JP2005216519A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に供給される燃料ガスの調圧制御を簡易なシステム構成で実現する。
【解決手段】 本発明の燃料電池システム（１０）は、燃料電池（２０）に供給される燃料ガスの圧力を高圧に調圧するための高圧レギュレータ（Ａ６）と、燃料ガスの圧力を低圧に調圧するための低圧レギュレータ（Ａ７）と、これらのレギュレータ（Ａ６，Ａ７）を各々並列に接続する分岐・合流路（３１ａ，３１ｂ）を含む反応ガス供給路（３１）と、分岐・合流路（３１ａ，３１ｂ）の分岐点（Ｂ１）よりも下流側であって且つ合流点（Ｂ２）よりも上流側において高圧レギュレータ（Ａ６）に対して直列に接続された遮断弁（Ａ２）と、遮断弁（Ａ２）を開閉制御することにより燃料ガスの供給圧を調圧する制御部（６０）を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池に供給される反応ガスを調圧する複数のレギュレータを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池に供給される燃料ガス流量は電力負荷に応じて小流量から大流量まで広範囲に変動するため、このような広範囲の調圧制御を単一の調圧弁で精密に行うことは困難である。特開２００２−２３１２７７号公報には流量−圧力制御特性の異なる複数の調圧弁を組み合わせることでダイナミックレンジの広い調圧制御を可能にした燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムでは燃料電池の要求負荷を基に算出した目標燃料ガス流量が少ない場合には低流量タイプの第１調圧弁で燃料ガスの調圧を行い、目標燃料ガス流量が多い場合には高流量タイプの第２調圧弁で燃料ガスの調圧を行う構成となっている。更に、第２調圧弁の後段に遮断弁を配設することで、第２調圧弁を閉弁したときのガス漏れ量を低減し、第１調圧弁による極小流量の調圧制御を可能にする構成も開示されている。
特開２００２−２３１２７７号公報

しかし、燃料ガスの供給圧を調圧するために、複数の調圧弁の弁開度を調整するとともに、更に遮断弁の開閉制御をも行うと、これらの弁機構を制御する電気系統のシステム構成が複雑になる。

そこで、本発明は燃料電池に供給される反応ガスの調圧制御を簡易なシステム構成で実現するための燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは燃料電池に供給される反応ガスの圧力を調圧するために各々異なる調整圧力に設定された複数のレギュレータと、複数のレギュレータを各々並列に接続する複数の分岐・合流路を含む反応ガス供給路と、複数のレギュレータのうち調整圧力が最も低く設定されたレギュレータを除く単一又は複数のレギュレータの各々に対して、分岐・合流路が分岐する分岐点の下流側であって、且つ分岐・合流路が合流する合流点の上流側において、直列に接続された単一又は複数の遮断弁と、単一又は複数の遮断弁を開閉制御することにより燃料電池に供給される反応ガスの供給圧を調圧する制御部と、を備える。レギュレータと直列に接続された遮断弁を開閉制御（オンオフ制御）することにより簡易なシステム構成でレギュレータの切り替え制御を可能にできる。

レギュレータと直列に接続される遮断弁はレギュレータの上流側に配設されるのが望ましい。高圧レギュレータの上流側はその下流側よりも圧力が高いので、反応ガスの質量流量が低下し、遮断弁による圧力損失を低減できる。つまり、高圧レギュレータの上流側に遮断弁を配設することで、遮断弁を低流量設計にすることが可能となり、小型化を実現できる。

本発明の燃料電池システムは燃料電池に供給される反応ガスの圧力を信号圧に応じて調圧するための複数のレギュレータと、複数のレギュレータを各々並列に接続する複数の分岐・合流路を含む反応ガス供給路と、複数のレギュレータのうち調整圧力が最も低く設定されたレギュレータを除く単一又は複数のレギュレータの各々に信号圧を供給することにより、複数のレギュレータの中から何れか一つのレギュレータを作動させて燃料電池に供給される反応ガスの供給圧を調圧する信号圧供給手段と、を備える。かかる構成によれば遮断弁が不要となるため、システム構成をより簡易化できる。

