(57)【要約】【課題】酸化剤オフガス流路内の圧力変化に影響することなく燃料ガス減圧弁の信号圧室内の圧力を制御できるようにリリーフ弁の制御性を向上させると共に、リリーフ弁を小型化および軽量化することができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化剤ガス供給路１３と、酸化剤オフガス流路１４と、信号圧室４ａ内の圧力と基準圧室４ｂ内の圧力の差圧が予め設定した設定値となるように燃料ガスの圧力を調整すると共に、調圧した燃料ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス調圧弁４と、信号圧室４ａから酸化剤ガスを排出するリリーフ弁６と、を有する。燃料電池システム１は、リリーフ弁６から排出された前記酸化剤ガスを、酸化剤オフガス流路１４へ排出する排出路１８と、燃料ガス調圧弁４に設けた基準圧室４ｂを酸化剤オフガス流路１４に接続する接続路２６と、を備えている。【選択図】図１
2008293920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて起電力を生じる燃料電池と、
この燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料電池からの酸化剤オフガスが排出される酸化剤オフガス流路と、
前記酸化剤ガス供給路から分岐した分岐路に接続された信号圧室を備え、この信号圧室内の圧力と基準圧室内の圧力の差圧が予め設定した設定値となるように燃料ガスの圧力を調整すると共に、この調圧した前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス調圧弁と、
前記信号圧室から前記酸化剤ガスを排出するリリーフ弁と、を有する燃料電池システムであって、
前記リリーフ弁から排出された前記酸化剤ガスを、前記酸化剤オフガス流路へ排出する排出路と、
前記燃料ガス調圧弁に設けた前記基準圧室を前記酸化剤オフガス流路に接続する接続路と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記排出路と前記接続路とは、前記酸化剤オフガス流路とのそれぞれの接続部を近接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤オフガス流路には、希釈器が設けられ、この希釈器の上流に前記排出路と前記接続路とが接続されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいて、固体高分子膜を挟んで対向するアノード電極（水素極）とカソード電極（空気極）には、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）がそれぞれ供給されて、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。
【０００３】
一般に、燃料電池システムでは、燃料ガス供給部（水素ガス貯留タンク等）の燃料を燃料ガス供給路を介して燃料電池のアノード電極に供給すると共に、酸化剤ガスとしての空気をコンプレッサによって大気中から取り込んでカソード電極に供給している。このような燃料電池システムの燃料ガス供給路では、電解質膜の破損を防止するために、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を所定範囲内に調整する調圧器としての燃料ガス調圧弁（水素調圧弁）を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
その燃料ガス調圧弁は、燃料ガス供給部に接続した燃料ガス供給路に、リリーフ弁、遮断弁、および圧力センサを介在して燃料電池のアノード電極に接続されている。燃料ガス調圧弁は、コンプレッサで加圧した空気を信号圧として、この燃料ガス調圧弁の弁体の開度を調整することにより、燃料電池へ供給される燃料ガスの圧力を適宜に維持している。燃料ガス調圧弁は、燃料ガス流路と基準圧室（大気圧室）と信号圧室（調圧室）とを有するハウジングと、燃料ガス流路と基準圧室とを仕切る第１ダイヤフラムと、基準圧室と信号圧室とを仕切る第２ダイヤフラムと、燃料ガス流路を開閉する弁体と、この弁体と第１および第２ダイヤフラムとに一体に設けられたステムと、を備えている。
