JP6117551B2 - Pressure regulator and fuel cell system - Google Patents

Pressure regulator and fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP6117551B2
JP6117551B2 JP2012285856A JP2012285856A JP6117551B2 JP 6117551 B2 JP6117551 B2 JP 6117551B2 JP 2012285856 A JP2012285856 A JP 2012285856A JP 2012285856 A JP2012285856 A JP 2012285856A JP 6117551 B2 JP6117551 B2 JP 6117551B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pressure
valve
pressure regulating
fuel cell
fluid fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2012285856A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014126198A (en
Inventor
篠原 幹弥
幹弥 篠原
森山 明信
明信 森山
野道 薫
薫 野道
鈴木 豊
豊 鈴木
二宮 誠
誠 二宮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Kawasaki Motors Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Kawasaki Jukogyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd, Kawasaki Jukogyo KK filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2012285856A priority Critical patent/JP6117551B2/en
Priority to PCT/JP2013/084582 priority patent/WO2014104057A1/en
Publication of JP2014126198A publication Critical patent/JP2014126198A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6117551B2 publication Critical patent/JP6117551B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D16/00Control of fluid pressure
    • G05D16/04Control of fluid pressure without auxiliary power
    • G05D16/10Control of fluid pressure without auxiliary power the sensing element being a piston or plunger
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D16/00Control of fluid pressure
    • G05D16/20Control of fluid pressure characterised by the use of electric means
    • G05D16/2006Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means
    • G05D16/2013Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means using throttling means as controlling means
    • G05D16/2022Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means using throttling means as controlling means actuated by a proportional solenoid
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D16/00Control of fluid pressure
    • G05D16/20Control of fluid pressure characterised by the use of electric means
    • G05D16/2006Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means
    • G05D16/2013Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means using throttling means as controlling means
    • G05D16/2026Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means using throttling means as controlling means with a plurality of throttling means
    • G05D16/2033Control of fluid pressure characterised by the use of electric means with direct action of electric energy on controlling means using throttling means as controlling means with a plurality of throttling means the plurality of throttling means being arranged in series
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04753Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

本発明は調圧装置及び燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a pressure regulator and a fuel cell system.

従来の調圧装置として、燃料電池スタックに供給するアノードガスの圧力を複数の減圧弁を用いて段階的に減圧するものがある(特許文献1参照)。   As a conventional pressure adjusting device, there is one that gradually reduces the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack using a plurality of pressure reducing valves (see Patent Document 1).

特開2006−156320号公報JP 2006-156320 A

このような調圧装置を用いてアノードガスを供給する場合は、減圧弁の故障時に調圧装置の下流に配置される燃料電池スタック等の部品に、その部品の耐圧以上の圧力が加わることを防止する保護手段(圧力リリーフ機構)が必要となる。   When the anode gas is supplied using such a pressure regulator, it is necessary to apply a pressure higher than the pressure resistance of the component to a component such as a fuel cell stack disposed downstream of the pressure regulator when the pressure reducing valve fails. A protective means (pressure relief mechanism) to prevent is necessary.

しかしながら、例えば保護手段として圧力リリーフ弁を用いると、燃料電池システムの場合は供給するアノードガスに流量が多いので、圧力リリーフ弁の大型化を招き、車載向けの燃料電池システムには不向きとなる。   However, for example, when a pressure relief valve is used as a protection means, in the case of a fuel cell system, the anode gas to be supplied has a large flow rate, which increases the size of the pressure relief valve and is not suitable for a fuel cell system for in-vehicle use.

また、例えば保護手段として破裂板を用いた場合は、圧力リリーフ弁と異なり構造も簡素なため、小型化は容易だが、一度作動してしまうと破裂板の備品交換が必要になるという問題がある。   In addition, for example, when a rupture disk is used as a protective means, the structure is simple and unlike the pressure relief valve, it is easy to reduce the size, but once activated, the rupture disk must be replaced. .

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、減圧弁が故障したとしても、調圧装置下流の部品に耐圧以上の圧力が加わるのを抑制できる調圧装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to such problems, and provides a pressure regulating device capable of suppressing the application of pressure higher than the pressure resistance to components downstream of the pressure regulating device even if the pressure reducing valve fails. With the goal.

本発明のある態様によれば、高圧容器に格納された流体燃料を減圧して流体燃料利用機器に供給する調圧装置であって、流体燃料を任意の圧力に減圧する調圧弁と、調圧弁の上流に設けられて、調圧弁の異常状態が検知されると調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断弁と、を備えるものが提供される。そして、この調圧装置の遮断弁と調圧弁との間の流路容積は、遮断弁を閉じて調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断指令が出てから遮断弁が閉じられるまでに要する時間の間に流体燃料利用機器に供給される流体燃料の量に基づいて設定されるAccording to an aspect of the present invention, there is provided a pressure regulating device that depressurizes fluid fuel stored in a high-pressure vessel and supplies the fluid fuel to a device using fluid fuel, the pressure regulating valve depressurizing the fluid fuel to an arbitrary pressure, and a pressure regulating valve And a shut-off valve that shuts off the supply of fluid fuel to the pressure regulating valve when an abnormal state of the pressure regulating valve is detected . The volume of the flow path between the shutoff valve and the pressure regulating valve of this pressure regulating device is from when the shutoff valve is closed to shut off the supply of fluid fuel to the pressure regulating valve until the shutoff valve is closed. It is set based on the amount of fluid fuel supplied to the fluid fuel utilization device during the time required.

調圧弁が故障により開きっぱなしになったときに、この異常状態を検知して調圧装置下流の部品保護のために遮断弁への閉弁指令を行っても、指令してから実際に遮断弁が遮断されるまでには時間遅れが存在する。この時間遅れをゼロにすることは不可能であるため、この時間遅れ分は遮断弁が遮断されず、調圧装置下流の部品に対し圧力上昇を許容してしまう。このときの圧力上昇は、遮断弁と調圧弁とを接続する配管で構成される容積に依存することが発明者らによって知見された。   When the pressure regulating valve is left open due to a failure, this abnormal state is detected, and even if a valve closing command is given to the shut-off valve to protect the components downstream of the pressure regulating device, it will actually shut off after commanding it. There is a time delay before the valve is shut off. Since it is impossible to make this time delay zero, the shut-off valve is not shut off for this time delay, and pressure rise is allowed for the components downstream of the pressure regulator. It has been found by the inventors that the pressure increase at this time depends on the volume constituted by the pipe connecting the shut-off valve and the pressure regulating valve.

そこで、本発明のある態様によれば、この容積を遮断弁への遮断指令から実際に遮断されるまでの時間を考慮して設定したので、調圧装置下流の部品に対して不用意に圧力が上昇し、部品の耐圧以上の圧力が加わることを抑制できる。   Therefore, according to an aspect of the present invention, since the volume is set in consideration of the time from the shutoff command to the shutoff valve until the actual shutoff, the pressure is inadvertently applied to the components downstream of the pressure regulator. Rises, and it is possible to suppress the application of a pressure higher than the pressure resistance of the component.

本発明の第1実施形態による燃料電池システムの概略図である1 is a schematic view of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 遮断弁と調圧弁との間のアノードガス流路の容積Vの設定方法について説明する図である。It is a figure explaining the setting method of the volume V of the anode gas flow path between a cutoff valve and a pressure regulation valve. 本発明の第2実施形態による燃料電池システムの概略図である。It is the schematic of the fuel cell system by 2nd Embodiment of this invention. 減圧弁の断面図である。It is sectional drawing of a pressure reducing valve. 遮断弁の断面図である。It is sectional drawing of a cutoff valve. 調圧弁の断面図である。It is sectional drawing of a pressure regulation valve. 調圧装置の斜視図である。It is a perspective view of a pressure regulating device.