本発明によれば、レギュレータと直列に接続された遮断弁を開閉制御することにより簡易なシステム構成でレギュレータの切り替え制御を可能にできる。また、高圧レギュレータの上流側はその下流側よりも圧力が高いので、反応ガスの質量流量が低下し、遮断弁による圧力損失を低減できる。つまり、高圧レギュレータの上流側に遮断弁を配設することで、遮断弁を低流量設計にすることが可能となり、小型化を実現できる。また、信号圧に応じて反応ガスを調圧するレギュレータを用いることにより、遮断弁が不要となるため、システム構成をより簡易化できる。

［発明の実施形態１］
図１は本発明の第１実施形態に関わる燃料電池システム１０の反応ガス供給系統を中心とするシステム構成を示している。燃料電池システム１０は燃料電池電気自動車に搭載されて電力発電を行う発電装置として構成されており、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力発電する燃料電池（セルスタック）２０を備えている。燃料電池２０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。

尚、説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５、及びカソードガスチャンネル２６から成る単セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したリブ付セパレータを介して複数の単セルが直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統には、アノードガスチャンネル２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路（反応ガス供給路）３１と、アノードガスチャンネル２５から排気される水素オフガスを燃料ガス供給路３１に還流させるための循環流路３２が配管されている。燃料ガス供給路３１には高圧水素タンク５４からの燃料ガス供給を遮断する遮断弁Ａ１と、燃料ガスの圧力調整を行う調圧部７０と、アノード入口への燃料ガスの流入を遮断する遮断弁Ａ３が配設されている。循環流路３２にはアノード出口からの水素オフガスの流出を遮断する遮断弁Ａ４と、水素オフガスを循環させるための水素循環ポンプ５５が配設されている。水素循環ポンプ５５はモータＭ１によって駆動される電動ポンプとして構成されており、アノードガスチャンネル２５を通過する過程で圧力損失を受けた水素オフガスを適度なガス圧に加圧し、燃料ガス供給路３１に還流させている。循環流路３２には循環水素に含まれる水素以外の成分濃度が高くなった時点で水素オフガスの一部を循環流路３２から車外にパージするための排気流路３３が分岐配管されている。水素オフガスのパージ処理は排気流路３３に配設された遮断弁（パージ・バルブ）Ａ５を開閉することによって行われる。排気流路３３を流れる水素オフガスは希釈器５６にて希釈され、システム外に排気される。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統にはカソードガスチャンネル２６に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給路４１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するための酸素オフガス流路４２が配管されている。エアフィルタ５１を介して大気から取り込まれたエアは、モータＭ２によって駆動されるエアコンプレッサ５２によって加圧された後、加湿器５３にて適度に過湿され、酸化ガス供給路４１を通過してカソードガスチャンネル２６に流れ込む。加湿器５３では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードガスチャンネル２６の背圧は調圧弁Ｃ１によってほぼ一定圧に調圧される。カソードガスチャンネル２６から排気された酸素オフガスは酸素オフガス流路４２を流れて希釈器５６に導入され、水素オフガスを希釈した後にシステム外に排気される。

調圧部７０は高負荷〜中負荷域において高圧の燃料ガスを供給するために圧力設定された高圧レギュレータＡ６と、中負荷域〜低負荷域において低圧の燃料ガスを供給するために圧力設定された低圧レギュレータＡ７と、これらのレギュレータＡ６，Ａ７を並列に接続する複数の分岐・合流路３１ａ，３１ｂと、高圧レギュレータＡ６に対して直列に接続された遮断弁Ａ２を備えて構成されている。分岐・合流路３１ａ，３１ｂは分岐点Ｂ１において燃料ガス供給路３１から二股分岐し、更に合流点Ｂ２において合流するガス流路である。上述の構成において、遮断弁Ａ２が閉弁すると、燃料ガスは低圧レギュレータＡ７のみを通過して低圧に調圧された後に燃料電池２０に供給される。一方、遮断弁Ａ２が開弁すると、燃料ガスは高圧レギュレータＡ６のみを通過して高圧に調圧された後に燃料電池２０に供給される。このとき、高圧レギュレータＡ６の２次側圧力と低圧レギュレータＡ７の２次側圧力は同圧になるため、低圧レギュレータＡ７は自己シール機能によって燃料ガスの通過を遮断する。この自己シール機能により、低圧レギュレータＡ７には遮断弁を配設しなくてもよい。このように、遮断弁Ａ２を開閉制御（オンオフ制御）するだけで高圧レギュレータＡ６と低圧レギュレータＡ７の切り替え制御を実現できる。