燃料ガス調圧弁の信号圧室に形成された導入口は、空気圧伝搬路に設けられたリリーフ弁、バッファタンク、印加圧力制御弁、加湿器、減圧弁を介在して燃料電池のカソード電極に接続されている。
【０００５】
また、燃料ガス調圧弁に基準圧となる大気圧が供給される基準圧室（大気圧室）がない燃料ガス調圧弁（水素調圧弁）を備えた燃料電池システムとしては、例えば、特許文献２に開示されたものが知られている。この場合、燃料ガス調圧弁の信号圧室（背圧室）は、リリーフ弁（空気排出弁）を介在して酸化剤オフガス流路（排出路）に接続されている。
【特許文献１】特開２００５−１５００９０号公報（図１０および図１１）
【特許文献２】特開２００６−３０２６１２号公報（図１および図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１の燃料電池システムでは、弁体の開度を制御して酸化剤ガスの導入量を変えて酸化剤ガスの圧力を減圧する印加圧力制御弁を信号圧室（調圧室）の手前に配置すると共に、その信号圧室への途中に、酸化剤ガスを大気中に開放するリリーフ弁が配置されている。
このような、燃料ガス減圧弁では、信号圧室の圧力を下げる場合、印加圧力制御弁を閉弁することで、信号圧室内を減圧している。その信号圧室は、導入口のみが形成されているので、その導入口が信号圧室内の酸化剤ガスを抜く排出口も兼用している。このため、信号圧室内の減圧を急速に減圧したい場合、燃料ガス減圧弁は、信号圧室に残圧があり、早く信号圧室内を減圧することができず、燃料ガスの吐出圧を下げるときの応答性が悪いという問題点があった。
したがって、燃料ガスの消費量を抑えるために、燃料ガスの吐出圧を速やかに減圧させることが困難であり、燃料ガス減圧弁の信号圧室内を減圧する制御性が悪いという問題点もあった。
【０００７】
特許文献１の燃料電池システムは、空気圧伝搬路に印加圧力制御弁とリリーフ弁との２つの弁が接続されて、その２つの弁が両方作動するので、システムが複雑化しコストアップの要因になるという問題点があった。
【０００８】
また、リリーフ弁の弁体を開放して酸化剤ガスをそのリリーフ弁から大気中に放出して信号圧を減圧することによって燃料ガス減圧弁を閉弁する場合には、弁体の作動音や排出音がして騒音となる問題点があった。この場合、リリーフ弁の下流側が大気圧より高いときには、それ以上酸化剤ガスを大気中に排出できなくなり、燃料ガス減圧弁の信号圧室の内圧を減圧制御することができないという問題点もあった。
【０００９】
例えば、リリーフ弁を備えていない燃料電池システムでは、燃料ガス減圧弁の信号圧をコンプレッサの吐出圧に依存しなければならないので、燃料ガスの圧力を早く減圧したい場合に対応できないという問題点があった。
【００１０】
そこで、本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、酸化剤オフガス流路内の圧力変化に影響することなく燃料ガス減圧弁の信号圧室内の圧力を制御できるようにリリーフ弁の制御性を向上させると共に、リリーフ弁を小型化および軽量化することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて起電力を生じる燃料電池と、この燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池からの酸化剤オフガスが排出される酸化剤オフガス流路と、前記酸化剤ガス供給路から分岐した分岐路に接続された信号圧室を備え、この信号圧室内の圧力と基準圧室内の圧力の差圧が予め設定した設定値となるように燃料ガスの圧力を調整すると共に、この調圧した前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス調圧弁と、前記信号圧室から前記酸化剤ガスを排出するリリーフ弁と、を有する燃料電池システムであって、前記リリーフ弁から排出された前記