JP4647236B2 - 燃料電池の反応ガス供給装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池のカソード入口圧力を基準圧として印加し、燃料電池のアノード供給圧力を調整するレギュレータを有する燃料電池の反応ガス供給装置に関するものである。
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池システムの一例としては、酸化剤ガスを燃料電池のカソード極に供給するとともに、燃料ガスを燃料電池のアノード極に供給して、これらのガスの電気化学反応により発電出力を得るシステムが知られている。
ところで、燃料電池で発電をさせる際に、アノード極とカソード極との圧力の差分(極間差圧)を一定以内の範囲に保持する必要がある。そこで、燃料電池のカソード入口圧力を基準圧として印加し、燃料電池のアノード供給圧力を調整するレギュレータを有するシステムがある。例えば、特許文献1には、アノード極に印加する圧力をレギュレータを介して自動的に調整可能とするために、カソード極に印加する圧力を制御装置で制御する技術が提案されている(特許文献1参照)。
特開2002−373682号公報
ところで、車両の運転状態には、全負荷に出力を供給する全負荷出力状態やアイドル停止状態などの様々の状態がある。この車両の運転状態に応じて、燃料電池に要求される発電電力は変動し、それに伴い必要とされる反応ガスの圧力も変動する。しかしながら、単にレギュレータで機械的に制御するのみでは、全発電領域において、アノード圧をカソード圧に対する最適な値(目標値)に迅速に制御することが困難であり、応答性の面で問題がある。また、従来の技術においては、レギュレータとしてメカニカルバルブを用いており、その応答特性に応じたアノード圧に調整される。このため、発電に要求されるガス量が変動する過渡状態ではメカニカルバルブの応答遅れが生じて、レギュレータで調整されるアノード圧が目標値からずれてしまい、目標値に調整する制御を行うことが困難となるという問題がある。
本発明は、様々な運転状態に対応可能とし、要求出力に対する応答性を高めることができる燃料電池の反応ガス供給装置を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明は、燃料電池のカソード極に加圧されたエアを供給するコンプレッサと、燃料電池のアノード極に水素を供給する水素供給手段(例えば、実施の形態における高圧水素タンク30)と、燃料電池の運転状態に応じて前記コンプレッサを制御してカソード極の圧力を調整する制御装置(例えば、実施の形態におけるECU10)と、前記カソード極のエア圧力を基準圧として印加され、このエア圧力に基づいて前記アノード極への供給圧力を調整するレギュレータとを有する燃料電池の反応ガス供給装置において、前記レギュレータに印加するエア圧力のエア流路からエアを排出することにより、前記レギュレータに印加される基準圧を調整可能な圧力調整器(例えば、実施の形態におけるエアインジェクタ36、電磁弁50)を設け、前記圧力調整器開度のフィードバック制御量は、前記燃料電池の目標発電量に応じて定まるアノード極目標圧力と、検出されたアノード極の圧力とに応じて算出されることを特徴とする。
この発明によれば、前記燃料電池の運転状態が変動して前記燃料電池のエア圧力が一時的に増大することに伴ってエア流路に流入するエア流量が急激に上昇する場合であっても、前記圧力調整器を作動させて前記エア流路からエアを排出し、前記基準圧を適正な値に調整することにより、燃料電池のアノード極に供給するガスの圧力を目標値に調整(一致)させることができる。
また、前記検出されたアノード極の圧力が前記アノード極目標圧力と略一致するように、前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することにより、燃料電池のアノード極に供給するガスの圧力を目標値に調整(一致)させることができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記レギュレータは、前記大気圧を基準として、印加される調整圧に対する出口圧を所定値に調整するものであり、前記圧力調整器開度のフィードフォワード制御量は、大気圧に応じて算出される(例えば、実施の形態におけるステップS24、S26、S28)ことを特徴とする。
この発明によれば、前記レギュレータは、大気圧が変動した場合であっても前記出口圧を所定値に調整することができるとともに、前記圧力調整器開度のフィードフォワード制御量を大気圧に応じて算出し、前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することにより、燃料電池のアノード極に供給するガスの圧力を目標値に調整(一致)させることができる。