尚、遮断弁Ａ２の配設位置としては、分岐点Ｂ１よりも下流側であって、且つその合流点Ｂ２よりも上流側の範囲内であれば、特に限定されるものではないが、高圧レギュレータＡ６よりも上流側の位置が望ましい。高圧レギュレータＡ６の上流側（入力ポート）はその下流側（出力ポート）よりも圧力が高いので、ベルヌーイの定理より質量流量が低下し、遮断弁Ａ２による圧力損失を低減できる。つまり、高圧レギュレータＡ６の上流側に遮断弁Ａ２を配設することで、遮断弁Ａ２を低流量設計にすることが可能となり、小型化を実現できる。また、遮断弁Ａ２としては、オンオフ弁が好適であるが、リニア弁のように弁開度をリニアに調整できるバルブでもよい。さらに、レギュレータＡ６，Ａ７としては、システム構成を簡易化する上で機械式のレギュレータが好適である。遮断弁Ａ１〜Ａ５としては、例えば、電磁弁が好適である。

制御部６０は燃料電池２０の運転状態に応じてモータＭ１，Ｍ２を駆動してエアコンプレッサ５２と水素循環ポンプ５５の回転数を制御するとともに、遮断弁Ａ１〜Ａ５に開閉信号を出力して開閉制御を行う。燃料ガス供給系統には各部のガス圧を計測するための圧力センサＰ１〜Ｐ４が設置されており、圧力センサＰ１〜Ｐ４から出力される圧力値は制御部６０に入力されるように構成されている。ここで、圧力センサＰ１は遮断弁Ａ１の出口付近のガス圧を、圧力センサＰ２はアノード入口付近のガス圧を、圧力センサＰ３は水素循環ポンプ５５の上流側のガス圧を、圧力センサＰ４は水素循環ポンプ５５の下流側のガス圧を、それぞれ計測する。

次に、レギュレータＡ６，Ａ７の切り替え制御について、図２〜図６を参照しつつ、燃料電池２０の運転状態と対応付けて説明を加える。これらの図に示す制御ルーチンは制御部６０によって実行される。まず、システム起動要求があるか否かがチェックされる（ステップＳ１）。システム起動要求がない場合には（ステップＳ１；ＮＯ）、ステップＳ１１にジャンプする。一方、システム起動要求がある場合には（ステップＳ１；ＹＥＳ）、遮断弁Ａ１〜Ａ４を全て開弁するとともに、遮断弁Ａ５を閉弁して、燃料電池２０への燃料ガス供給を開始する。遮断弁Ａ２を開弁することにより高圧レギュレータＡ６を作動させ、燃料ガスの供給圧を高めてシステム起動時間を短縮できる。

次いで、水素循環系統に設置された圧力センサＰ２〜Ｐ４から出力される各々の圧力値が圧力値Ｐｋ１以上であるか否かをチェックする（ステップＳ３）。圧力値Ｐｋ１としては、燃料ガス供給系統の水素漏洩判定を行える程度のガス圧に選定するのが望ましい。水素循環系統に供給された燃料ガスが圧力値Ｐｋ１以上に加給されたならば（ステップＳ３；ＹＥＳ）、遮断弁Ａ１〜Ａ５を閉弁して水素漏洩判定を行う（ステップＳ４）。この水素漏洩判定では、圧力センサＰ１〜Ｐ４から出力される圧力値の単位時間あたりの変化代ΔＰ１〜ΔＰ４がそれぞれの基準値Ｐｃ１〜Ｐｃ４を超えているか否かがチェックされる（ステップＳ５）。何れの変化代ΔＰ１〜ΔＰ４もそれぞれの基準値Ｐｃ１〜Ｐｃ４を超えてない場合には（ステップＳ５；ＮＯ）、水素漏れは生じてないため、ステップＳ１１にジャンプする。