以下、図面等を参照して本発明の各実施形態について説明する。   Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
燃料電池は電解質膜をアノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス(燃料ガス)、カソード電極に酸素を含有するカソードガス(酸化剤ガス)を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
(First embodiment)
In a fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.

アノード電極 : 2H2 →4H+ +4e- …(1)
カソード電極 : 4H+ +4e- +O2 →2H2O …(2)
Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e + O 2 → 2H 2 O (2)

この(1)(2)の電極反応によって燃料電池は1ボルト程度の起電力を生じる。   The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).

燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。   When a fuel cell is used as a power source for automobiles, a large amount of electric power is required. Therefore, the fuel cell is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells are stacked. Then, a fuel cell system that supplies anode gas and cathode gas to the fuel cell stack is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.

図1は、本発明の第1実施形態による燃料電池システム100の概略図である。   FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system 100 according to a first embodiment of the present invention.

燃料電池システム100は、燃料電池スタック1と、アノードガス供給装置2と、コントローラ10と、を備える。   The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, an anode gas supply device 2, and a controller 10.

燃料電池スタック1は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック1は、燃料電池スタック内部の圧力が過大となったときに開いて圧力を外部に逃がす圧力リリーフ機構11を備える。   The fuel cell stack 1 is formed by stacking several hundred fuel cells, and receives the supply of anode gas and cathode gas to generate electric power necessary for driving the vehicle. The fuel cell stack 1 includes a pressure relief mechanism 11 that opens when the pressure inside the fuel cell stack becomes excessive and releases the pressure to the outside.

なお、燃料電池スタック1にカソードガスを供給するカソードガス給排装置及び燃料電池スタック1を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。   Note that the cathode gas supply / exhaust device for supplying the cathode gas to the fuel cell stack 1 and the cooling device for cooling the fuel cell stack 1 are not the main part of the present invention, and are not shown for the sake of easy understanding. . In this embodiment, air is used as the cathode gas.

アノードガス供給装置2は、燃料電池スタック1にアノードガスを供給する装置であって、高圧タンク3と、アノードガス供給通路4と、調圧装置5と、圧力センサ6と、を備える。   The anode gas supply device 2 is a device that supplies anode gas to the fuel cell stack 1, and includes a high-pressure tank 3, an anode gas supply passage 4, a pressure regulator 5, and a pressure sensor 6.

高圧タンク3は、燃料電池スタック1に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。高圧タンク3の排出口には、アノードガスを供給するときに開かれ、停止するときに閉じられる開閉弁31が設けられる。   The high pressure tank 3 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 while maintaining the high pressure state. The discharge port of the high-pressure tank 3 is provided with an on-off valve 31 that is opened when the anode gas is supplied and closed when the anode gas is stopped.

アノードガス供給通路4は、高圧タンク3から排出されるアノードガスを燃料電池スタック1に供給するための通路である。アノードガス供給通路4は、一端が高圧タンク3に接続され、他端が燃料電池スタック1のアノードガス入口孔に接続される。   The anode gas supply passage 4 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 3 to the fuel cell stack 1. The anode gas supply passage 4 has one end connected to the high-pressure tank 3 and the other end connected to the anode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.

調圧装置5は、遮断弁8と、調圧弁9と、を備える。   The pressure regulating device 5 includes a cutoff valve 8 and a pressure regulating valve 9.

遮断弁8は、アノードガス供給通路4を開閉するパイロット式の電磁弁である。   The shut-off valve 8 is a pilot type electromagnetic valve that opens and closes the anode gas supply passage 4.

調圧弁9は、流入してきたアノードガスを所望の圧力に調整して排出する電磁方式のものである。   The pressure regulating valve 9 is of an electromagnetic type that discharges the anode gas that has flowed in after adjusting to a desired pressure.

圧力センサ6は、調圧装置5よりも下流のアノードガス供給通路4の圧力を検出する。   The pressure sensor 6 detects the pressure in the anode gas supply passage 4 downstream from the pressure regulator 5.

コントローラ10は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ10には、前述した圧力センサ6のほかにも、燃料電池スタック1の出力電流(負荷)を検出する電流センサ12など、燃料電池システム100の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。   The controller 10 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). In addition to the pressure sensor 6 described above, the controller 10 receives signals from various sensors that detect the operating state of the fuel cell system 100, such as a current sensor 12 that detects the output current (load) of the fuel cell stack 1. Is done.

コントローラ10は、燃料電池システム100の運転状態に応じてアノードガスの目標圧力を設定し、圧力センサ6の検出値が目標圧力となるように調圧弁9をフィードバック制御する。そして、圧力センサ6の検出値が異常な値を示したとき、例えば調圧弁9が故障して圧力センサ6の検出値が高くなりすぎたときに、遮断弁8を閉じる。   The controller 10 sets the target pressure of the anode gas according to the operating state of the fuel cell system 100, and feedback-controls the pressure regulating valve 9 so that the detection value of the pressure sensor 6 becomes the target pressure. When the detected value of the pressure sensor 6 shows an abnormal value, for example, when the pressure regulating valve 9 fails and the detected value of the pressure sensor 6 becomes too high, the shutoff valve 8 is closed.

ここで、調圧弁9の故障を検知してから実際に遮断弁8が閉じられるまでには、所定の時間遅れ(例えば数十ミリ秒)が生じる。そのため、実際に遮断弁8が閉じられるまでは、調圧前の高圧のアノードガス(本実施形態では高圧タンク内の圧力Pf相当のアノードガス)が、調圧弁9で減圧されることなく燃料電池スタックへと流入することになる。また、遮断弁8が閉じられた後も、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路内には調圧前の高圧のアノードガスが存在しているので、この遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路内のアノードガスも調圧弁9で減圧されることなく燃料電池スタックへと流入することになる。   Here, there is a predetermined time delay (for example, several tens of milliseconds) from when the malfunction of the pressure regulating valve 9 is detected until the shut-off valve 8 is actually closed. Therefore, until the shut-off valve 8 is actually closed, the high-pressure anode gas before pressure adjustment (in this embodiment, the anode gas corresponding to the pressure Pf in the high-pressure tank) is not reduced by the pressure-regulating valve 9 and the fuel cell. Will flow into the stack. Further, even after the shutoff valve 8 is closed, the high pressure anode gas before pressure regulation exists in the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulation valve 9. The anode gas in the anode gas flow channel between the pressure regulating valve 9 also flows into the fuel cell stack without being depressurized by the pressure regulating valve 9.

そうすると、瞬間的に燃料電池スタック内部のアノード側の圧力が目標圧力よりも大きくなるので、アノード側の圧力とカソード側の圧力との圧力差が大きくなって、各燃料電池の電解質膜等を劣化させるおそれがある。   Then, since the pressure on the anode side inside the fuel cell stack instantaneously becomes higher than the target pressure, the pressure difference between the pressure on the anode side and the pressure on the cathode side becomes large, and the electrolyte membrane of each fuel cell is deteriorated. There is a risk of causing.

そこで本実施形態では、調圧弁9が故障したときに実際に遮断弁8が閉じられるまでの時間遅れΔtを考慮して、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vを設定し、瞬間的な燃料電池スタック内部のアノード側の圧力の上昇幅を許容範囲内に収めることができるようにした。以下、この遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vの設定方法について説明する。   Therefore, in the present embodiment, the volume V of the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 is considered in consideration of the time delay Δt until the shutoff valve 8 is actually closed when the pressure regulating valve 9 fails. The momentary increase in pressure on the anode side inside the fuel cell stack can be kept within an allowable range. Hereinafter, a method for setting the volume V of the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 will be described.

図2は、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vの設定方法について説明する図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining a method for setting the volume V of the anode gas flow path between the shut-off valve 8 and the pressure regulating valve 9.

