池システム1を起動した際に、流量調整弁43を作動させてパージ流量を設定することを解消される。
The stop time of the fuel cell system 1 will be described.
When the fuel cell system 1 is stopped, the control device 60 controls the drive so that the fuel cell system 1 is stopped after setting the flow rate adjusting valve 43 to a purge flow rate to be performed at the next startup. For this reason, when the fuel cell system 1 is started, it is possible to eliminate setting the purge flow rate by operating the flow rate adjustment valve 43.

以上のように、本実施形態では、燃料排ガス路15に、開閉弁42と、流量調整可能な流量調整弁43とを直列に配置したことにより、開閉弁42と流量調整弁43とによって、燃料排ガス路15を流れる排ガスの排出流量を調整できると共に、確実に燃料排ガス路15を閉塞することもできる。その結果、開閉弁42および流量調整弁43は、遮断シール性が向上されて作動差圧が低くなるため、バルブ全体を小型化および軽量化することが可能となる。   As described above, in the present embodiment, the on-off valve 42 and the flow rate adjustment valve 43 that can adjust the flow rate are arranged in series in the fuel exhaust gas passage 15, so that the fuel can be generated by the on-off valve 42 and the flow rate adjustment valve 43. The exhaust flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust gas passage 15 can be adjusted, and the fuel exhaust gas passage 15 can be reliably closed. As a result, the on-off valve 42 and the flow rate adjusting valve 43 have improved shut-off sealing performance and lower operating differential pressure, so that the entire valve can be reduced in size and weight.

燃料電池システム1は、凍結対策を施した開閉弁42を流量調整弁43の上流側に配置したことにより、開閉弁42および流量調整弁43が停止した後に、アノード系内のガス中の水蒸気の露結、凍結により流量調整弁43が作動不良になることが防止され、氷点下であっても流量調整機能を保持することができる。   In the fuel cell system 1, the on-off valve 42 with anti-freezing measures is arranged on the upstream side of the flow rate adjustment valve 43, so that after the on-off valve 42 and the flow rate adjustment valve 43 are stopped, the water vapor in the gas in the anode system The flow regulating valve 43 is prevented from malfunctioning due to condensation and freezing, and the flow regulating function can be maintained even below freezing.

さらに、燃料電池システム1は、パージ手段41によるパージ時のパージ流量と掃気手段30とによる掃気時の掃気流量の制御を制御装置60の駆動信号で作動する流量調整弁43で行うことにより、燃料電池システム1の運転条件に合わせて排出流量を任意に変えることが可能となる。その結果、燃料電池システム1は、不要なパージを抑制し、燃費の向上を図ることができる。   Further, the fuel cell system 1 controls the purge flow rate at the time of purging by the purge means 41 and the scavenging flow rate at the time of scavenging by the scavenging means 30 by the flow rate adjusting valve 43 that is operated by the drive signal of the control device 60, thereby It becomes possible to arbitrarily change the discharge flow rate according to the operating conditions of the battery system 1. As a result, the fuel cell system 1 can suppress unnecessary purge and improve fuel efficiency.

≪変形例≫
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。
≪Modification≫
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea. The present invention extends to these modifications and changes. Of course.

図2は、本実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す図であり、開閉弁と流量調整弁とを一体にした複合弁を示す断面図である。
前記した実施形態では、図1に示すように、燃料排ガス路15に開閉弁42と流量調整弁43とを直列に配置した場合について説明したが、これに限定されず、図2に示すように、開閉弁46(42)と流量調整弁47(43)とを一体に構成した複合弁45としてもよい。
FIG. 2 is a view showing a modification of the fuel cell system according to the present embodiment, and is a cross-sectional view showing a composite valve in which an on-off valve and a flow rate adjustment valve are integrated.
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 1, the case where the on-off valve 42 and the flow rate adjusting valve 43 are arranged in series in the fuel exhaust gas passage 15 has been described, but the present invention is not limited to this, as shown in FIG. 2. Alternatively, the on-off valve 46 (42) and the flow rate adjustment valve 47 (43) may be integrated into a composite valve 45.

この場合、複合弁45は、例えば、ソレノイド駆動式の開閉弁46のバルブボディ461と、ステップモータ駆動式の流量調整弁47のバルブボディ471とを固定して一体にしている。複合弁45は、開閉弁46側に設けられて燃料電池10(図1参照)に接続される配管15aが接続される導入流路462と、流量調整弁47側に設けて希釈器44(図1参照)に接続される配管43aが接続される導出流路472と、が連通するように設けられている。   In this case, for example, the composite valve 45 is configured such that a valve body 461 of a solenoid-driven on-off valve 46 and a valve body 471 of a step motor-driven flow rate adjusting valve 47 are fixed and integrated. The composite valve 45 is provided on the on-off valve 46 side and connected to the piping 15a connected to the fuel cell 10 (see FIG. 1), and the diluter 44 (see FIG. 1), and a lead-out flow path 472 to which a pipe 43a connected to the pipe 43a is connected.