請求項3に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記水素供給手段は、前記アノード極から排出される水素をエゼクタを介して再度アノード極に供給させる循環流路を備え、前記エゼクタは、水素供給流路の径が多段に切り換わるものであり、前記圧力調整器開度のフィードフォワード制御量は、前記エゼクタの前記水素供給流路の径に応じて、算出される(例えば、実施の形態におけるステップS22)ことを特徴とする。
この発明によれば、前記エゼクタを介して循環する水素の量を、前記径を切り換えることで適正な量に調整することができるとともに、前記圧力調整器開度のフィードフォワード制御量を前記径に応じて算出し、前記エゼクタの切換えられた径に応じて前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することにより、燃料電池のアノード極に供給するガスの圧力を目標値に調整(一致)させることができる。
請求項に係る発明は、請求項1から請求項のいずれかに記載のものであって、前記エア流路には、前記圧力調整器の上流側であって、前記レギュレータとの分岐よりも上流側にオリフィス(例えば、実施の形態におけるオリフィス34)を、前記圧力調整器に近接するように設けたことを特徴とする。
この発明によれば、前記オリフィスを圧力調整器の上流側であって、前記レギュレータとの分岐よりも上流側に設けることで、前記圧力調整器からのエアの排出量に対して、前記圧力調整器に流入してくるエア量を抑制することで、前記エア流路の経路の長さに関わらず、圧力調整の安定化を図ることができ、さらに、前記エア量の変動に対する前記圧力調整器の応答性を高めることができる。
請求項に係る発明は、請求項1から請求項のいずれかに記載のものであって、前記圧力調整器は、前記レギュレータに供給するエアを排出する流通孔(例えば、実施の形態における流通孔33)を開閉可能な弁体(例えば、実施の形態における弁体27)を備え、該弁体は、前記流通孔の閉方向に縮径してなる形状であることを特徴とする。
この発明によれば、前記弁体が前記流通孔の閉方向に縮径してなる形状であるため、前記弁体を前記流通孔の閉方向に移動させて前記流通孔を閉塞させる際の発生音を低減することができ、また、前記弁体を前記流通孔の開方向または閉方向に移動させることにより、前記弁体と前記流通孔との間隔を一義的に設定することができるため、圧力調整を一義的に調整することができ、圧力調整を高い精度で行うことができる。
請求項1に係る発明によれば、燃料電池の運転状態が変動した場合であっても、前記基準圧を適正な値に調整することが可能となり、要求出力に対する応答性を高めることができる。
また、前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することができる。
請求項2に係る発明によれば、大気圧が変動した場合であっても前記出口圧を所定値に調整することができるとともに、前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することができる。
請求項3に係る発明によれば、エゼクタを介して循環する水素の量を適正な量に調整することができるとともに、前記エゼクタの切換えられた径に応じて前記レギュレータに印加される調整圧を適正に調整することができる。
請求項に係る発明によれば、前記圧力調整器からのエアの排出量に対して、前記圧力調整器に流入してくるエア量を抑制することで、前記エア流路の経路の長さに関わらず、圧力調整の安定化を図ることができ、さらに、前記エア量の変動に対する前記圧力調整器の応答性を高めることができる。
請求項に係る発明によれば、前記弁体を前記流通孔の閉方向に移動させて前記流通孔を閉塞させる際の発生音を低減することができ、圧力調整を高い精度で行うことができる。
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池の反応ガス供給装置について実施の形態を説明する。
図1は、この発明の一実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置の構成を示すブロック図である。燃料電池1は、固体高分子電解質膜の両側にアノード極とカソード極が設けられ各電極の外側に反応ガスを供給するためのガス通路が設けられてなるセルを多数積層して構成されている。
この燃料電池1は、アノード極に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスとしての空気が供給されて発電を行う。
空気はエアコンプレッサ2によって加圧され、カソード加湿器3で加湿されて燃料電池1のカソード極に供給され、この空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池1から空気オフガスとして排出され、圧力制御弁4を介して大気に放出される。ECU10は、燃料電池1に要求されている出力(以下、要求出力)に応じて、エアコンプレッサ2を駆動して所定量の空気を燃料電池1に供給するとともに、圧力制御弁4を制御してカソード極での空気の供給圧を燃料電池1の要求出力に応じた圧力に調整する。