一方、何れかの変化代ΔＰ１〜ΔＰ４がそれぞれの基準値Ｐｃ１〜Ｐｃ４を超えている場合には（ステップＳ５；ＹＥＳ）、水素漏れが生じている可能性があるため、遮断弁Ａ１〜Ａ４を全て開弁するとともに、遮断弁Ａ５を閉弁して（ステップＳ６）、燃料ガス供給系統のガス圧をより一層高めて高精度な水素漏洩判定を行う。次いで、水素循環系統に設置された圧力センサＰ２〜Ｐ４から出力される各々の圧力値が圧力値Ｐｋ２以上であるか否かをチェックする（ステップＳ７）。圧力値Ｐｋ２としては、燃料ガス供給系統の微小な水素漏れを高精度に行える程度のガス圧（Ｐｋ１以上のガス圧）に選定するのが望ましい。

水素循環系統に供給された燃料ガスが圧力値Ｐｋ２以上に加給されたならば（ステップＳ７；ＹＥＳ）、遮断弁Ａ１〜Ａ５を閉弁して水素漏洩判定を行う（ステップＳ８）。この水素漏洩判定では、圧力センサＰ１〜Ｐ４から出力される圧力値の単位時間あたりの変化代ΔＰ１〜ΔＰ４がそれぞれの基準値Ｐｄ１〜Ｐｄ４を超えているか否かがチェックされる（ステップＳ９）。何れの変化代ΔＰ１〜ΔＰ４もそれぞれの基準値Ｐｄ１〜Ｐｄ４を超えてない場合には（ステップＳ９；ＮＯ）、水素漏れは生じてないため、ステップＳ１１にジャンプする。一方、何れかの変化代ΔＰ１〜ΔＰ４がそれぞれの基準値Ｐｄ１〜Ｐｄ４を超えている場合には（ステップＳ９；ＹＥＳ）、水素漏れが生じていると判断できるため、システム異常停止を行う（ステップＳ１０）。システム異常停止時には遮断弁Ａ１〜Ａ５は閉弁されて燃料ガスの供給が停止される。

さて、上述の水素漏洩判定において異常なしと判断されると、システムが走行可能な状態であるか否かがチェックされる（ステップＳ１１）。システムに異常があり、走行できる状態でないと判定されると（ステップＳ１１；ＮＯ）、システム異常停止が行われる（ステップＳ１０）。一方、システムに異常がなく、走行できる状態にあると判定されると（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、遮断弁Ａ１，Ａ３，Ａ４を開弁するとともに遮断弁Ａ２を閉弁し（ステップＳ１２）、低圧レギュレータＡ７を作動させて燃料電池２０に低圧燃料ガスを供給する。次いで、アクセル開度や車速等から要求負荷を求め（ステップＳ１３）、燃料電池２０のＩ−Ｖ特性より要求電流を算出し、ストイキ値等を加味した上でエアコンプレッサ５２の目標回転数と、水素循環ポンプ５５の目標回転数と、アノード入口圧力の目標圧力をそれぞれマップ等に基づいて算出する（ステップＳ１４，Ｓ１５，Ｓ１６）。