図2に示すように、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積をV、燃料電池スタック内部のアノード側の容積をVa、高圧タンク内のアノードガスの圧力をPf、燃料電池スタック内部のアノード側の圧力の上昇幅の許容最大値をΔP、調圧弁9が故障したときに実際に遮断弁8が閉じられるまでの時間遅れをΔt、調圧弁9の上流圧がPfの状態で調圧弁9を全開にしたときに、単位時間当たりに調圧弁9を通過する流体の体積をCvと定義する。また、アノード系内(アノードガス流路内、燃料電池スタック内)の温度は一定とする。   As shown in FIG. 2, the volume of the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 is V, the volume of the anode side inside the fuel cell stack is Va, the pressure of the anode gas in the high pressure tank is Pf, ΔP is the maximum allowable pressure increase on the anode side inside the fuel cell stack, Δt is the time delay until the shut-off valve 8 is actually closed when the pressure regulating valve 9 fails, and the upstream pressure of the pressure regulating valve 9 is Pf When the pressure regulating valve 9 is fully opened in this state, the volume of fluid passing through the pressure regulating valve 9 per unit time is defined as Cv. The temperature in the anode system (in the anode gas flow path and in the fuel cell stack) is constant.

このとき、以下の(3)式が成立するように、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vを設定する。   At this time, the volume V of the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 is set so that the following expression (3) is established.

Figure 0006117551
Figure 0006117551

ここで、(Cv×Δt×Pf)は、調圧弁9が故障してから実際に遮断弁8が閉じられるまでの間に、調圧弁9を通過して燃料電池スタック内に流入するアノードガス量に相当する。   Here, (Cv × Δt × Pf) is the amount of anode gas that passes through the pressure regulating valve 9 and flows into the fuel cell stack between the time when the pressure regulating valve 9 fails and the time when the cutoff valve 8 is actually closed. It corresponds to.

また、(V×Pf)は、実際に遮断弁8が閉じられた後に、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路内に存在するアノードガス量に相当する。遮断弁8が閉じられた後、この遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路内に存在するアノードガスも調圧弁9を通過して燃料電池スタック内に流入することになる。   Further, (V × Pf) corresponds to the amount of anode gas existing in the anode gas flow path between the cutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 after the cutoff valve 8 is actually closed. After the shut-off valve 8 is closed, the anode gas existing in the anode gas flow path between the shut-off valve 8 and the pressure regulating valve 9 also passes through the pressure regulating valve 9 and flows into the fuel cell stack.

さらに、(Va×ΔP)は、燃料電池スタック内部のアノード側の圧力をΔPだけ上昇させるために必要なアノードガス量に相当する。   Further, (Va × ΔP) corresponds to the amount of anode gas necessary for increasing the pressure on the anode side inside the fuel cell stack by ΔP.

したがって、前述した(3)式の意味は、遮断弁8が閉じられるまでに燃料電池スタック内に流入するアノードガス量と、遮断弁8を閉じてから燃料電池スタック内に流入する遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路内に存在するアノードガス量とが、燃料電池スタック内部のアノード側の圧力をΔPだけ上昇させるために必要なアノードガス量よりも小さくなるように、容積Vを設定するという意味になる。   Therefore, the meaning of the above-described equation (3) means that the amount of anode gas that flows into the fuel cell stack before the shutoff valve 8 is closed, and the shutoff valve 8 that flows into the fuel cell stack after the shutoff valve 8 is closed. The volume of the anode gas that exists in the anode gas flow path between the pressure regulating valve 9 and the anode gas is smaller than the amount of anode gas necessary to increase the pressure on the anode side inside the fuel cell stack by ΔP. It means that V is set.

このように、実際に遮断弁8が閉じられるまでの時間遅れΔtを考慮して、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vを可能な限り小さく設定することで、遮断弁8の故障時における燃料電池スタック内部の圧力上昇幅を、許容最大値ΔP以内に抑えることができる。   Thus, in consideration of the time delay Δt until the shut-off valve 8 is actually closed, the volume V of the anode gas flow path between the shut-off valve 8 and the pressure regulating valve 9 is set as small as possible. The amount of increase in pressure inside the fuel cell stack when the shut-off valve 8 fails can be suppressed within the allowable maximum value ΔP.

また、遮断弁8の故障時における燃料電池スタック内部の圧力上昇幅を許容最大値ΔP以内に抑えることができるので、圧力リリーフ機構11が作動する頻度を低減することができる。そのため、圧力リリーフ機構11としてリリーフ弁のような複雑な機構を用いることなく、例えば破裂板のような簡素な機構を用いることができるので、燃料電池スタック1の小型化を図ることができる。   Further, since the pressure increase width inside the fuel cell stack when the shut-off valve 8 fails can be suppressed within the allowable maximum value ΔP, the frequency with which the pressure relief mechanism 11 operates can be reduced. Therefore, since a simple mechanism such as a rupture disk can be used as the pressure relief mechanism 11 without using a complicated mechanism such as a relief valve, the fuel cell stack 1 can be reduced in size.

また、破裂板を用いた場合には、破裂板の作動頻度を低減することができるので、破裂板の交換頻度を低減できる。そのため、本実施形態による調圧装置5を用いることで、調圧装置5の下流に配置される部品を保護し、燃料電池システム100の信頼性を向上させることができる。   In addition, when a rupturable plate is used, the frequency of operation of the rupturable plate can be reduced, so that the frequency of replacement of the rupturable plate can be reduced. Therefore, by using the pressure regulating device 5 according to the present embodiment, it is possible to protect components disposed downstream of the pressure regulating device 5 and improve the reliability of the fuel cell system 100.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。本発明の第2実施形態は、遮断弁8の上流にさらに減圧弁7を設けた点で第1実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第1実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that a pressure reducing valve 7 is further provided upstream of the shutoff valve 8. Hereinafter, the difference will be mainly described. In the following embodiments, the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those in the first embodiment described above, and repeated descriptions are omitted as appropriate.

図3は、本発明の第2実施形態による燃料電池システム100の概略図である。   FIG. 3 is a schematic view of a fuel cell system 100 according to the second embodiment of the present invention.

本実施形態による燃料電池システム100の調圧装置5は、遮断弁8の上流に、高圧タンク3から排出されたアノードガスの圧力Pfを所定の中間圧力Pmまで低下させる減圧弁7を備える。   The pressure regulator 5 of the fuel cell system 100 according to the present embodiment includes a pressure reducing valve 7 that reduces the pressure Pf of the anode gas discharged from the high pressure tank 3 to a predetermined intermediate pressure Pm upstream of the shutoff valve 8.

このように、遮断弁8の上流に減圧弁7を設けることで、実際に遮断弁8が閉じられるまでに調圧弁9を通過して燃料電池スタックに流入するアノードガスの圧力、及び、遮断弁8が閉じられた後に遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路内に残留しているアノードガスの圧力を、それぞれ高圧タンク内の圧力Pfより低い中間圧力Pmにすることができる。   Thus, by providing the pressure reducing valve 7 upstream of the shutoff valve 8, the pressure of the anode gas that passes through the pressure regulating valve 9 and flows into the fuel cell stack until the shutoff valve 8 is actually closed, and the shutoff valve The pressure of the anode gas remaining in the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 after the valve 8 is closed can be set to an intermediate pressure Pm lower than the pressure Pf in the high-pressure tank. .

そのため、本実施形態では、以下の(4)式が成立するように、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vを設定することで、遮断弁8の故障時における燃料電池スタック内部の圧力上昇幅を、許容最大値ΔP以内に抑えることができる。なお、調圧弁9の上流圧が中間圧力Pmの状態で調圧弁9を全開にしたときに、単位時間当たりに調圧弁9を通過する流体の体積をCv’と定義する。   Therefore, in this embodiment, the volume V of the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 is set so that the following expression (4) is established, so that the shutoff valve 8 can be operated at the time of failure. The pressure increase width inside the fuel cell stack can be suppressed within the allowable maximum value ΔP. Note that the volume of fluid passing through the pressure regulating valve 9 per unit time when the pressure regulating valve 9 is fully opened while the upstream pressure of the pressure regulating valve 9 is the intermediate pressure Pm is defined as Cv ′.