一方、高圧水素タンク30から放出された水素ガスはレギュレータ5により減圧された後、エゼクタ6を通り、アノード加湿器7で加湿されて燃料電池1のアノード極に供給される。この水素ガスは発電に供された後、燃料電池1から水素オフガスとして排出され、水素オフガス回収路11を通ってエゼクタ6に吸引され、前記高圧水素タンクから供給される水素ガスと合流し再び燃料電池1に供給され循環するようになっている。
レギュレータ5は、例えば空気式の比例圧力制御弁(図2参照)からなり、エアコンプレッサ2から供給される空気の圧力を信号圧として空気信号導入路15を介して入力され、レギュレータ5出口の水素ガスの圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御する。本実施の形態においては、大気圧を基準として、信号圧の所定倍(例えば3倍)の圧力をレギュレータ5出口の圧力となるように制御している。
このレギュレータ5について図2の概略断面図を参照して説明する。
レギュレータ5のボディ21の内部空間は調圧ダイヤフラム22a、22b(22)によって上下に仕切られていて、ダイヤフラム22aよりも上側の空間は信号圧室23になっていて、ダイヤフラム22bよりも下側の空間は水素ガス通路24になっている。信号圧室23は空気導入孔25を備えた密閉空間になっていて、コンプレッサ2で加圧された空気が空気信号導入路15を介して空気導入孔25から信号圧室23に導入される。
ダイヤフラム22bの下面にはステム26が取り付けられており、ステム26には、水素ガス通路24内のバルブシート部28に対して上側から着座離反可能な弁体27が設けられている。そして、信号圧室23には、弁体27をバルブシート部28から離間する方向に付勢するバイアス設定用スプリング(弾性体)29が設けられている。
また、ボディ21には、弁体27が配置されている側の水素ガス通路24aに連通する水素ガス入口31と、弁体27が配置されていない側の水素ガス通路24bに連通する水素ガス出口32が設けられていて、水素ガス入口31、水素ガス出口32は水素供給管13に接続されている。
このように構成されたレギュレータ5では、上向きに作用する第2の推力が下向きに作用する第1の推力よりも小さいときにはダイヤフラム22a、22bに下向きの力が作用し、弁体27をバルブシート部28から離間させる方向(すなわち、開弁方向)へ押動する。これにより、バルブシート部28に形成された流通孔33が弁体27から開放されるため、水素供給管13を流通する水素ガスは、レギュレータ5内を流通可能となる。一方、第2の推力が第1の推力よりも大きくなったときにはダイヤフラム22に上向きの力が作用し、弁体27をバルブシート部28に接近する方向(すなわち、閉弁方向)へ押動する。これにより、バルブシート部28に形成された流通孔33が弁体27により閉塞されるため、水素供給管13を流通する水素ガスは、レギュレータ5内を流通不能となる。
また、エゼクタ6は、水素供給流路の径が多段に切り換わるものであり、具体的には、径の異なる複数のノズルを備えたスライド部材がスライドすることにより、ノズルのいずれかが水素ガス供給流路に接続される。これにより、エゼクタ6に供給されるガス(この場合は水素ガス)の流量が制御される。
また、レギュレータ5に接続された空気信号導入路15には、レギュレータ5の上流側にオリフィス34やレギュレータ圧力センサ35が設けられている。オリフィス34やレギュレータ圧力センサ35の下流側でエア流路39が分岐して、このエア流路39にエアインジェクタ36が設けられている。
そして、ECU10は、図示しないバッテリの電圧を検出するバッテリ電圧センサ38、大気圧センサ37、アノード入口圧センサ42、カソード入口圧センサ43、レギュレータ圧力センサ35に接続され、これらのセンサの検出値に基づいて、エアインジェクタ36の開度を調整するようにしている。
なお、水素オフガス回収路11は電磁駆動式のパージ弁8を介して水素オフガス排出路12に接続されている。このパージ弁8は、燃料電池1のアノード極側に水が溜まらないように排水するなどの作用がある。
そして、燃料電池1の入口ガス圧力を以下のように目標値に制御する。すなわち、アノード入口圧(アノード入口圧センサ42で検出される圧力)を目標値にするために、エゼクタ6での圧力損失分を考慮してレギュレータ5の出口圧を設定する。本実施の形態のように、エゼクタ6が多段方式(ノズル径を切り換える方式)になっている場合は、切り換えた径に応じて圧力損失を考慮した補正を行う。そして、レギュレータ5の特性に応じてレギュレータ5の信号圧(パイロット圧PREG)を設定し、レギュレータ5の実際のパイロット圧PREGが該調整圧になるように、エアインジェクタ36から排出するエアの量を調整する。
上記のように構成された燃料電池の反応ガス供給装置の動作について説明する。図3〜図5は反応ガス供給装置の動作を示すフローチャートである。
まず、ステップS12で、アイドルストップ要求があるかどうか、換言すれば、車両がアイドル状態で発電要求がない時にコンプレッサ2の停止要求があるかどうかを判定し、判定結果がYESの場合はステップS14に進み、判定結果がNOの場合はステップS16に進む。