酸化剤ガスを、前記酸化剤オフガス流路へ排出する排出路と、前記燃料ガス調圧弁に設けた前記基準圧室を前記酸化剤オフガス流路に接続する接続路と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１に記載の燃料電池システムの発明によれば、信号圧室内の圧力と基準圧室内の圧力の差圧が予め設定した設定値となるように燃料ガスの圧力を調整して燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス調圧弁は、基準圧室を接続路で酸化剤オフガス流路に接続し、信号圧室から酸化剤ガスを排出するリリーフ弁を排出路で酸化剤オフガス流路に接続している。これにより、基準圧室内には、酸化剤オフガス流路の酸化剤オフガスが流れ込んで、この酸化剤オフガスの圧力が燃料ガス調圧弁の基準圧力となるので、大気圧より高い圧力となる。その酸化剤オフガス流路には、排出路を介して燃料ガス調圧弁の信号圧室の圧力を調整するリリーフ弁が連通して設けられている。
その結果、リリーフ弁は、燃料ガス減圧弁の信号圧室内の圧力を、酸化剤オフガス流路内の圧力変化に影響することなく信号圧を制御できるので、燃料電池に供給される燃料ガスの流量を制御する制御性を向上できる。また、リリーフ弁は、排出音対策のために設置した排気の膨張室を、酸化剤オフガス流路と共有することで、膨張室分の容積分を小型化することができる。
【００１３】
請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記排出路と前記接続路とは、前記酸化剤オフガス流路とのそれぞれの接続部を近接して設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の燃料電池システムの発明によれば、排出路と接続路とは、酸化剤オフガス流路とにそれぞれ接続する接続部が近接して設けられていることによって、排出路に連通している燃料ガス調圧弁の信号圧室内の圧力と、接続部に連通している基準圧室内の圧力との差圧を小さくして略同一の圧力にすることができる。このため、燃料ガス調圧弁は、酸化剤オフガス流路内の変化に影響されることなく信号圧室内の圧力を制御できるので、燃料ガス供給路の燃料ガスの圧力を適宜に調整できるようになる。
【００１５】
請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記酸化剤オフガス流路には、希釈器が設けられ、この希釈器の上流に前記排出路と前記接続路とが接続されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の燃料電池システムの発明によれば、排出路と接続路は、酸化剤オフガス流路において、希釈器の上流側に設けられていることによって、燃料オフガスの圧力等の影響を受けることがない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、リリーフ弁は、酸化剤オフガス流路内の圧力変化に影響することなく燃料ガス減圧弁の信号圧室内の圧力を制御できるように制御性を向上させると共に、そのリリーフ弁を小型化および軽量化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、図１および図２を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【００１９】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す燃料電池システム１は、例えば、燃料電池スタック（以下、「燃料電池」という）を電源として、その燃料電池２の電力で走行モータが駆動して走行する車両などに使用される。この燃料電池システム１は、それぞれ後記する燃料電池２と、燃料ガス供給路１１と、燃料ガス供給部３と、燃料オフガス流路１２と、酸化剤ガス供給部５と、酸化剤ガス供給路１３と、酸化剤オフガス流路１４と、分岐路１５と、接続路１６と、燃料ガス調圧弁４と、信号用酸化剤ガス流出路１７と、リリーフ弁６と、排出路１８と、希釈器７と、を有している。