Figure 0006117551
Figure 0006117551

これにより、調圧弁9の上流のアノードガスの圧力が中間圧力Pmまで低下するので、実際に遮断弁8が閉じられるまでに調圧弁9を通過して燃料電池スタックに流入するアノードガス量を低減することができる。そのため、実際に遮断弁8が閉じられるまでの遅れ時間Δtの許容幅を長く取れる。   As a result, the pressure of the anode gas upstream of the pressure regulating valve 9 is reduced to the intermediate pressure Pm, so that the amount of anode gas that passes through the pressure regulating valve 9 and flows into the fuel cell stack before the shutoff valve 8 is actually closed is reduced. can do. Therefore, it is possible to increase the allowable width of the delay time Δt until the shut-off valve 8 is actually closed.

また、調圧弁9の上流のアノードガスの圧力がPfから中間圧力Pmまで低下するので、第1実施形態と比べて遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vを大きくすることができる。よって、調圧装置5全体の設計の自由度を向上させることができる。   Further, since the pressure of the anode gas upstream of the pressure regulating valve 9 is reduced from Pf to the intermediate pressure Pm, the volume V of the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 is increased as compared with the first embodiment. can do. Therefore, the freedom degree of design of the pressure regulator 5 whole can be improved.

(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本発明の第3実施形態は、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vの設定方法が第2実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment of the present invention is different from the second embodiment in the method of setting the volume V of the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9. Hereinafter, the difference will be mainly described.

本発明の第3実施形態による燃料電池システム100は第2実施形態と同様であり、調圧装置5が、高圧タンク3から排出されたアノードガスの圧力Pfを所定の中間圧力Pmまで低下させる減圧弁7を遮断弁8の上流に備える。   The fuel cell system 100 according to the third embodiment of the present invention is the same as that of the second embodiment, and the pressure regulator 5 reduces the pressure Pf of the anode gas discharged from the high-pressure tank 3 to a predetermined intermediate pressure Pm. A valve 7 is provided upstream of the shut-off valve 8.

そして本実施形態では、前述した(3)式が成立するように、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vを設定する。このように、遮断弁8の上流に減圧弁7を備えた調圧装置5において、前述した(3)式が成立するように容積Vを設定することで、調圧弁9とともに減圧弁7が故障してしまった場合、すなわち減圧弁7の下流の圧力が中間圧力Pmよりも高くなってしまった場合であっても、燃料電池スタック内部の圧力上昇幅を許容最大値ΔP以内に抑えることができる。   In this embodiment, the volume V of the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 is set so that the above-described expression (3) is established. Thus, in the pressure regulating device 5 having the pressure reducing valve 7 upstream of the shut-off valve 8, the pressure reducing valve 7 together with the pressure regulating valve 9 breaks down by setting the volume V so that the above-described equation (3) is satisfied. In other words, even if the pressure downstream of the pressure reducing valve 7 is higher than the intermediate pressure Pm, the pressure increase width inside the fuel cell stack can be suppressed within the allowable maximum value ΔP. .

したがって本実施形態によれば、調圧弁9及び減圧弁7の双方が故障した場合であっても、調圧装置5の下流に配置される部品を保護することができるので、燃料電池システム100の信頼性を向上させることができる。   Therefore, according to this embodiment, even if both the pressure regulating valve 9 and the pressure reducing valve 7 are out of order, the components arranged downstream of the pressure regulating device 5 can be protected. Reliability can be improved.

(実施例)
以下では、上記の各実施形態で説明した減圧弁7、遮断弁8及び調圧弁9の実施例について説明した後、それらを一体化した調圧装置5の実施例について説明する。
(Example)
Hereinafter, examples of the pressure reducing valve 7, the shutoff valve 8, and the pressure regulating valve 9 described in the above embodiments will be described, and then examples of the pressure regulating device 5 in which they are integrated will be described.

図4は、減圧弁7の断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view of the pressure reducing valve 7.

図4に示すように、減圧弁7は、ハウジング71と、カバー72と、弁体支持部材73と、弁座74と、弁体75と、スプリング76と、軸受77と、を備える。   As shown in FIG. 4, the pressure reducing valve 7 includes a housing 71, a cover 72, a valve body support member 73, a valve seat 74, a valve body 75, a spring 76, and a bearing 77.

ハウジング71は、一端が開口した円筒状の部材である。ハウジング71には、ハウジング内部を弁体軸方向(図中左右方向)に貫通してハウジング71の他端面に開口する1次通路711と、ハウジング内部を弁体径方向(図中上下方向)に貫通してハウジング71の側面に開口する2次通路712と、1次通路711及び2次通路712のそれぞれに連通する連通路713と、が形成される。   The housing 71 is a cylindrical member having one end opened. The housing 71 has a primary passage 711 that passes through the inside of the housing in the valve body axial direction (left and right in the figure) and opens to the other end surface of the housing 71, and the inside of the housing in the valve body radial direction (up and down in the figure) A secondary passage 712 that passes through and opens on the side surface of the housing 71 and a communication passage 713 that communicates with each of the primary passage 711 and the secondary passage 712 are formed.

カバー72は、ハウジング一端側の開口を閉塞する蓋部材であって、ハウジング側壁71aの内周側に螺合され、ハウジング71に固定される。このカバー72の内側が、弁体75やスプリング76等を収容する収容部となる。   The cover 72 is a lid member that closes the opening on the one end side of the housing, and is screwed to the inner peripheral side of the housing side wall 71 a and fixed to the housing 71. The inside of the cover 72 serves as a housing portion that houses the valve body 75, the spring 76, and the like.

弁体支持部材73は、両端が開口した円筒状の部材であって、略中央部に弁体径方向に突出するフランジ731を備える。弁体支持部材73の一端側(図中左側)は、フランジ731の一端面がハウジング71に当接するように連通路713に嵌合される。弁体支持部材73の他端側は、収容部内に配置される。   The valve body support member 73 is a cylindrical member that is open at both ends, and includes a flange 731 that protrudes in the valve body radial direction at a substantially central portion. One end side (left side in the figure) of the valve body support member 73 is fitted into the communication path 713 so that one end surface of the flange 731 is in contact with the housing 71. The other end side of the valve body support member 73 is disposed in the accommodating portion.

弁座74は、両端が開口した円筒状の部材であって、小径部741と大径部742とを備える。弁座74の小径部741は、ハウジング71の1次通路711に嵌合される。弁座74の大径部742は、ハウジング71の連通路713内に配置されると共に、その先端が弁体支持部材73の一端面に形成された環状溝732に嵌合される。弁座74の大径部742には、大径部742を弁体径方向に貫通する貫通孔743が形成される。小径部741と大径部742との内側の境界面には、その境界面から弁体軸方向に突出する円環状の突起(以下「円環突起」という。)744が形成される。   The valve seat 74 is a cylindrical member that is open at both ends, and includes a small diameter portion 741 and a large diameter portion 742. The small diameter portion 741 of the valve seat 74 is fitted into the primary passage 711 of the housing 71. The large-diameter portion 742 of the valve seat 74 is disposed in the communication path 713 of the housing 71, and the tip thereof is fitted into an annular groove 732 formed on one end surface of the valve body support member 73. A through hole 743 that penetrates the large diameter portion 742 in the valve body radial direction is formed in the large diameter portion 742 of the valve seat 74. An annular protrusion (hereinafter referred to as “annular protrusion”) 744 that protrudes from the boundary surface in the axial direction of the valve body is formed on the inner boundary surface between the small diameter portion 741 and the large diameter portion 742.