ステップS14では、水素圧力基準値PHBSをアイドルストップ専用値PHSTPに設定して、ステップS18に進む。このように、アイドルストップ時には水素圧力基準値PHSTPを特別な値に持ち替える。
一方、ステップS16では、テーブル1(図6参照)に従って、目標発電電流IFCTARから目標アノード圧力ベース値PHBSを算出する。図6は、目標発電電流IFCTARと目標アノード圧ベース値PHBSの関係を示すグラフ図である。同図に示すように、発電性能を向上させるため、目標発電電流IFCTARが高くなるとそれに伴い目標アノード圧ベース値PHBSも高くなるように設定する。
ステップS18では、目標アノード圧ベース値PHBSと実際に検出されたカソード圧力値PAの差が、基準範囲ΔP1以下になるように目標アノード圧ベース値PHBSを制限して(リミットをかけて)、その値を新たに目標アノード圧ベース値PHBSに設定する。
ステップS20では、目標アノード圧ベース値PHBSと冷却水圧力値PWとの差が、ΔP2以下になるように目標アノード圧ベース値PHBSを制限して(リミットをかけて)、その値を目標アノード圧PHTARに設定する。
これらステップS18、S20の処理を行うことにより、燃料電池1の固体高分子電解質膜を極間差圧の変動から保護している。
ステップS22では、マップ1(図7参照)に従って、ステップS20で求めた目標アノード圧PHTARと発電電流IFCとから目標信号圧ベース値PREGBSを算出する。図7は、目標アノード圧PHTARと目標信号圧ベース値PREGBSと、発電電流IFCの関係を示すグラフ図である。同図に示すように、目標アノード圧PHTARが高くなるとそれに伴い目標信号圧ベース値PREGBSも高くなる。さらに、発電電流IFCが大きくなると、それに伴い目標アノード圧PHTARに対する目標信号圧ベース値PREGBSも高くなる。このような関係になるのは、発電電流に応じたエゼクタ6の圧力損失を加味して目標信号圧ベース値を設定しているためである。
本実施の形態においては、運転状態(発電状態)に応じて、エゼクタ6のノズル(図示せず)の径を切り換える。すなわち、発電電流が大きくなるにつれて、径の大きなノズルに切り換える。上述したマップ1は、多段に切り換わるエゼクタ6の径のうちの一つの径に対するマップであり、エゼクタ6のそれぞれの径に対応するマップを有している。このようにすることで、エゼクタ6の径が切り換わって、それに応じてアノード圧の圧損が変わっても、この圧損の変動を加味した適正な制御を行うことができる。
ステップS24では、テーブル2(図8参照)に従って、大気圧POに基づいて補正係数KPREGPOを算出する。図8は大気圧POと補正係数KPREGPOとの関係を示すグラフ図である。同図に示すように、大気圧POの低い高地では補正係数KPREGPOが高くなり、大気圧POの高い低地では補正係数KPREGPOが低くなるように設定している。
ステップS26では、目標信号圧ベース値PREGBSに補正係数KPREGPOを乗じた値をレギュレータ5入口の目標圧力PREGTARとして設定する。
レギュレータ5は、大気圧POを基準に出口圧を所定値に調整する機能を有する調整弁であるが、燃料電池1のアノード入口圧力の目標値は、絶対圧で設定される。
よって、大気圧の変動を加味した目標圧力PREGTARを変更することで、大気圧が低下しても、前記レギュレータ5に印加される調整圧を適正に調整することにより、アノード極の入口圧(絶対圧)を目標値に調整することができる。
ステップS28では、マップ2(図9参照)に従って、目標信号圧PREGTARと信号元圧(カソード圧)PAからインジェクタベース指令値TIBSを算出する。図9は目標信号圧PREGTARとインジェクタベース指令値TIBSと、信号圧元圧PAとの関係を示すグラフ図である。同図に示すように、インジェクタベース指令値TIBSと目標信号圧PREGTARとは反比例する。また、信号圧元圧PAが大きい程、目標信号圧PREGTARに対するインジェクタベース指令値TIBSの値は大きくなる。このように算出された指令値TIBSが、インジェクタ36の単位周期(例えば30msec)毎の開弁時間となる。
ステップS30では、テーブル3(図10参照)に従って、大気圧POから補正係数KTIPOを算出する。図10は大気圧POと補正係数KTIPOとの関係を示すグラフ図である。同図に示すように、大気圧POの低い高地では補正係数KTIPOが高くなり、大気圧POの高い低地では補正係数KTIPOが低くなるように設定している。
ステップS32では、目標アノード圧PHTARと、アノード入口圧センサ42で検出された実際のアノード圧力PHとの差分からフィードバック係数を算出する。ステップS34では、PID制御により、アノード圧力フィードバック補正量TIPHを算出する。これらステップS32、34の処理によりアノード入口圧のフィードバック制御を行うことができる。