開閉弁46は、例えば、ソレノイド467のコイルに制御装置60(図1参照)からの駆動電流が流れた際の発生する磁力によって弁体464を備えたプランジャ466を作動させて464を開閉させる電磁弁である。この開閉弁46は、前記バルブボディ461と、バルブボディ461によって形成された導入流路462と、導入流路462内に設けられた弁座463と、弁座463を開閉する弁体464と、弁体464を弁座463に押圧して閉塞させるための弁ばね465と、先端に弁体464を設けたプランジャ466と、プランジャ466を作動させるソレノイド467と、プランジャ466を進退自在に支持するガイド部材468と、中心側をプランジャ466に固定して外週側をガイド部材468に固定したダイヤフラムDと、ハウジング469と、を備えて構成されている。   The on-off valve 46 is, for example, an electromagnetic that opens and closes the 464 by operating the plunger 466 provided with the valve body 464 by the magnetic force generated when the drive current from the control device 60 (see FIG. 1) flows through the coil of the solenoid 467. It is a valve. The on-off valve 46 includes the valve body 461, an introduction passage 462 formed by the valve body 461, a valve seat 463 provided in the introduction passage 462, a valve body 464 for opening and closing the valve seat 463, A valve spring 465 for pressing and closing the valve body 464 against the valve seat 463, a plunger 466 provided with a valve body 464 at the tip, a solenoid 467 for operating the plunger 466, and a guide for supporting the plunger 466 so as to advance and retract. A member 468, a diaphragm D having a central side fixed to the plunger 466 and an external week side fixed to the guide member 468, and a housing 469 are configured.

流量調整弁47は、例えば、ステップモータ474のコイル475に制御装置60(図1参照)からの駆動電流で回転するロータ476がねじ機構を介してニードル弁体473を作動させることによって、複合弁45内を流れる燃料排ガスの流量を調整する弁装置である。この流量調整弁47は、前記バルブボディ471と、バルブボディ471によって形成された導出流路472と、導出流路472内に設けられてこの導出流路472の流路の流量を調整するためのニードル弁体473と、ステップモータ474のコイル475と、このコイル475の磁力で回転してねじ機構を介してニードル弁体473を進退させるステップモータ474のロータ476と、を備えて構成されている。   For example, the flow rate adjusting valve 47 is a composite valve that is configured such that a rotor 476 that rotates with a drive current from a control device 60 (see FIG. 1) is actuated on a coil 475 of a step motor 474 via a screw mechanism. 45 is a valve device that adjusts the flow rate of the fuel exhaust gas flowing through the interior of the engine. The flow rate adjusting valve 47 is provided in the outlet channel 472 and the outlet channel 472 formed by the valve body 471, the valve body 471, and adjusts the flow rate of the outlet channel 472. The needle valve body 473, a coil 475 of the step motor 474, and a rotor 476 of the step motor 474 that rotates by the magnetic force of the coil 475 and advances and retracts the needle valve body 473 via a screw mechanism are configured. .

このように、開閉弁46を流量調整弁47とを一体にした複合弁45としたことにより、バルブの個数、およびバルブ全体の部品点数を削減して重量を軽量化すると共に、小型化およびコストの低減を図ることができる。   As described above, the on-off valve 46 is the composite valve 45 in which the flow rate adjusting valve 47 is integrated, thereby reducing the number of valves and the number of parts of the entire valve, reducing the weight, and reducing the size and cost. Can be reduced.

また、複合弁45は、図2に示すように、弁座463を開閉する弁体464が、導入流路462の流路底面、および導出流路472の流路底面より高い位置に配置されていることにより、排ガス中の水分がバルブボディ461,471内に溜まることがあったとしても浸水しないように設けられている。すなわち、複合弁45には、凍結対策を施されている。   Further, as shown in FIG. 2, the composite valve 45 has a valve body 464 that opens and closes the valve seat 463 disposed at a position higher than the flow channel bottom surface of the introduction flow channel 462 and the flow channel bottom surface of the discharge flow channel 472. Therefore, even if water in the exhaust gas is accumulated in the valve bodies 461 and 471, it is provided so as not to be submerged. That is, the composite valve 45 has a countermeasure against freezing.

さらに、開閉弁46は、導出流路472内において、プランジャ466とガイド部材468との隙間からプランジャ466の駆動部内の空間Sに水が浸入しないようにするために、前記ダイヤフラムDを備えている。このように、上下動するプランジャ466と、プランジャ466を進退自在に支持するガイド部材468との間にダイヤフラムDを設けたことにより、プランジャ466の駆動部に水が付着して凍ることが阻止されるため、凍結によってプランジャ466が動かなくなることを解消できる。   Further, the on-off valve 46 includes the diaphragm D in order to prevent water from entering the space S in the driving portion of the plunger 466 through the gap between the plunger 466 and the guide member 468 in the outlet flow path 472. . Thus, by providing the diaphragm D between the plunger 466 that moves up and down and the guide member 468 that supports the plunger 466 so as to be able to advance and retreat, water is prevented from adhering to the drive portion of the plunger 466 and freezing. Therefore, it can be solved that the plunger 466 does not move due to freezing.