ここで、圧力センサＰ２が計測した圧力値が目標圧力値以上である場合には（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、燃料ガスの供給圧が高めになっているので、遮断弁Ａ２を閉弁し（ステップＳ１８）、低圧レギュレータＡ７を作動させて低圧燃料ガスを供給する。一方、圧力センサＰ２が計測した圧力値が目標圧力値未満である場合には（ステップＳ１７；ＮＯ）、燃料ガスの供給圧が低めになっているので、遮断弁Ａ２を開弁し（ステップＳ１９）、高圧レギュレータＡ６を作動させて高圧燃料ガスを供給する。このように遮断弁Ａ２の開閉制御を通じてレギュレータＡ６，Ａ７の切り替え制御を行い、燃料ガスの供給圧を目標圧力に一致させる。

電池運転を継続すると、水素循環系統を循環するアノードオフガスに含まれる窒素や水分等の不純物量が増大するため、遮断弁Ａ５を開閉してアノードオフガスの一部をシステム外に排気する（ステップＳ２０）。電池温度が低温又は電力負荷が高負荷である程、不純物が増大するため、遮断弁Ａ５の開時間を長くし、開閉頻度を多くする。次いで、極間差圧を調整するため、カソード入口圧力ＰＡを推定演算する（ステップＳ２１）。カソード出口の背圧は調圧弁Ｃ１によってほぼ一定圧に調圧されているため、電力負荷から定まる酸化ガス流量に圧力損失を加味して計算することによりカソード入口圧力ＰＡを計算できる。次いで、極間差圧Ｐｅ＝Ｐ２−ＰＡを演算し（ステップＳ２２）、極間差圧Ｐｅが閾値Ｐｔ１以上である場合には（ステップＳ２３；ＹＥＳ）、燃料ガス圧の方が酸化ガス圧よりも大きいため、遮断弁Ａ２を閉弁して（ステップＳ２４）、低圧レギュレータＡ７を作動させることにより燃料ガス圧を減少させる。一方、極間差圧Ｐｅが閾値−Ｐｔ２以下である場合には（ステップＳ２５；ＹＥＳ）、酸化ガス圧の方が燃料ガス圧よりも大きいため、遮断弁Ａ２を開弁して（ステップＳ２６）、高圧レギュレータＡ６を作動させて燃料ガス圧を増加させる。酸化ガス圧を加減することで極間差圧Ｐｅの調整を行うと、燃料電池２０のＩ−Ｖ特性が悪化する場合があるので、燃料ガス圧を加減することで極間差圧Ｐｅの調整を行うのが望ましい。

発電時間が長くなると、ガスチャンネル２５，２６に凝縮水が蓄積してセルの有効電極面積が減少し、各セルに反応ガスが均等に供給されなくなるおそれがある。このような状況では、各々のセル間で電圧分布が生じ、最も電圧の低いセルが０Ｖ以下まで降圧して過放電するおそれがある。過放電の状態で電流を流し続けると、高分子電解質膜２１が破損する可能性があるので、適宜排水する必要がある。そこで、発電電流の積算値ＩＴを演算し（ステップＳ２７）、電流積算値ＩＴが閾値ＩＷ未満であり、且つセル電圧が閾値Ｖ１以上である場合には（ステップＳ２８；ＮＯ）、フラッディングの虞はないので、排水処理は行わずにステップＳ３９にジャンプする。一方、電流積算値ＩＴが閾値ＩＷ以上であるか又はセル電圧が閾値Ｖ１以下である場合には（ステップＳ２８；ＹＥＳ）、フラッディングの虞があるので、以下に述べるようにガスチャンネル２５，２６に圧力変動を起こして排水を促進する。