このように、フィードバック制御を行うことにより、検出されたアノード入口圧PHが目標アノード圧PHTARと略一致するように、レギュレータ5に印加される調整圧を適正に調整することができる。
また、フィードバック制御としては、ステップS32、34の制御に換えて、目標信号圧と実際の信号圧との差分からフィードバック係数を算出し、PID制御によりアノード圧フィードバック補正量TIPHを算出するようにしてもよい。
ステップS36で、バッテリ電圧センサ38で検出される電圧VINJから無効時間TIVを算出する。これにより、バッテリの電圧に応じてインジェクタ36の弁体のリフト量が変動した場合でも、適正な制御を行うことができる。
ステップS38では、基本値TIBSに補正係数KTIPOをかけて、その値に補正値TIPHを加算して、フィードフォワード基本値TICMDTMPとする。
これにより、フィードバック制御量の基本値TIBSを大気圧に応じた適正な値にすることができる。
そして、ステップS40で、TICMDTMPに無効時間TIVを加算して、インジェクタ指令値TICMDを算出する。
このようにすることで、レギュレータ5に対する基準圧を適正な値に調整することが可能となり、要求出力に対する応答性を高めることができる。
また、レギュレータ5に印加される基準圧を調整する手段として、エアインジェクタ36に換えて電磁弁を用いることもできる。これについて、図11〜図13を用いて説明する。図11は図1に示すレギュレータに印加される基準圧を調整可能な電磁弁の断面図である。同図に示すように、電磁弁50aのバルブシート28には流通孔33が形成され、該流通孔33に対向するように、バルブ53aが配置される。さらに、このバルブ53aの後端にプランジャ52が形成されていて、このプランジャ52の外側前方にソレノイドコイル51が配設されている。プランジャ52は図示しないスプリングにより、前記バルブ53aが流通孔33を閉塞する方向に付勢されている。また、ソレノイドコイル51は、前記空気信号導入路15内に空気が導入されると、通電されるように制御される。
従って、ソレノイドコイル51に通電のない状態では、前記リターンスプリングの弾性力によってバルブ53aが流通孔33に接するため、電磁弁50aでのエアの流通が遮断される。また、ソレノイドコイル51に通電があると、前記リターンスプリングの弾性力に抗してプランジャ52がソレノイドコイル51側に変位してバルブ53aの先端部が流通孔33から離間するため、電磁弁50aでの水素ガスの流通が許容される。
この電磁弁50aは、図12に示すように、所定間隔でON、OFF制御される。このON、OFF制御のデューティー比は、ECU10により燃料電池1上流側のアノード極圧や信号圧、または両者の圧を監視することで制御される。これにより、電磁弁50aの開弁時間が設定される。このようにすると、簡易な制御構成で、信号圧をコントロールすることが可能となる。
また、オリフィス34をエアインジェクタ36に近接するようにエアインジェクタ36の上流側に設けることで、前記エアインジェクタ36からのエアの排出量に対して、前記エアインジェクタ36に流入してくるエア量を抑制することで、空気信号導入路15の経路の長さに関わらず、圧力調整の安定化を図ることができ、さらに、前記エア量の変動に対する前記圧力調整器の応答性を高めることができる。
また、図13は図1に示すレギュレータに印加される基準圧を調整可能な他の電磁弁の断面図である。同図に示す電磁弁50bは、上述の電磁弁50bに対して、ニードル53bが流通孔33の閉方向に縮径してなる形状である点で異なっている。このようにすると、ニードル53bを流通孔33の閉方向に移動させて流通孔33を閉塞させる際の発生音を低減することができる。また、ニードル53bを流通孔33の開方向または閉方向に移動させることにより、ニードル53bと流通孔33との間隔を一義的に設定することができるため、圧力調整を一義的に調整することができ、圧力調整を高い精度で行うことができる。
本発明の第1の実施の形態における燃料電池の反応ガス供給装置のブロック図である。 図1に示すレギュレータの断面図である。 図1に示す燃料電池の反応ガス供給装置の動作を示すフローチャートである。 図1に示す燃料電池の反応ガス供給装置の動作を示すフローチャートである。 図1に示す燃料電池の反応ガス供給装置の動作を示すフローチャートである。 目標発電電流と目標アノード圧ベース値の関係を示すグラフ図である。 目標アノード圧と目標信号圧ベース値と、発電電流の関係を示すグラフ図である。 大気圧と補正係数との関係を示すグラフ図である。 目標信号圧とインジェクタベース指令値と、信号圧元圧との関係を示すグラフ図である。 大気圧と補正係数との関係を示すグラフ図である。 図1に示すレギュレータに印加される基準圧を調整可能な電磁弁の断面図である。 電磁弁のON、OFF制御の時間変化を示すグラフ図である。 図1に示すレギュレータに印加される基準圧を調整可能な電磁弁の断面図である。
符号の説明
1 燃料電池
2 コンプレッサ
5 レギュレータ
6 エゼクタ
10 ECU