弁体75は、両端が開口し、かつ、弁体軸方向に沿って段階的に径が変化する円筒状の弁体ボディ751と、弁体ボディ751の先端に嵌合する弁体シート752と、を備える。   The valve body 75 is open at both ends and has a cylindrical valve body body 751 whose diameter changes stepwise along the valve body axis direction, and a valve body sheet 752 fitted to the tip of the valve body body 751. .

弁体ボディ751は、弁体支持部材73の内部に挿通され、弁体支持部材73の側壁内周部に固定された軸受77によって弁体軸方向に移動可能に支持される。弁体ボディ751は、カバー内側の収容部内に配置されたスプリング76によって、開弁方向(図中右側)に押圧されている。弁体ボディ751の内部は、2次圧力が作用する圧力参照室753となっており、2次圧力がスプリング76の付勢力よりも大きくなると、弁体ボディ751がスプリング76の付勢力に抗して閉弁方向(図中左側)に移動する。   The valve body 751 is inserted into the valve body support member 73 and supported by a bearing 77 fixed to the inner peripheral portion of the side wall of the valve body support member 73 so as to be movable in the valve body axis direction. The valve body 751 is pressed in the valve opening direction (right side in the figure) by a spring 76 disposed in the housing inside the cover. The inside of the valve body 751 is a pressure reference chamber 753 in which secondary pressure acts. When the secondary pressure becomes larger than the biasing force of the spring 76, the valve body 751 resists the biasing force of the spring 76. Move in the valve closing direction (left side in the figure).

弁体シート752は、弁座74の円環突起744と対向するように連通路713内に配置されており、弁体シート752と円環突起744との間にはオリフィス78が形成されるようになっている。このオリフィス78を介して、連通路713内が1次圧力室713aと2次圧力室713bとに区画される。弁体シート752の内部には、2次圧力室713bに流入したアノードガスを、弁体ボディ751の圧力参照室753に導入するための導入孔754が形成される。圧力参照室753内の圧力、すなわち2次圧力がスプリング76の付勢力よりも大きくなると、弁体ボディ751と共に弁体シート752が閉弁方向に移動し、弁体シート752が円環突起744に当接してオリフィス78が閉じられる。   The valve body sheet 752 is disposed in the communication passage 713 so as to face the annular protrusion 744 of the valve seat 74, and an orifice 78 is formed between the valve body sheet 752 and the annular protrusion 744. It has become. Via the orifice 78, the communication passage 713 is partitioned into a primary pressure chamber 713a and a secondary pressure chamber 713b. An introduction hole 754 for introducing the anode gas flowing into the secondary pressure chamber 713b into the pressure reference chamber 753 of the valve body 751 is formed inside the valve body seat 752. When the pressure in the pressure reference chamber 753, that is, the secondary pressure becomes larger than the urging force of the spring 76, the valve body sheet 752 moves together with the valve body 751 in the valve closing direction, and the valve body sheet 752 moves to the annular protrusion 744. The orifice 78 is closed by contact.

図5は、遮断弁8の断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view of the shutoff valve 8.

図5に示すように、遮断弁8は、ハウジング81と、接合部材82と、弁体83と、弁体83を駆動するソレノイド84と、を備える。   As shown in FIG. 5, the shutoff valve 8 includes a housing 81, a joining member 82, a valve body 83, and a solenoid 84 that drives the valve body 83.

ハウジング81は、一端が開口した円筒状の部材である。ハウジング81には、ハウジング内部を弁体径方向(図中上下方向)に貫通してハウジング81の側面に開口する1次通路811と、ハウジング内部を弁体軸方向(図中左右方向)に貫通してハウジング81の他端面に開口する2次通路812と、1次通路811及び2次通路812のそれぞれに連通する連通路813と、が形成される。   The housing 81 is a cylindrical member having one end opened. The housing 81 passes through the inside of the housing in the valve body radial direction (vertical direction in the figure) and opens to the side surface of the housing 81, and penetrates the inside of the housing in the valve body axial direction (left and right direction in the figure). Thus, a secondary passage 812 that opens to the other end surface of the housing 81 and a communication passage 813 that communicates with each of the primary passage 811 and the secondary passage 812 are formed.

接合部材82は、両端が開口した円筒状の部材であって、略中央に弁体径方向に突出するフランジ821を備える。接合部材82は、その一端側(図中左側)がハウジング81の側壁内周部に螺合されてハウジング81に固定されると共に、その他端側(図中右側)がソレノイド84の内部に嵌合されて固定される。これにより、接合部材82のフランジ821を介してハウジング81及びソレノイド84が対向するように配置される。   The joining member 82 is a cylindrical member that is open at both ends, and includes a flange 821 that projects substantially in the center in the valve body radial direction. One end side (left side in the figure) of the joining member 82 is screwed to the inner peripheral portion of the side wall of the housing 81 and fixed to the housing 81, and the other end side (right side in the figure) is fitted inside the solenoid 84. To be fixed. Accordingly, the housing 81 and the solenoid 84 are arranged to face each other via the flange 821 of the joining member 82.

弁体83は、パイロット弁体831と、パイロットピン833によってパイロット弁体831に所定の遊びをもたせて連結される主弁体832と、を備え、ソレノイド84を励磁することで駆動される。   The valve body 83 includes a pilot valve body 831 and a main valve body 832 connected to the pilot valve body 831 with a predetermined play by a pilot pin 833, and is driven by exciting the solenoid 84.

主弁体832は、両端が開口した円筒状の部材であって、ハウジング81の連通路813内に配置される。図中左側の主弁体832の一端面には、その一端面から図中左側に弁体軸方向に沿って突出する円環状の突起(以下「第1円環突起」という。)834が形成される。   The main valve body 832 is a cylindrical member that is open at both ends, and is disposed in the communication path 813 of the housing 81. An annular protrusion (hereinafter referred to as “first annular protrusion”) 834 is formed on one end surface of the main valve body 832 on the left side in the drawing, and protrudes along the valve body axis direction from the one end surface to the left side in the drawing. Is done.

主弁体832の他端側(図中右側)の内部は、パイロット弁体831の一部を収容するためのパイロット弁体収容室835となっている。パイロット弁体収容室835は、主弁体832の内部通路836を介して2次通路812と連通している。また、パイロット弁体収容室835は、パイロット弁体831と主弁体832との隙間837、及び、主弁体832と接合部材82との隙間838を介して1次通路811と連通している。主弁体832の内部通路836とパイロット弁体収容室835との境界面には、その境界面から図中右側に弁体軸方向に沿って突出する円環状の突起(以下「第2円環突起」という。)839が形成される。   The inside of the other end side (right side in the figure) of the main valve body 832 is a pilot valve body accommodation chamber 835 for accommodating a part of the pilot valve body 831. The pilot valve body accommodating chamber 835 communicates with the secondary passage 812 via the internal passage 836 of the main valve body 832. The pilot valve body accommodating chamber 835 communicates with the primary passage 811 through a gap 837 between the pilot valve body 831 and the main valve body 832 and a gap 838 between the main valve body 832 and the joining member 82. . On the boundary surface between the internal passage 836 of the main valve body 832 and the pilot valve body storage chamber 835, an annular protrusion (hereinafter referred to as “second annular ring”) protrudes along the valve body axial direction from the boundary surface to the right side in the drawing. 839 "is formed.

パイロット弁体831は、弁体軸方向に移動可能なように接合部材82の内部に収容され、その一端側(図中左側)が主弁体832のパイロット弁体収容室835に配置される。このパイロット弁体収容室835内において、パイロット弁体831の一端側と、主弁体832の他端側とが、パイロットピン833によって弁体軸方向に所定の遊びをもたせて連結される。   The pilot valve body 831 is accommodated in the joining member 82 so as to be movable in the valve body axis direction, and one end side (left side in the figure) is disposed in the pilot valve body accommodating chamber 835 of the main valve body 832. In the pilot valve body accommodating chamber 835, one end side of the pilot valve body 831 and the other end side of the main valve body 832 are connected by a pilot pin 833 with a predetermined play in the axial direction of the valve body.