ガスチャンネル２５，２６に圧力変動を起こすには、まず、遮断弁Ａ２を開弁して（ステップＳ２９）、高圧レギュレータＡ６を作動させてアノードガスチャンネル２５内の燃料ガス圧を高める。次いで、電流積算値ＩＴをゼロクリアする（ステップＳ３０）。電流積算値ＩＴのゼロクリア時点からの時間経過が所定時間ｔ１を経過しており、且つセル電圧が閾値Ｖ２以上である場合には（ステップ３１；ＹＥＳ）、セル電圧が回復しつつあるので、遮断弁Ａ２を閉弁し（ステップＳ３２）、低圧レギュレータＡ７を作動させてアノードガスチャンネル２５内の燃料ガス圧を低める。更に、発電量を増加させて燃料ガスの消費を増大し（ステップＳ３３）、遮断弁Ａ５を開いてアノードオフガスをシステム外に排気することで（ステップ３４）、燃料ガス圧をより一層低下させる。このように減圧速度を上げることで脈動効果を大きくし、ガスチャンネル２５，２６に貯溜している水分の排水を促進する。アノードオフガスの排気量の増大に伴い、エアコンプレッサ５２の回転数を増加させ（ステップＳ３５）、希釈器５６に導入される希釈エア流量を増やしてアノードオフガスを希釈する。次いで、アノード入口圧力Ｐ２が圧力値Ｐｋ３以下に達したか否かをチェックし（ステップＳ３６）、圧力Ｐ２が圧力値Ｐｋ３以下に達すると（ステップＳ３６；ＹＥＳ）、エアコンプレッサ５２の回転数を通常回転数に復帰させる（ステップＳ３７）。

以上のようにして電池運転を実施するが、電力負荷が小さい場合には、燃料電池２０を運転しなくてもバッテリからの電力供給で走行できるため、燃料電池２０の運転を一次休止して間欠運転を行うのが好ましい。そこで、間欠運転開始条件が成立しているか否かがチェックされ（ステップＳ３８）、間欠運転開始条件が成立してない場合には（ステップＳ３８；ＮＯ）、ステップＳ１１にジャンプする。間欠運転開始条件が成立すると（ステップＳ３８；ＹＥＳ）、電池運転休止に備えて遮断弁Ａ１〜Ａ５を全て閉弁し（ステップＳ３９）、水素漏洩判定を行う（ステップＳ４０）。この水素漏洩判定は上述したステップＳ２〜ステップＳ９と同じ処理を再度実施すればよい。このようにして間欠運転モードに移行したならば、間欠運転解除条件が成立しているか否かがチェックされる（ステップＳ４１）。間欠運転解除条件が成立してない場合には（ステップＳ４１；ＮＯ）、ステップＳ３８にジャンプする。

一方、間欠運転解除条件が成立すると（ステップＳ４１；ＹＥＳ）、電池運転再開に備えて遮断弁Ａ１〜Ａ４を全て開弁し（ステップＳ４２）、高圧レギュレータＡ６を作動させて高圧の燃料ガスを燃料電池２０に供給する。さらに、水素循環ポンプ５５の回転数を増大させ、燃料ガスを一層加圧する（ステップＳ４３）。間欠運転解除時にはクロスリーク等により燃料ガス圧は低下しているため、高圧の燃料ガスを燃料電池２０に供給することで、窒素等の分圧を相対的に小さくし、安定した発電を行うことができる。燃料ガス供給系統の各部のガス圧Ｐ２〜Ｐ４が圧力値Ｐｋ４以上になると（ステップＳ４４；ＹＥＳ）、燃料ガス供給系統のガス圧が必要かつ十分なガス圧に昇圧されたので、遮断弁Ａ２を閉弁して（ステップＳ４５）、低圧レギュレータＡ７を作動させる。

そして、最後にシステム停止要求があるか否かがチェックされる（ステップＳ４６）。システム停止要求がない場合には（ステップＳ４６；ＮＯ）、ステップＳ１１にジャンプする。システム停止要求があると（ステップＳ４６；ＹＥＳ）、遮断弁Ａ１，Ａ２を閉弁して（ステップＳ４７）、燃料ガスの供給を停止する。更に、低電流発電を行って残留燃料ガスを消費する（ステップＳ４８）。アノード入口ガス圧Ｐ２が圧力値Ｐｋ５以下になると（ステップＳ４９；ＹＥＳ）、水素循環ポンプ５５を停止し（ステップＳ５０）、更に発電を停止する（ステップＳ５１）。続いて、遮断弁Ａ５を開弁することにより（ステップＳ５２）、水素循環系の残留水素を排気する。アノード入口ガス圧Ｐ２が圧力値Ｐｋ６以下になると（ステップＳ５３；ＹＥＳ）、遮断弁Ａ３〜Ａ５を閉弁する（ステップＳ５４）。遮断弁Ａ３〜Ａ５の閉弁時点から所定時間ｔ２を経過した後（ステップＳ５５；ＹＥＳ）、エアコンプレッサ５２を停止し（ステップＳ５６）、ステップＳ１にジャンプする。