30 水素タンク
35 レギュレータ圧力センサ
36 エアインジェクタ(圧力調整器)
37 大気圧センサ
39 エア流路
42 アノード入口圧センサ
43 カソード入口圧センサ
50(50a、50b) 電磁弁(圧力調整器)

Claims (5)

  1. 燃料電池のカソード極に加圧されたエアを供給するコンプレッサと、
    燃料電池のアノード極に水素を供給する水素供給手段と、
    燃料電池の運転状態に応じて前記コンプレッサを制御してカソード極の圧力を調整する制御装置と、
    前記カソード極のエア圧力を基準圧として印加され、このエア圧力に基づいて前記アノード極への供給圧力を調整するレギュレータとを有する燃料電池の反応ガス供給装置において、
    前記レギュレータに印加するエア圧力のエア流路からエアを排出することにより、前記レギュレータに印加される基準圧を調整可能な圧力調整器を設け、
    前記圧力調整器開度のフィードバック制御量は、前記燃料電池の目標発電量に応じて定まるアノード極目標圧力と、検出されたアノード極の圧力とに応じて算出されることを特徴とする燃料電池の反応ガス供給装置。
  2. 前記レギュレータは、前記大気圧を基準として、印加される調整圧に対する出口圧を所定値に調整するものであり、
    前記圧力調整器開度のフィードフォワード制御量は、大気圧に応じて算出されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
  3. 前記水素供給手段は、前記アノード極から排出される水素をエゼクタを介して再度アノード極に供給させる循環流路を備え、
    前記エゼクタは、水素供給流路の径が多段に切り換わるものであり、
    前記圧力調整器開度のフィードフォワード制御量は、前記エゼクタの前記水素供給流路の径に応じて、算出されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
  4. 前記エア流路には、前記圧力調整器の上流側であって、前記レギュレータとの分岐よりも上流側にオリフィスを設けたことを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
  5. 前記圧力調整器は、前記レギュレータに供給するエアを排出する流通孔を開閉可能な弁体を備え、
    該弁体は、前記流通孔の閉方向に縮径してなる形状であることを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載の燃料電池の反応ガス供給装置。
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Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7040596B2 (en) * 2002-11-29 2006-05-09 Keihin Corporation Solenoid valve for fuel cell
JP4682527B2 (ja) * 2004-04-13 2011-05-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の制御装置
DE102005006355A1 (de) * 2005-02-11 2006-08-24 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenanlage mit einer Dosiereinheit
DE102005006357B4 (de) * 2005-02-11 2018-03-29 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenanlage mit einem Druckreduzierventil
EP1869723A1 (en) * 2005-03-29 2007-12-26 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and fuel cell system control method
JP5115680B2 (ja) * 2005-05-26 2013-01-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5041272B2 (ja) 2005-12-12 2012-10-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び移動体
JP4780390B2 (ja) * 2005-12-15 2011-09-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び移動体
JP5206918B2 (ja) * 2005-12-19 2013-06-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