【００２０】
≪燃料電池の構成≫
図１に示す燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて反応することによって起電力を生じる装置であり、例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード電極２ａとカソード電極２ｂとを対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成されている。燃料電池２は、例えば、カソード電極２ｂに供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素と、アノード電極２ａに供給される燃料ガスとしての水素との電気化学反応によって電力を発生させる仕組みになっている。
なお、アノード電極２ａは、燃料ガス（水素）が供給される燃料ガス導入口側に、燃料ガス供給路１１が接続され、燃料オフガス排出側が燃料オフガス流路１２に接続されている。カソード電極２ｂは、酸化剤ガス（酸素）としての空気が供給される酸化剤ガス導入口側に、酸化剤ガス供給路１３が接続され、酸化剤オフガス排出口側に酸化剤オフガス流路１４が接続されている。
【００２１】
≪燃料ガス供給部の構成≫
燃料ガス供給部３は、燃料電池２のアノード電極２ａに供給する水素等の燃料ガスを供給すための装置であり、例えば、高圧燃料ガスが貯蔵されたボンベなどからなる。
【００２２】
≪燃料ガス供給路の構成≫
燃料ガス供給路１１は、燃料電池２のアノード電極２ａ側の燃料ガス導入口に燃料ガス供給部３内の燃料ガスを供給するアノード系の供給路である。燃料ガス供給路１１は、上流側が燃料ガス供給部３に接続されて、下流側が燃料ガス調圧弁４を介在して燃料電池２の燃料ガス導入口に接続されている。その他、この燃料ガス供給路１１には、例えば、それぞれ不図示の燃料ガスの供給を遮断する遮断弁と、燃料電池２の燃料オフガス排出口から排出された燃料オフガスを燃料ガス循環路に循環させるためのエゼクタ等が備えられている。
【００２３】
≪燃料オフガス流路の構成≫
燃料オフガス流路１２は、燃料オフガスを燃料電池２の燃料オフガス排出口から希釈器７を介在して外部に排出する流路である。この燃料オフガス流路１２には、その他に、それぞれ不図示の燃料ガス循環通路を介してキャッチタンク、逆止弁および排出弁等が接続されている。
【００２４】
≪酸化剤ガス供給部の構成≫
酸化剤ガス供給部５は、酸化剤ガス供給路１３によって空気等の酸化剤ガスをカソード電極２ｂ側の酸化剤ガス導入口に供給するための装置であり、例えば、それぞれ不図示のコンプレッサや、酸化剤オフガス流路１４の連通を遮断するための遮断弁や、酸化剤ガスを加湿させるための加湿器等から構成されている。
【００２５】
≪酸化剤ガス供給路の構成≫
酸化剤ガス供給路１３は、燃料電池２のカソード電極２ｂに空気等の酸化剤ガスを供給するための供給路である。酸化剤ガス供給路１３は、例えば、上流側が酸化剤ガスを送るための酸化剤ガス供給部５に接続され、下流側がカソード電極２ｂ側の酸化剤ガス導入口に接続されている。酸化剤ガス供給路１３において、酸化剤ガス供給部５と燃料電池２との間には、分岐路１５が接続されている。
【００２６】
≪酸化剤オフガス流路および排出路の構成≫
酸化剤オフガス流路１４は、燃料電池２の酸化剤オフガス排出口からの酸化剤オフガスが大気中に排出するための流路である。この酸化剤オフガス流路１４は、上流側がカソード電極２ｂの酸化剤オフガス排出口に接続され、下流側がリリーフ弁６、希釈器７、排出弁（図示せず）等を介在して大気中に排出されるように接続されると共に、燃料電池２とリリーフ弁６との間に接続路１６が接続されている。なお、前記リリーフ弁６とこの酸化剤オフガス流路１４との間には、リリーフ弁６から排出された酸化剤ガスを酸化剤オフガス流路１４へ排出する排出路１８が設けられている。酸化剤オフガス流路１４には、この酸化剤オフガス流路１４に設けられた希釈器７の上流に排出路１８と接続路１６とが接続されている。
【００２７】
≪分岐路およびオリフィスの構成≫