本実施形態によれば、高圧レギュレータＡ６の上流に設置された遮断弁Ａ２を開閉制御することで、高圧レギュレータＡ６と低圧レギュレータＡ７の切り替え制御が可能になるため、燃料電池に供給される燃料ガス圧を簡易なシステム構成で異なる圧力値に調圧できる。また、高圧レギュレータＡ６の上流側に遮断弁Ａ２を設置することで、遮断弁Ａ２を低流量設計にすることが可能となり、遮断弁Ａ２の小型化、及び圧力損失の低減を可能にできる。

［発明の実施形態２］
図８は本発明の第２実施形態に関わる燃料電池システムの調圧部７１の構成を示している。本実施形態は第１実施形態の構成において調圧部７０を調圧部７１に置き換えた構成を備えている。調圧部７１は燃料電池２０に供給される燃料ガスの圧力を調圧するために高圧、中圧、及び低圧の調整圧力に設定された複数のレギュレータＡ６〜Ａ８と、レギュレータＡ６〜Ａ８を各々並列に接続する複数の分岐・合流路３１ａ〜３１ｃを含む反応ガス供給路３１と、中圧レギュレータＡ８及び高圧レギュレータＡ６の各々に対して直列に配設された遮断弁Ａ９，Ａ２を備えて構成されている。設定圧力の異なる複数のレギュレータＡ６〜Ａ８を用いることにより、レギュレータ一つあたりのダイナミックレンジが狭くても、燃料電池２０の電力負荷に応じて燃料ガス圧を高圧〜低圧までの広範囲にわたって調圧できる。また、レギュレータの個数が多い程、調圧レンジを作り易いメリットがある。

制御部６０は遮断弁Ａ２，Ａ９を開閉制御することによりレギュレータＡ６〜Ａ８の作動を切り替えることができる。例えば、遮断弁Ａ２，Ａ９が全て閉弁すると、低圧レギュレータＡ７のみが作動する。遮断弁Ａ９が開弁し、遮断弁Ａ２が閉弁すると、中圧レギュレータＡ８のみが作動し、低圧レギュレータＡ７は自己シール機能により燃料ガスの通過を遮断する。遮断弁Ａ９が閉弁し、遮断弁Ａ２が開弁すると、高圧レギュレータＡ６のみが作動し、低圧レギュレータＡ７は自己シール機能により燃料ガスの通過を遮断する。遮断弁Ａ２，Ａ９の設置位置としては、分岐・合流路３１ａ〜３１ｃの分岐点Ｂ１よりも下流側であって、且つその合流点Ｂ２よりも上流側の範囲内であれば、特に限定されるものではないが、それぞれ中圧レギュレータＡ８及び高圧レギュレータＡ６よりも上流側の位置が望ましい。遮断弁Ａ２，Ａ９をレギュレータ上流に設置することで、低流量設計が可能となり、小型化を実現できる。

尚、レギュレータをＮ個（Ｎは３以上の整数）並列に接続する場合には、最も低圧に設定されたレギュレータを除く（Ｎ−１）個のレギュレータの各々に対して遮断弁を直列に（Ｎ−１）個設置し、この（Ｎ−１）個の遮断弁を開閉制御することで、Ｎ個のレギュレータを切り替え制御できる。（Ｎ−１）個のレギュレータの開閉制御を行うには、目標圧力よりも高い設定圧力のレギュレータに対応する遮断弁が閉弁していればばよく、目標圧力よりも低い設定圧力のレギュレータに対応する遮断弁は開弁又は閉弁の何れの状態でもよい。