WO2007097243A1 (ja) 2006-02-24 2007-08-30 Seiko Instruments Inc. 圧力調整弁並びにこれを用いた燃料電池システム及び水素発生設備
JP2008105878A (ja) * 2006-10-24 2008-05-08 Aquafairy Kk 水素発生装置
JP4894481B2 (ja) * 2006-11-28 2012-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5292693B2 (ja) * 2006-12-07 2013-09-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5194443B2 (ja) * 2006-12-08 2013-05-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用弁
JP5023743B2 (ja) * 2007-03-09 2012-09-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
WO2008123084A1 (ja) * 2007-03-20 2008-10-16 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha 燃料電池システム用電磁弁収納ボックス
JP4349458B2 (ja) * 2007-03-20 2009-10-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム用電磁弁収納ボックス
JP5172194B2 (ja) * 2007-04-04 2013-03-27 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP4882972B2 (ja) 2007-11-16 2012-02-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4655082B2 (ja) * 2007-11-16 2011-03-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4438854B2 (ja) 2007-11-19 2010-03-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP2010170885A (ja) * 2009-01-23 2010-08-05 Honda Motor Co Ltd 車両用燃料電池システム
JP4814963B2 (ja) 2009-02-13 2011-11-16 本田技研工業株式会社 エゼクタおよびこのエゼクタを用いた燃料電池システム
JP4751463B2 (ja) * 2009-05-25 2011-08-17 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
WO2011086603A1 (ja) * 2010-01-15 2011-07-21 トヨタ自動車株式会社 ガス供給装置
CN102751518B (zh) * 2011-04-20 2014-11-05 本田技研工业株式会社 燃料电池***以其控制方法
JP5228263B2 (ja) * 2011-08-26 2013-07-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
DE102012001298A1 (de) * 2012-01-24 2013-07-25 Daimler Ag Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle
US8962208B2 (en) * 2012-10-25 2015-02-24 GM Global Technology Operations LLC Predictive cathode compressor speed control in a fuel cell power system
JP2013065567A (ja) * 2012-11-26 2013-04-11 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の運転方法
US9127973B2 (en) * 2013-01-31 2015-09-08 GM Global Technology Operations LLC Validation method for pressure sensor signal at electrical controlled high pressure gas storage systems
GB2524803A (en) * 2014-04-03 2015-10-07 Intelligent Energy Ltd A Fuel cell system