分岐路１５は、酸化剤ガス供給部５から酸化剤ガス供給路１３に送られた酸化剤ガスを燃料ガス調圧弁４の酸化剤ガス入口４ｅから信号圧室４ａに送り込むための流路である。言い換えると、この分岐路１５は、酸化剤ガス供給部５のコンプレッサ（図示せず）で加圧された信号用の酸化剤ガスを信号圧室４ａに供給して酸化剤ガスの圧力を伝達するための空気圧信号導入路である。この分岐路１５は、上流側が酸化剤ガス供給路１３に接続されて、下流側がオリフィス１９と、燃料ガス調圧弁４の信号圧室４ａとを介して信号用酸化剤ガス流出路１７に接続されている。
オリフィス１９は、分岐路１５から燃料ガス調圧弁４の信号圧室４ａに供給される酸化剤ガスの圧力および流量を調整することが可能な機器である。
【００２８】
≪接続路の構成≫
接続路１６は、燃料ガス調圧弁４に設けた基準圧室４ｂと酸化剤オフガス流路１４とを連通させるための流路である。言い換えると、この接続路１６は、燃料電池２の酸化剤オフガス排出口から酸化剤オフガス流路１４に排出された基準圧力となる酸化剤オフガスの圧力（大気圧＋α）を基準圧室４ｂに伝達するための基準圧力伝達路である。接続路１６は、一方側が燃料ガス調圧弁４に設けた基準圧室４ｂに接続され、他方側が酸化剤オフガス流路１４の燃料電池２とリリーフ弁６との間に接続されている。
【００２９】
接続路１６と排出路１８とは、酸化剤オフガス流路１４とのそれぞれの接続部ａ，ｂが近接して設けられている。このように接続路１６の接続部ｂを排出路１８の接続部ａに接続するか、近接した位置に設置することにより、基準圧室４ｂに取り入れる酸化剤オフガスの圧力と、信号圧室４ａの信号圧を制御するリリーフ弁６の排出口の圧力とは、同圧、または、同等な圧力にして酸化剤オフガスの圧力変化に影響のない圧力制御ができるようになっている。この接続部ａ，ｂは、ボリュームの大きな希釈器７と酸化剤オフガス流路１４との接続部ｃより上流に近接して接続することにより、燃料電池２の運転中の燃料オフガスの圧力等の影響を受けないように設置することができる。
【００３０】
≪燃料ガス調圧弁の構成≫
燃料ガス調圧弁４は、酸化剤ガス供給路１３から分岐した分岐路１５に接続された信号圧室４ａ内の圧力と、酸化剤オフガス流路１４から分岐した接続路１６に接続された基準圧室４ｂとの差圧が予め設定した設定値となるように燃料ガスの圧力を調整するための圧力調整弁である。燃料ガス調圧弁４は、信号圧室４ａ内の酸化剤ガスの圧力が予め設定した所定値を超えたときに、その酸化剤ガスの圧力とバイアス設定スプリング４ｊのばね力によって第１ダイヤフラム４ｋ、およびステム４ｍを介して弁体４ｎを作動させて、燃料ガス通路４ｃ，４ｄ間の弁体４ｎの開度が圧力に応じて適宜に調整されて、燃料ガス供給路１１を開放する。そして、燃料ガス調圧弁４は、前記酸化剤ガスの圧力が所定値未満のときに、燃料ガス通路４ｃ，４ｄ間を閉弁させて、燃料ガス供給路１１を遮断させるようになっている。
【００３１】
この燃料ガス調圧弁４は、ハウジング４ｑと、信号圧室４ａと、基準圧室４ｂと、燃料ガス通路４ｃ，４ｄと、酸化剤ガス入口４ｅと、酸化剤ガス出口４ｆと、酸化剤オフガス出入口４ｇと、燃料ガス流入口４ｈと、燃料ガス流出口４ｉと、バイアス設定スプリング４ｊと、第１ダイヤフラム４ｋと、ステム４ｍと、弁体４ｎと、第２ダイヤフラム４ｏと、弁座４ｐと、を備えて構成されている。
【００３２】
ハウジング４ｑには、信号圧となる酸化剤ガス供給部５から供給される酸化ガスが流入される信号圧室４ａと、酸化剤オフガス流路１４の酸化剤オフガスを取り入れて基準圧（大気圧＋α）とする基準圧室４ｂと、燃料ガス供給路１１からの燃料ガスが流れる燃料ガス供給路１１の一部を構成する燃料ガス通路４ｃ，４ｄと、が形成されている。
【００３３】
信号圧室４ａは、酸化剤ガス入口４ｅから取り入れた酸化剤ガスの圧力によって第１ダイヤフラム４ｋを押圧させてステム４ｍおよび弁体４ｎを作動させるための空間である。この信号圧室４ａには、酸化剤ガスが流入する酸化剤ガス入口４ｅと、酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口４ｆと、ステム４ｍを押圧するバイアス設定スプリング４ｊと、基準圧室４ｂとを仕切るように設置された第１ダイヤフラム４ｋと、が設けられている。