また、パイロット弁体831は、一端側(図中左側)から他端側(図中右側)に向かって段階的に径が大きくなるように形成された円筒形状をしており、他端側の内部には、スプリング85が収容される。パイロット弁体831は、このスプリング85によって閉弁方向(図中左側)に押圧されており、ソレノイド84が励磁されていないときは、パイロット弁体831の先端が主弁体832の第2円環突起839に当接した閉弁状態となる。また、パイロットピン833を介してパイロット弁体831に連結された主弁体832も、第1円環突起834が連通路813内に配置された弁座86に当接した閉弁状態となる。   The pilot valve body 831 has a cylindrical shape formed so that its diameter gradually increases from one end side (left side in the figure) to the other end side (right side in the figure). A spring 85 is accommodated inside. The pilot valve body 831 is pressed in the valve closing direction (left side in the figure) by the spring 85, and when the solenoid 84 is not excited, the tip of the pilot valve body 831 is the second annular ring of the main valve body 832. The valve is in contact with the protrusion 839. In addition, the main valve body 832 connected to the pilot valve body 831 via the pilot pin 833 is also in a valve-closed state in which the first annular protrusion 834 is in contact with the valve seat 86 disposed in the communication path 813.

一方で、ソレノイド84が励磁されると、パイロット弁体831がスプリング85の付勢力に抗して開弁方向(図中右側)に移動する。これにより、まずパイロット弁体831の先端が第2円環突起839から離れ、1次通路811から連通路813内に供給されたアノードガスが、主弁体832と接合部材82との隙間838、パイロット弁体831と主弁体832との隙間837、及び、パイロット弁体831と第2円環突起839との間に形成されるオリフィス87を介して、主弁体832の内部通路836から2次通路812へと供給される。これにより、2次通路812内の圧力が上昇するので、主弁体832の先端面に作用する圧力が増加する。   On the other hand, when the solenoid 84 is excited, the pilot valve body 831 moves in the valve opening direction (right side in the figure) against the urging force of the spring 85. Thereby, first, the tip of the pilot valve body 831 is separated from the second annular protrusion 839, and the anode gas supplied from the primary passage 811 into the communication passage 813 causes the gap 838 between the main valve body 832 and the joining member 82, 2 from the internal passage 836 of the main valve body 832 through the gap 837 between the pilot valve body 831 and the main valve body 832 and the orifice 87 formed between the pilot valve body 831 and the second annular projection 839. It is supplied to the next passage 812. As a result, the pressure in the secondary passage 812 increases, so that the pressure acting on the front end surface of the main valve body 832 increases.

そして、パイロット弁体831が所定量開弁方向に移動して、パイロットピン833と主弁体832との間に存在する遊びが終了すると、主弁体832がパイロット弁体831と共に開弁方向に移動し、主弁体832の第1円環突起834が弁座86から離れる。これにより、1次通路811から連通路813内に供給されたアノードガスが、主弁体832の第1円環突起834と弁座86との間に形成されるオリフィス88を介して2次通路812に供給される。このとき、前述したように主弁体832の先端面に作用する圧力が増加しているので、主弁体832を開弁方向に移動させることができる。   When the pilot valve body 831 moves in the valve opening direction by a predetermined amount and the play existing between the pilot pin 833 and the main valve body 832 ends, the main valve body 832 moves in the valve opening direction together with the pilot valve body 831. The first annular protrusion 834 of the main valve body 832 moves away from the valve seat 86. As a result, the anode gas supplied from the primary passage 811 into the communication passage 813 passes through the orifice 88 formed between the first annular protrusion 834 of the main valve body 832 and the valve seat 86, and thereby the secondary passage. 812. At this time, as described above, since the pressure acting on the front end surface of the main valve body 832 increases, the main valve body 832 can be moved in the valve opening direction.

図6は、調圧弁9の断面図である。   FIG. 6 is a cross-sectional view of the pressure regulating valve 9.

図6に示すように、調圧弁9は、ハウジング91と、弁体92と、弁体92を駆動するソレノイド93と、備える。   As shown in FIG. 6, the pressure regulating valve 9 includes a housing 91, a valve body 92, and a solenoid 93 that drives the valve body 92.

ハウジング91には、ハウジング内部を弁体径方向(図中上下方向)上側に延びてハウジング91の上側面に開口する1次通路911と、ハウジング内部を弁体径方向下側に延びた後、最終的に弁体軸方向に延びる2次通路912と、1次通路911及び2次通路912のそれぞれに連通する連通路913と、が形成される。また、ハウジング91には、2次通路912から分岐する圧力参照通路914と、圧力参照通路914に連通する圧力参照室915と、が形成される。そして、この圧力参照室915の弁体軸方向反対側にソレノイドが配置される。   The housing 91 includes a primary passage 911 that extends upward in the valve body radial direction (vertical direction in the drawing) and opens to the upper side surface of the housing 91, and the housing interior extends downward in the valve body radial direction. Finally, a secondary passage 912 extending in the valve body axis direction and a communication passage 913 communicating with each of the primary passage 911 and the secondary passage 912 are formed. Further, the housing 91 is formed with a pressure reference passage 914 branched from the secondary passage 912 and a pressure reference chamber 915 communicating with the pressure reference passage 914. A solenoid is disposed on the opposite side of the pressure reference chamber 915 in the valve body axis direction.

弁体92は、シャフト部921とテーパ部922とを備え、弁体軸方向(図中左右方向)に移動可能なようにハウジング91内に配置される。   The valve body 92 includes a shaft portion 921 and a taper portion 922, and is disposed in the housing 91 so as to be movable in the valve body axial direction (left-right direction in the drawing).

弁体92は、シャフト部921の一端(図中左側)が圧力参照室915内に配置されたダイアフラム94に当接しており、同じく圧力参照室915内に配置された第1スプリング95によって、ダイアフラム94を介して閉弁方向(図中右方向)に押圧されている。   One end (left side in the drawing) of the shaft portion 921 is in contact with the diaphragm 94 disposed in the pressure reference chamber 915, and the valve body 92 is diaphragmed by the first spring 95 that is also disposed in the pressure reference chamber 915. It is pressed in the valve closing direction (right direction in the figure) via 94.

弁体92は、ソレノイド93が励磁されていないときは、テーパ部922が連通路913内に配置された弁座96に当接した閉弁状態となっている。そして、ソレノイド93が励磁されると、プランジャ931と共にそのプランジャ931に固定されたプランジャロッド932が開弁方向(図中左方向)に移動して、シャフト部921の他端(図中右側)を開弁方向に押圧する。これにより、弁体92も開弁方向に移動してテーパ部922から弁座96が離れた開弁状態となる。開弁状態になると、圧力参照通路914を介して圧力参照室915に2次圧力がかかり、ソレノイド93の通電量に応じて2次圧力を可変にすることができる。   When the solenoid 93 is not excited, the valve body 92 is in a closed state in which the tapered portion 922 is in contact with the valve seat 96 disposed in the communication path 913. When the solenoid 93 is excited, the plunger rod 932 fixed to the plunger 931 together with the plunger 931 moves in the valve opening direction (left direction in the figure), and the other end (right side in the figure) of the shaft portion 921 is moved. Press in the valve opening direction. As a result, the valve body 92 is also moved in the valve opening direction, and the valve seat 96 is separated from the tapered portion 922 to be in the valve open state. When the valve is opened, the secondary pressure is applied to the pressure reference chamber 915 through the pressure reference passage 914, and the secondary pressure can be made variable according to the energization amount of the solenoid 93.