流量調整弁47は、ニードル弁体473が、ステップモータ474によって回転するロータ476と当該ニードル弁体473との間に設けられてねじ機構によって上下動して弁体の開度が調整される。このため、流量調整弁47は、喩え、ニードル弁体473が凍結したとしても、比較的小さなステップモータ474のトルクでニードル弁体473を駆動させることができる機能を備えている。   In the flow rate adjusting valve 47, the needle valve body 473 is provided between the rotor 476 rotated by the step motor 474 and the needle valve body 473, and is moved up and down by a screw mechanism to adjust the opening degree of the valve body. For this reason, the flow rate adjusting valve 47 has a function of driving the needle valve body 473 with a relatively small torque of the step motor 474 even if the needle valve body 473 is frozen.

なお、前記実施形態では、車両用の燃料電池システム1を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機等のその他の燃料電池システムであっても構わない。   In the above embodiment, the fuel cell system 1 for a vehicle has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and other fuel cell systems such as a ship and an aircraft may be used.

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池システムの変形例を示す図であり、開閉弁と流量調整弁とを一体にした複合弁を示す断面図である。It is a figure which shows the modification of the fuel cell system which concerns on this embodiment, and is sectional drawing which shows the compound valve which integrated the on-off valve and the flow regulating valve.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
10 燃料電池
10a アノード
10b カソード
11 燃料ガス供給路
12 酸化剤ガス供給路
14 燃料ガス循環路
15 燃料排ガス路
30 掃気手段
40 燃料排ガス希釈手段
41 パージ手段
42,46 開閉弁
43,47 流量調整弁
44 希釈器
45 複合弁
60 制御装置(制御手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 10 Fuel cell 10a Anode 10b Cathode 11 Fuel gas supply path 12 Oxidant gas supply path 14 Fuel gas circulation path 15 Fuel exhaust gas path 30 Scavenging means 40 Fuel exhaust gas dilution means 41 Purge means 42, 46 On-off valves 43, 47 Flow control valve 44 Diluter 45 Compound valve 60 Control device (control means)

Claims (4)

アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記アノードを通過した燃料ガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、
前記アノードからの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、
前記燃料排ガス路からの前記燃料排ガスをパージするパージ手段と、前記アノードに掃気ガスを導入し、このアノードおよび前記燃料ガス循環路内の残留ガスを前記燃料排ガス路を通して掃気する掃気手段との少なくとも一方と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料排ガス路に直列に配置された開閉制御可能な開閉弁および流量調整可能な流量調整弁と、
前記開閉弁と前記流量調整弁とを制御することにより、前記パージ手段によるパージ時のパージ流量と前記掃気手段とによる掃気時の掃気流量の少なくとも一方の制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by reacting a fuel gas supplied to the anode and an oxidant gas supplied to the cathode; and
A fuel gas supply path for supplying the fuel gas to the anode;
An oxidant gas supply path for supplying an oxidant gas to the cathode;
A fuel gas circulation path for returning the fuel gas that has passed through the anode to the fuel gas supply path;
A fuel exhaust path for exhausting fuel exhaust gas from the anode;
At least purge means for purging the fuel exhaust gas from the fuel exhaust gas path, and scavenging means for introducing scavenging gas into the anode and scavenging residual gas in the anode and the fuel gas circulation path through the fuel exhaust gas path. On the other hand, in a fuel cell system comprising
An open / close controllable open / close valve and a flow rate adjustable valve arranged in series in the fuel exhaust gas path;
Control means for controlling at least one of a purge flow rate during purging by the purge means and a scavenging flow rate during scavenging by the scavenging means by controlling the on-off valve and the flow rate adjusting valve. A fuel cell system.
前記開閉弁は、凍結対策を施した弁装置から構成すると共に、前記流量調整弁の上流側に配置したことを特徴とする請求項1に記載された燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the on-off valve is configured by a valve device that has taken measures against freezing and is disposed upstream of the flow rate adjustment valve. 前記開閉弁と前記流量調整弁とを一体に構成したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the on-off valve and the flow rate adjusting valve are integrally formed. 前記制御手段は、前記燃料電池システムが停止する際に、前記流量調整弁を次回起動時に行うパージ流量に設定した後に前記燃料電池システムを停止させることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。   4. The control device according to claim 1, wherein when the fuel cell system is stopped, the control unit stops the fuel cell system after setting the flow rate adjusting valve to a purge flow rate that is performed at the next startup. The fuel cell system according to any one of claims.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013182720A (en) * 2012-02-29 2013-09-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Sofc combined power generation system and operation method of the same

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