【００３４】
基準圧室４ｂには、ハウジング４ｑと第１ダイヤフラム４ｋと第２ダイヤフラム４ｏとによって形成された空間からなり、酸化剤オフガス流路１４の酸化剤オフガス（基準圧）が出入りする酸化剤オフガス出入口４ｇを有する。基準圧室４ｂ内の圧力は、燃料電池２とリリーフ弁６との間の酸化剤オフガス流路１４の酸化剤オフガスを取り入れているため、基準圧が大気圧より高くなっている。
【００３５】
燃料ガス通路４ｃと燃料ガス通路４ｄとは、燃料ガス調圧弁４内において、上流側の燃料ガス流入口４ｈと下流側の燃料ガス流出口４ｉとが連通した燃料ガス供給路１１を形成している。燃料ガス通路４ｃと燃料ガス通路４ｄとは、両者間がハウジング４ｑで形成された弁座４ｐで仕切られて、その弁座４ｐを弁体４ｎで開閉して燃料ガス供給路１１を遮断・開放できるようになっている。
【００３６】
バイアス設定スプリング４ｊは、例えば、信号圧室４ａ内に圧縮された状態の内設された圧縮コイルばねからなり、一端が信号圧室４ａの内壁に圧接され、他端がステム４ｍの上端を押圧した状態に設置されている。
【００３７】
第１ダイヤフラム４ｋは、基準圧室４ｂ内の圧力に対する信号圧室４ａの差圧によって撓むように変形する薄い円板状の部材であり、中央部にステム４ｍの上端部が取り付けられている。第１ダイヤフラム４ｋは、信号圧室４ａと基準圧室４ｂとの間に張設されて、上面が信号圧室４ａ内の酸化剤ガスの圧力が作用され、下面が基準圧室４ｂ内の燃料ガスの圧力が作用されるように設けられている。
【００３８】
ステム４ｍは、酸化剤ガスの圧力による第１ダイヤフラム４ｋの動きを弁体４ｎに伝達するための軸棒状の部材であり、上端部が第１ダイヤフラム４ｋに固定されると共に、バイアス設定スプリング４ｊに付勢され、中間部が第２ダイヤフラム４ｏに取り付けられ、下端部が弁座４ｐを遊挿して弁体４ｎを固定している。
【００３９】
弁体４ｎは、信号圧室４ａ内の酸化剤ガスの圧力が、基準圧室４ｂ内の酸化剤オフガスの圧力に対して所定値を超えたときに、第１ダイヤフラム４ｋの中央部がその圧力で下側に押されることによって、ステム４ｍと共に下降して圧力に応じた開度に開弁するようになっている。そして、弁体４ｎは、信号圧室４ａ内の酸化剤ガスの圧力が、基準圧室４ｂ内の酸化剤オフガスの圧力に対して所定値未満のときに、第１ダイヤフラム４ｋの中央部が酸化剤オフガスの圧力で上側に押されることによって、ステム４ｍと共に上昇して閉弁するようになっている。
【００４０】
第２ダイヤフラム４ｏは、基準圧室４ｂと燃料ガス通路４ｄとを仕切るための薄い円板状の部材であり、中央部にステム４ｍが取り付けられて共に上下動可能に設けられている。
ハウジング４ｑに形成された弁座４ｐは、上側の燃料ガス通路４ｄと下側の燃料ガス通路４ｃとに連通する連通孔を形成してなり、その連通孔に遊挿されたステム４ｍの先端の弁体４ｎが接離することによって、燃料ガス供給路１１を燃料ガスが流れ、また、遮断されるようになっている。
【００４１】
≪信号用酸化剤ガス流出路の構成≫
信号用酸化剤ガス流出路１７は、燃料ガス調圧弁４の信号圧室４ａの酸化剤ガス出口４ｆから排出される酸化剤ガスをリリーフ弁６に送るための流路である。この信号用酸化剤ガス流出路１７は、上流側が前記酸化剤ガス出口４ｆに接続されて、下流側がリリーフ弁６に接続されている。
【００４２】
≪リリーフ弁の構成≫
リリーフ弁６は、信号用酸化剤ガス流出路１７および信号圧室４ａ内の酸化剤ガスの圧力を予め定めた任意の設定値に保持して、その設定値を超えたときに、信号圧室４ａ内の酸化剤ガスを排出路１８から酸化剤オフガス流路１４に排出させて燃料ガス調圧弁４の信号圧室４ａ内の圧力を制御するための圧力制御弁である。リリーフ弁６は、信号圧室４ａ内の圧力を速やかに減圧できるように、例えば、信号圧室４ａ内の信号圧を任意の値に制御可能な圧力制御バルブからなり、ＥＣＵ（図示せず）によって制御される。
なお、ＥＣＵは、燃料ガスの必要な圧力を燃料電池システム１からの要求に基づいて求め、その必要な圧力になるように、リリーフ弁６を制御する機能を備えている。
【００４３】
≪排出路の構成≫