図7は、調圧装置5の斜視図である。なお、理解を容易にするために、調圧装置5内におけるアノードガスの流れを破線で示した。   FIG. 7 is a perspective view of the pressure adjusting device 5. In order to facilitate understanding, the flow of the anode gas in the pressure regulator 5 is indicated by a broken line.

図7に示すように、減圧弁7は、車両前後方向に形成されるアノードガス供給通路4と、減圧弁7の弁体軸方向と、が平行となるように配置される。つまり、アノードガス供給通路4と減圧弁7の弁体軸方向とが平行となるように、減圧弁7の1次通路711にアノードガス供給通路4が接続される。また、減圧弁7は、2次通路712が車幅方向と平行となるように配置される。   As shown in FIG. 7, the pressure reducing valve 7 is arranged so that the anode gas supply passage 4 formed in the vehicle front-rear direction and the valve body axial direction of the pressure reducing valve 7 are parallel to each other. That is, the anode gas supply passage 4 is connected to the primary passage 711 of the pressure reducing valve 7 so that the anode gas supply passage 4 and the valve body axial direction of the pressure reducing valve 7 are parallel to each other. Further, the pressure reducing valve 7 is disposed so that the secondary passage 712 is parallel to the vehicle width direction.

次に、遮断弁8は、その弁体軸方向と車幅方向とが平行となるように、減圧弁7の上方に配置される。これにより、遮断弁8の2次通路812も、車幅方向と平行となる。そして、遮断弁8の1次通路811は、垂直方向と平行になるように配置され、減圧弁7の2次通路712から流れてきたアノードガスが、遮断弁8の1次通路811を垂直方向に下から上へ流れるように、減圧弁7の2次通路712に接続される。   Next, the shutoff valve 8 is disposed above the pressure reducing valve 7 so that the valve body axis direction and the vehicle width direction are parallel to each other. Thereby, the secondary passage 812 of the cutoff valve 8 is also parallel to the vehicle width direction. The primary passage 811 of the shutoff valve 8 is arranged in parallel with the vertical direction, and the anode gas flowing from the secondary passage 712 of the pressure reducing valve 7 passes through the primary passage 811 of the shutoff valve 8 in the vertical direction. Is connected to the secondary passage 712 of the pressure reducing valve 7 so as to flow from bottom to top.

最後に、調圧弁9は、その弁体軸方向と、車両前後方向に形成されるアノードガス供給通路4と、が平行となるように、減圧弁7に隣接させて配置される。つまり、調圧弁9は、その弁体軸方向と、減圧弁7の弁体軸方向とが平行となるように、減圧弁7に隣接させて配置される。これにより、調圧弁9の2次通路912も、アノードガス供給通路4と平行となる。そして、調圧弁9の1次通路911は、垂直方向と平行になるように配置され、遮断弁8の2次通路812から流れてきたアノードガスが調圧弁9の1次通路911を垂直方向に上から下へ流れるように、遮断弁8の2次通路812に接続される。   Finally, the pressure regulating valve 9 is disposed adjacent to the pressure reducing valve 7 so that the valve body axis direction and the anode gas supply passage 4 formed in the vehicle front-rear direction are parallel to each other. That is, the pressure regulating valve 9 is disposed adjacent to the pressure reducing valve 7 so that the valve body axial direction and the valve body axial direction of the pressure reducing valve 7 are parallel to each other. As a result, the secondary passage 912 of the pressure regulating valve 9 is also parallel to the anode gas supply passage 4. The primary passage 911 of the pressure regulating valve 9 is arranged so as to be parallel to the vertical direction, and the anode gas flowing from the secondary passage 812 of the shutoff valve 8 passes through the primary passage 911 of the pressure regulating valve 9 in the vertical direction. It is connected to the secondary passage 812 of the shutoff valve 8 so as to flow from top to bottom.

このように、遮断弁8の2次通路812と、調圧弁9の1次通路911と、を直角に接続することで、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路4の容積Vを小さく設定することができる。その結果、容積Vの調節幅を広げることができる。そのため、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vを、前述した(3)式、又は、(4)式によって設定された容積Vに容易に設定することができる。   Thus, the volume of the anode gas flow path 4 between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 is obtained by connecting the secondary passage 812 of the shutoff valve 8 and the primary passage 911 of the pressure regulating valve 9 at a right angle. V can be set small. As a result, the adjustment range of the volume V can be expanded. Therefore, the volume V of the anode gas flow path between the shutoff valve 8 and the pressure regulating valve 9 can be easily set to the volume V set by the above-described equation (3) or (4).

また、パイロット式の電磁弁である遮断弁8は、パイロット弁体831を開弁方向に駆動した後、2次通路812側の圧力が増加することによって、主弁体832が開弁方向に駆動される。そのため、遮断弁8と調圧弁9との間のアノードガス流路の容積Vを小さく設定するほど、燃料電池システム100の起動時に調圧弁9を閉じた状態で遮断弁8を開くことで、遮断弁8の2次通路812側の圧力増加速度を速めることができる。つまり、燃料電池システム100の始動時において、遮断弁8の開弁速度を速めることができるので、燃料電池システム100の起動速度を向上させることができる。   Further, the shutoff valve 8 which is a pilot type electromagnetic valve drives the main valve body 832 in the valve opening direction by driving the pilot valve body 831 in the valve opening direction and increasing the pressure on the secondary passage 812 side. Is done. Therefore, the smaller the volume V of the anode gas flow path between the shut-off valve 8 and the pressure regulating valve 9 is set, the more the shut-off valve 8 is opened with the pressure regulating valve 9 closed when the fuel cell system 100 is started. The pressure increase rate on the secondary passage 812 side of the valve 8 can be increased. That is, when the fuel cell system 100 is started, the valve opening speed of the shutoff valve 8 can be increased, so that the startup speed of the fuel cell system 100 can be improved.

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea.

100 燃料電池システム
1 燃料電池スタック(流体燃料利用機器)
3 高圧タンク(高圧容器)
4 アノードガス供給通路
5 調圧装置
7 減圧弁
8 遮断弁
812 遮断弁の2次通路
9 調圧弁
911 調圧弁の1次通路
10 コントローラ(故障検出手段、遮断手段)
100 Fuel cell system 1 Fuel cell stack (equipment using fluid fuel)
3 High pressure tank (high pressure vessel)
4 anode gas supply passage 5 pressure regulator 7 pressure reducing valve 8 shutoff valve 812 secondary passage of shutoff valve 9 pressure regulating valve 911 primary passage of pressure regulating valve 10 controller (failure detection means, shutoff means)

Claims (9)