［発明の実施形態３］
図９は本発明の第３実施形態に関わる燃料電池システムの調圧部７２の構成を示している。本実施形態は第１実施形態の構成において調圧部７０を調圧部７２に置き換えた構成を備えている。調圧部７２は高負荷〜中負荷域において高圧の燃料ガスを供給するために圧力設定された高圧レギュレータＡ１０と、中負荷域〜低負荷域において低圧の燃料ガスを供給するために圧力設定された低圧レギュレータＡ１１と、レギュレータＡ１０，Ａ１１を各々並列に接続する複数の分岐・合流路３１ａ，３１ｂを含む反応ガス供給路３１を備えて構成されている。高圧レギュレータＡ１０は、例えば、空気式の比例圧力制御弁として構成され、信号圧供給手段８０から供給されるエア圧を信号圧として入力し、燃料ガス圧が所定圧力範囲になるように減圧制御する。信号圧供給手段８０としては、高圧レギュレータＡ１０にエア等の作動媒体を介して信号圧を供給できるエアコンプレッサが好適である。制御部６０は電力負荷に応じて高圧レギュレータＡ１０に供給される信号圧を制御する。具体的には、低負荷〜中負荷の範囲では低圧レギュレータＡ１１のみが作動するように高圧レギュレータＡ１０に高圧エアを供給して閉弁させる。中負荷〜高負荷の範囲では高圧レギュレータＡ１０が作動するように信号圧を調整する。高圧レギュレータＡ１０が作動している状態では低圧レギュレータＡ１１は自己シール機能により燃料ガスの通過を遮断する。本構成によれば、レギュレータを切り替え制御するための遮断弁が不要となるため、システム構成を簡易化できる。

尚、レギュレータをＮ個（Ｎは３以上の整数）並列に接続する場合には、最も低圧に設定されたレギュレータを除く（Ｎ−１）個のレギュレータを、例えば、上述した空気式の比例圧力制御弁として構成し、この比例圧力制御弁を開閉制御することで、何れか一つのレギュレータのみが作動するように構成してもよい。

第１実施形態に関わる燃料電池システムの構成図である。 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。 燃料電池の運転制御ルーチンを記述したフローチャートである。 第２実施形態に関わる調圧部の構成図である。 第３実施形態に関わる調圧部の構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３１…燃料ガス供給路 ３１ａ，３１ｂ…分岐・合流路 ６０…制御部 ７０…調圧部 Ａ２…遮断弁 Ａ６…高圧レギュレータ Ａ７…低圧レギュレータ

Claims (3)

1. 燃料電池に供給される反応ガスの圧力を調圧するために各々異なる調整圧力に設定された複数のレギュレータと、
   前記複数のレギュレータを各々並列に接続する複数の分岐・合流路を含む反応ガス供給路と、
   前記複数のレギュレータのうち調整圧力が最も低く設定されたレギュレータを除く単一又は複数のレギュレータの各々に対して、前記分岐・合流路が分岐する分岐点の下流側であって且つ前記分岐・合流路が合流する合流点の上流側において、直列に接続された単一又は複数の遮断弁と、
   前記単一又は複数の遮断弁を開閉制御することにより前記燃料電池に供給される反応ガスの供給圧を調圧する制御部と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記遮断弁は前記レギュレータの上流側に配設されている、燃料電池システム。
3. 燃料電池に供給される反応ガスの圧力を信号圧に応じて調圧するための複数のレギュレータと、
   前記複数のレギュレータを各々並列に接続する複数の分岐・合流路を含む反応ガス供給路と、
   前記複数のレギュレータのうち調整圧力が最も低く設定されたレギュレータを除く単一又は複数のレギュレータの各々に信号圧を供給することにより、前記複数のレギュレータの中から何れか一つのレギュレータを作動させて前記燃料電池に供給される反応ガスの供給圧を調圧する信号圧供給手段と、
   を備える、燃料電池システム。
   
   

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