排出路１８は、リリーフ弁６から排出された酸化剤ガスを酸化剤オフガス流路１４に送るための流路であり、上流側がリリーフ弁６に接続され、下流側が酸化剤オフガス流路１４の接続路１６との接続部ｂと希釈器７の接続部ｃとの間に接続されている。
【００４４】
≪希釈器の構成≫
希釈器７は、燃料電池２の燃料オフガス排出口から燃料オフガス流路１２に排出された未反応の燃料ガス（水素ガス）をこの希釈器７内で酸化剤ガスおよび酸化剤オフガス（空気）と混合して希釈し、水素濃度を低減させてから大気中に排出するものである。
【００４５】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図１を参照しながら燃料電池システム１の動作について説明する。
まず、燃料電池２の電力の発生について説明する。
図１に示すように、燃料電池２は、燃料ガス供給部３から燃料ガス調圧弁４の燃料ガス通路４ｃ，４ｄを介して燃料ガス供給路１１によって供給される燃料ガス（水素）と、酸化剤ガス供給部５から酸化剤ガス供給路１３によって供給される酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって電力および熱を発生する。
【００４６】
次に、リリーフ弁６の動作を説明する。
酸化剤ガス供給部５のコンプレッサ（図示せず）で加圧された高圧の酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路１３から分岐路１５を介して燃料ガス調圧弁４の信号圧室４ａ内に流れ込む。この酸化剤ガスは、燃料ガス調圧弁４から信号用酸化剤ガス流出路１７を介してリリーフ弁６で制御されて信号圧となる。
【００４７】
リリーフ弁６が開弁された場合、信号圧室４ａ内の圧力は、酸化剤オフガス流路１４内の酸化剤オフガスの圧力とほぼ同じ圧力になる。この場合、信号圧は、常に、酸化剤ガス供給部５から酸化剤ガス供給路１３および分岐路１５を介して信号圧室４ａ内に供給され続けられているので、厳密には同圧にならず、信号圧室４ａ内の圧力が高くなっているが、分岐路１５には、オリフィス１９を設置しているので、信号圧室４ａ内の圧力を下げることができる。
【００４８】
そして、基準圧室４ｂ内の圧力は、酸化剤オフガス流路１４内の酸化剤オフガスが供給されて、信号圧室４ａ内の圧力と略同じ圧力となる。このときに、燃料ガス調圧弁４は、この燃料ガス調圧弁４内の燃料ガス供給路１１の圧力が減圧されるように設定されている。
【００４９】
次に、燃料ガス調圧弁４の動作を説明する。
燃料ガス調圧弁４は、基準圧室４ｂを信号用酸化剤ガス流出路１７、リリーフ弁６、および排出路１８を介して酸化剤オフガス流路１４に接続したことにより、燃料ガス調圧弁４の基準圧が大気圧＋αになる。このため、信号圧室４ａ内の圧力が高い場合であっても、リリーフ弁６から排出された酸化剤ガスを酸化剤オフガス流路１４に接続することによって、第１ダイヤフラム４ｋの上下面の差圧は、基準圧を大気圧とした場合と同等になり、燃料ガス調圧弁４が従来と同じように弁体４ｎが作動して閉弁、および圧力に応じた適宜な開度で開弁して、燃料ガスの圧力および流量を調整するようになる。
【００５０】
燃料ガス調圧弁４は、リリーフ弁６を閉弁することによって、信号圧室４ａ内の信号圧が最大となって、弁体４ｎの開度が最大に開弁されて、燃料ガス供給部３から燃料ガス通路４ｃ，４ｄを通って燃料電池２の燃料ガス導入口に供給される燃料ガスの圧力が最大になるように設定されている。なお、この場合、燃料ガスの圧力の最大圧力は、コンプレッサ（図示せず）の圧力値に影響されて変化する。
【００５１】
燃料ガス調圧弁４は、信号圧の圧力１に対して燃料ガス流出口４ｉから吐出される燃料ガスの圧力をダイヤフラムの面積比分の圧力になるように設定されており、信号圧室４ａの第１ダイヤフラム４ｋと燃料ガス通路（燃料ガス室）４ｄの第２ダイヤフラム４ｏに圧力の作用する面積に差を付けて相違させてある。このようにすることによって、小さな信号圧で大きな燃料ガスの吐出圧が得られるようになっている。燃料ガス調圧弁４は、これを達成して大きな燃料ガスの吐出圧が得られるようにするために、信号圧室４ａと燃料ガス通路（燃料ガス室）４ｄとの間に基準圧室４ｂを設置して、前記した信号圧に対して燃料ガスの圧力を大きくできるように設定されている。