DE102018200350A1 (de) * 2018-01-11 2019-07-11 Continental Automotive Gmbh Brennstoffzellenanordnung für eine H2/O2-Brennstoffzelle
KR102518716B1 (ko) * 2018-07-16 2023-04-05 현대자동차주식회사 가스 공급 제어용 솔레노이드 밸브
KR20200071255A (ko) * 2018-12-11 2020-06-19 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소 공급 제어 방법
FR3116661B1 (fr) * 2020-11-26 2022-11-11 Commissariat Energie Atomique Système électrochimique comportant une pile à combustible, une vanne de purge, et un détendeur de régulation de la pression d’entrée
CN113050423B (zh) * 2021-03-18 2022-06-24 绍兴学森能源科技有限公司 一种燃料电池空气供应***的自适应解耦控制方法
CN114824385B (zh) * 2022-04-19 2023-10-20 佛山仙湖实验室 燃料电池供氢***及控制方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09204226A (ja) * 1996-01-25 1997-08-05 Mitsubishi Electric Corp 圧力制御装置
JP2001338666A (ja) * 2000-05-30 2001-12-07 Honda Motor Co Ltd 燃料電池用ガス供給装置
JP2001345113A (ja) * 2000-05-31 2001-12-14 Honda Motor Co Ltd 燃料電池用の供給ガス循環装置
JP2002056870A (ja) * 2000-08-10 2002-02-22 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の流体供給装置
JP2002216811A (ja) * 2001-01-17 2002-08-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002343397A (ja) * 2001-05-16 2002-11-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2003092125A (ja) * 2001-07-10 2003-03-28 Honda Motor Co Ltd 燃料電池制御装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5394900A (en) * 1992-12-15 1995-03-07 Nippondenso Co., Ltd. Pressure regulating valve
US6977119B2 (en) * 2001-04-27 2005-12-20 Plug Power Inc. Fuel cell transient control scheme
JP2002373682A (ja) 2001-06-15 2002-12-26 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09204226A (ja) * 1996-01-25 1997-08-05 Mitsubishi Electric Corp 圧力制御装置
JP2001338666A (ja) * 2000-05-30 2001-12-07 Honda Motor Co Ltd 燃料電池用ガス供給装置
JP2001345113A (ja) * 2000-05-31 2001-12-14 Honda Motor Co Ltd 燃料電池用の供給ガス循環装置
JP2002056870A (ja) * 2000-08-10 2002-02-22 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の流体供給装置
JP2002216811A (ja) * 2001-01-17 2002-08-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002343397A (ja) * 2001-05-16 2002-11-29 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2003092125A (ja) * 2001-07-10 2003-03-28 Honda Motor Co Ltd 燃料電池制御装置

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