高圧容器に格納された流体燃料を減圧して流体燃料利用機器に供給する調圧装置であって、
流体燃料を任意の圧力に減圧する調圧弁と、
前記調圧弁の上流に設けられて、前記調圧弁の異常状態が検知されると前記調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断弁と、
を備え、
前記遮断弁と前記調圧弁との間の流路容積は、
前記遮断弁を閉じて前記調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断指令が出てから前記遮断弁が閉じられるまでに要する時間の間に前記流体燃料利用機器に供給される流体燃料の量に基づいて設定される、
ことを特徴とする調圧装置。
A pressure regulator that depressurizes fluid fuel stored in a high-pressure vessel and supplies the fluid fuel to equipment using the fluid fuel,
A pressure regulating valve for reducing the fluid fuel to an arbitrary pressure;
A shutoff valve that is provided upstream of the pressure regulating valve and shuts off the supply of fluid fuel to the pressure regulating valve when an abnormal state of the pressure regulating valve is detected ;
With
The flow path volume between the shutoff valve and the pressure regulating valve is:
The amount of fluid fuel supplied to the fluid fuel utilization device during the time required from closing the shutoff valve to shutting off the supply of fluid fuel to the pressure regulating valve until the shutoff valve is closed Set based on the
A pressure regulator characterized by that.
前記遮断弁と前記調圧弁との間の流路容積は、
前記遮断指令が出てから前記遮断弁が閉じられるまでに前記流体燃料利用機器に供給される流体燃料と、前記遮断弁が閉じられた後に前記流体燃料利用機器に供給される前記流路容積内の流体燃料と、によって上昇する前記流体燃料利用機器内の圧力の上昇幅が、所定幅以内となるように設定される
ことを特徴とする請求項1に記載の調圧装置。
The flow path volume between the shutoff valve and the pressure regulating valve is:
The fluid fuel supplied to the fluid fuel utilization device from when the shutoff command is issued until the shutoff valve is closed, and the flow path volume supplied to the fluid fuel utilization device after the shutoff valve is closed The fluid fuel and the fluid fuel utilization device that is raised by the fluid fuel, the pressure rise width is set to be within a predetermined width,
The pressure regulating apparatus according to claim 1.
前記遮断弁の上流に設けられ、前記高圧容器に格納された流体燃料を所定の圧力に減圧する減圧弁をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の調圧装置。
A pressure reducing valve that is provided upstream of the shutoff valve and depressurizes the fluid fuel stored in the high pressure vessel to a predetermined pressure;
The pressure regulating device according to claim 1 or 2, wherein
前記遮断弁の入口圧が前記高圧容器内の圧力であるとして、前記流路容積を設定する、
ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1つに記載の調圧装置。
Assuming that the inlet pressure of the shut-off valve is the pressure in the high-pressure vessel, the flow path volume is set.
The pressure regulating device according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記遮断弁の入口圧が前記減圧弁によって前記高圧容器内の圧力を減圧した減圧後の圧力であるとして、前記流路容積を設定する、
ことを特徴とする請求項3に記載の調圧装置。
Assuming that the inlet pressure of the shut-off valve is a pressure after depressurization in which the pressure in the high-pressure vessel is reduced by the pressure reducing valve, the flow path volume is set.
The pressure regulating device according to claim 3.
前記調圧弁の下流の圧力に基づいて、前記調圧弁の故障を検出する故障検出手段と、
前記調圧弁の故障を検出したときに前記遮断指令を出して前記遮断弁を閉じ、前記調圧弁への流体燃料の供給を遮断する遮断手段と、
を備えることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1つに記載の調圧装置。
A failure detecting means for detecting a failure of the pressure regulating valve based on a pressure downstream of the pressure regulating valve;
A shut-off means for shutting off the supply of fluid fuel to the pressure regulating valve by issuing the shut-off command when the failure of the pressure regulating valve is detected and closing the shut-off valve;
The pressure regulating device according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
前記遮断弁の2次通路と前記調圧弁の1次通路とを直角に接続する、
ことを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1つに記載の調圧装置。
Connecting the secondary passage of the shut-off valve and the primary passage of the pressure regulating valve at a right angle;
The pressure regulating device according to any one of claims 1 to 6, wherein
請求項1から請求項7までのいずれか1つに記載された調圧装置を備える燃料電池システムであって、
前記高圧容器は、アノードガスを蓄える高圧タンクであり、
前記流体燃料利用機器は、燃料電池スタックであり、
前記調圧装置は、前記高圧タンクと前記燃料電池スタックとを接続するアノードガス供給通路に設けられる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system comprising the pressure regulator according to any one of claims 1 to 7,
The high-pressure vessel is a high-pressure tank that stores anode gas,
The fluid fuel utilization device is a fuel cell stack,
The pressure regulator is provided in an anode gas supply passage that connects the high-pressure tank and the fuel cell stack.
A fuel cell system.
前記遮断弁は、前記アノードガス供給通路を開閉するパイロット式の電磁弁であり、
前記燃料電池システムの起動時に、前記遮断弁を開弁した後に前記調圧弁を開いて、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給する、
ことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。
The shut-off valve is a pilot-type electromagnetic valve that opens and closes the anode gas supply passage,
When starting up the fuel cell system, after opening the shut-off valve, open the pressure regulating valve to supply anode gas to the fuel cell stack,
The fuel cell system according to claim 8.
JP2012285856A 2012-12-27 2012-12-27 Pressure regulator and fuel cell system Active JP6117551B2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012285856A JP6117551B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Pressure regulator and fuel cell system
PCT/JP2013/084582 WO2014104057A1 (en) 2012-12-27 2013-12-25 Pressure regulation device and fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012285856A JP6117551B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Pressure regulator and fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014126198A JP2014126198A (en) 2014-07-07
JP6117551B2 true JP6117551B2 (en) 2017-04-19

Family

ID=51021135

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012285856A Active JP6117551B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Pressure regulator and fuel cell system

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6117551B2 (en)
WO (1) WO2014104057A1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017150627A (en) * 2016-02-26 2017-08-31 本田技研工業株式会社 Valve mechanism for high pressure tank and valve device provided with the same
JP2018120281A (en) * 2017-01-23 2018-08-02 株式会社Ksf Hydrogen flow rate control device
DK179391B1 (en) * 2017-02-08 2018-05-28 Steeper Energy Aps Pressure reduction in high pressure processing system

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3545273B2 (en) * 1999-09-27 2004-07-21 ダイハツ工業株式会社 Gas engine operation method
JP3988989B2 (en) * 2002-08-22 2007-10-10 本田技研工業株式会社 How to stop the gas engine
JP4445190B2 (en) * 2002-09-10 2010-04-07 本田技研工業株式会社 Gas fuel supply device
JP4017969B2 (en) * 2002-11-29 2007-12-05 株式会社ケーヒン Regulator unit for fuel cell
JP2006156320A (en) * 2004-11-30 2006-06-15 Honda Motor Co Ltd Stopping method of gas consumption apparatus
JP4520876B2 (en) * 2005-02-10 2010-08-11 本田技研工業株式会社 High pressure gas supply system
JP5115685B2 (en) * 2005-12-16 2013-01-09 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system and method for stopping operation
JP4993293B2 (en) * 2007-07-19 2012-08-08 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system and moving body
JP2010255746A (en) * 2009-04-24 2010-11-11 Toyota Motor Corp Gas supply system

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014104057A1 (en) 2014-07-03
JP2014126198A (en) 2014-07-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2276096B1 (en) Fuel cell system and mobile article
JP5076472B2 (en) Fuel cell system
US20090014089A1 (en) Valve, Valve Controller, and Fuel Cell System
US8820712B2 (en) Opening and closing valve for high-pressure gas
JP2007165183A (en) Fuel cell system and mobile body
JP6117551B2 (en) Pressure regulator and fuel cell system
JP2013089307A (en) Pressure-reducing valve with injector, and fuel cell system equipped with the same
JP2010001916A (en) Solenoid shutoff valve
JP6868371B2 (en) High pressure fluid control valve and fuel cell system
JP2013167291A (en) Fuel utilization system
US11306874B2 (en) Gas supply system and method for estimating infernal pressure of gas tank
JP2012208801A (en) Pressure reducing valve with closing mechanism
JP4171391B2 (en) Shutoff valve open / close state determination system and shutoff valve open / close state determination method
JP2009021025A (en) Fuel cell system and mobile unit
JP6724736B2 (en) High pressure fluid control valve control device and abnormality diagnosis method
JP2012189108A (en) Tank valve with injector and fuel cell system
JP2012208802A (en) Pressure reducing valve with closing mechanism
EP3654128B1 (en) Pressure control method for high-pressure regulator to prevent internal leak, and high-pressure shut-off valve
JP2014127176A (en) Pressure adjusting apparatus and fuel cell system
JP2008140642A (en) Fuel cell system
JP2007207743A (en) Fuel cell system
JP2016184489A (en) Hydrogen fuel supply system
JP2009158250A (en) Fuel cell system
JP5136879B2 (en) Fuel cell system
JP2006108024A (en) High pressure gas feeder and fuel cell system using it

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20150828

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160830

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161031

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20161205

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170228

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170323

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6117551

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350