【００５２】
高圧の燃料ガスを燃料電池２に供給する場合を説明する。
高圧の燃料ガスを燃料ガス調圧弁４の燃料ガス流出口４ｉから吐出して燃料電池２に供給する場合には、信号圧も高圧にしなければならない。この場合、オリフィス１９によって酸化剤ガスの圧力を調整すればよい。あるいは、第１ダイヤフラム４ｋの上下面に面積差を調整するか、または、バイアス設定スプリング４ｊのばね力を調整すればよい。
【００５３】
図２は、基準圧室がある燃料ガス調圧弁と基準圧室がない燃料ガス調圧弁との信号圧を比較したグラフである。なお、図２は、バイアス設定スプリングのバイアス値ｂを１０とした場合を示す。
次に、図２を参照して基準圧室４ｂがある燃料ガス調圧弁４と、基準圧室４ｂがない燃料ガス調圧弁とを比較して信号圧について説明する。
【００５４】
まず、基準圧室４ｂがない比較例（特許文献２）の燃料ガス調圧弁について説明する。
例えば、燃料ガス調圧弁の燃料ガス流出口から吐出される燃料ガスの吐出圧をｙ、信号圧室の信号圧をｘ、比例定数（０〜１）をａ、バイアス設定スプリングのバイアス値をｂとすると、燃料ガス調圧弁の燃料ガスの吐出圧ｙは、
ｙ＝ａｘ＋ｂ
となる。
【００５５】
この場合、燃料ガス調圧弁の信号圧室に接続された酸化剤ガス流出路の下流にリリーフ弁６（図１参照）がないときには、燃料ガス調圧弁がＯＮ、ＯＦＦだけの制御になる。つまり、燃料ガス調圧弁から燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力を減圧した場合には、弁体を開放して信号圧を減圧すればよい。このときの比例定数ａは、ａ≒０となる。
【００５６】
基準圧室４ｂがなくダイヤフラムが１枚の燃料ガス調圧弁の場合、酸化剤ガスの信号圧に対する燃料ガスの吐出圧は、１：１にしかならない。
このような比較例の燃料ガス調圧弁において、信号圧室に供給された信号圧用の酸化剤ガスをその信号圧室内に貯留させるか、排出して捨てるしか選択できないため、比例定数ａの値は、ａ＝０、または、ａ＝１の２パターンになる。
【００５７】
次に、基準圧室４ｂがある燃料ガス調圧弁４について説明する。
この場合、燃料ガス調圧弁４の燃料ガス流出口４ｉから吐出される燃料ガスの吐出圧ｙと、信号圧室４ａの信号圧ｘとの関係は、前記基準圧室４ｂがない比較例と同じであるが、第１ダイヤフラム４ｋと第２ダイヤフラム４ｏとの間に面積差をつけることができる。つまり、リリーフ弁６を利用して、信号圧である比例定数ａを自由に設定して使用することが可能となる。このため、図２に示すように、リリーフ弁６により信号圧を細かく制御して、ブースト圧の割合を比例定数ａを自由に選択して使用することができ、制御性がよい。
【００５８】
燃料ガス調圧弁４は、基準圧室４ｂを設置して第１ダイヤフラム４ｋと第２ダイヤフラム４ｏとの２枚のダイヤフラムを備えたことにより、信号圧に対するブースト圧をかけることが可能となる。
また、リリーフ弁６は、排出音対策のために設置した排気の膨張室を、酸化剤オフガス流路１４と共有することで、膨張室分の容積分を小型化することができる。
【００５９】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】基準圧室がある燃料ガス調圧弁と基準圧室がない燃料ガス調圧弁との信号圧を比較したグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１      燃料電池システム
２      燃料電池
３      燃料ガス供給部
４      燃料ガス調圧弁
４ａ    信号圧室
４ｂ    基準圧室
５      酸化剤ガス供給部
６      リリーフ弁
７      希釈器
１３    酸化剤ガス供給路
１４    酸化剤オフガス流路
１５    分岐路
１８    排出路
１６    接続路
ａ，ｂ，ｃ  接続部
【図１】
2008293920.tif 000003
【図２】
2008293920.tif 000004