(57)【要約】    【課題】  燃料電池に供給される空気圧を弁の動作力として利用する燃料ガスの圧力調整弁を含む燃料電池システムにおいて、燃料電池への供給空気圧と供給燃料ガス圧とをそれぞれ独立に設定可能とする。    【解決手段】  燃料ガス流路（７５）を介して供給される燃料ガスと酸化ガス流路（７１）を介して供給される酸化ガスとから電気を発生する燃料電池（２０）と、燃料ガス流路（７５）上に設けられて酸化ガスを圧力源とした印加圧力を作用させ燃料電池（２０）に供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス調圧弁（３２）と、上記印加圧力を制御する印加圧力制御弁（１５）と、を備える。それにより、燃料ガス圧を酸化ガス圧とは独立に設定することが出来る。また、酸化ガスの供給圧に関連付けたりすることも可能となる。    【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路を介して供給される燃料ガスと酸化ガス流路を介して供給される酸化ガスとから電気を発生する燃料電池と、
前記燃料ガス流路上に設けられ、前記酸化ガスの圧力を圧力源とした印加圧力が作用され、燃料ガス圧を調整する燃料ガス調圧弁と、
前記印加圧力を制御する印加圧力制御弁と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記印加圧力制御弁は、所定条件のときに前記燃料ガス調圧弁に印加される前記印加圧力の変化を抑制す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】
前記所定条件は、前記印加圧力が脈動するとき及び前記燃料電池の停止時のうち少なくともいずれかを含む請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記印加圧力制御弁は、前記酸化ガス流路に分岐接続された圧力伝搬路上に設けられ、弁開度を調整することにより前記印加圧力を制御する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガス調圧弁は、酸化ガスと大気とを導入可能に構成された調圧室と、当該調圧室内の圧力によって移動される弁体と、を有し、
前記印加圧力制御弁は、前記酸化ガスの圧力と大気圧とを前記調圧室に作用可能に構成され、前記調圧室への大気の導入量を調整することにより前記印加圧力を制御する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化ガス流路に分岐接続された圧力伝搬路上には、酸化ガスを一時的に貯留するバッファタンクが設けられている請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化ガス流路に分岐接続された圧力伝搬路、及び前記印加圧力制御弁の少なくともいずれかには、前記印加圧力の作用される前記燃料ガス調圧弁の調圧室内のガスが所定圧以上になったときにこのガスを外部に放出するためのリリーフ機構が設けられている請求項１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化ガス流路に分岐接続された圧力伝搬路は、当該酸化ガス流路との接続部にオリフィスを有している請求項１ないし７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料ガス調圧弁は、
前記燃料ガス流路上に臨み、燃料ガスの圧力が作用される第１のダイヤフラムと、
前記第１のダイヤフラムから離間してこれと同軸に設けられ、当該第１のダイヤフラムとは反対側の面に前記印加圧力が作用される第２のダイヤフラムと、
前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとをその中心軸方向において連結する連結部材と、
を有する請求項１ないし８のいずれか一項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、燃料ガスと酸化ガスとから電気を発生する燃料電池システムに関し、特に、燃料ガス及び酸化ガスのガス供給系の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化ガスとしての空気（酸素）とを電気化学反応させ、その過程で生成する電気を外部に取り出している。燃料電池は、電解質膜の両側に水素ガスが供給される燃料極（アノード）と空気が供給される空気極（カソード）とを形成したセルを所要数積層して構成される。例えば、車載に好適な高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）では、電解質膜として高分子のイオン交換膜を使用している。このイオン交換膜は、膜厚が数十ミクロンと薄いので破損を防止するために、燃料極側の水素ガス圧と空気極側の空気圧との圧力差（極間差圧）が過大にならないようにする必要がある。
【０００３】
そこで、例えば、特許文献１に記載の発明では水素循環ラインにポンプを備え、水素減圧弁から供給される水素と水素オフガスとを合流して燃料電池に供給する構成において該燃料電池への空気供給ポンプの空気圧によって水素ガスの圧力調圧弁を駆動して燃料ガスと空気圧との差圧を所定範囲内に保つようにしている。
【特許文献１】特開２００３−６８３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の構成によれば上記極間差圧は所定範囲内に維持されるものの、水素ガスの圧力調整弁の供給圧力の範囲がエアコンプレッサの吐出圧力のダイナミックレンジの大きさに影響される。また、空気圧が一方に印加されるダイヤフラムを使用した機械式調圧弁構造を利用しているために、燃料電池に供給される水素ガス圧を別途独立して制御することはできない。
【０００５】
一方、上述のように空気圧を利用することなく、燃料極側と空気極側にそれぞれ圧力センサを配置し、水素ガス流路と空気流路にそれぞれ配置された電磁弁（調圧弁）をコンピュータによって独立に制御する構成において極間差圧をも考慮する構成も考えられるが、制御がきわめて複雑であって装置構成も高価になる。また、電磁弁の制御不良又は故障時には、電磁弁の上流は高圧水素であるため、燃料電池に供給される水素ガスの圧力が高圧となるおそれがある。
【０００６】
よって、本発明は燃料電池の各極への供給圧力を独立に制御しかつ制御弁の制御不良時においても燃料ガスが過度に高圧になることを抑制することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は制御不良が生じた場合でも燃料電池の運転継続を可能とする燃料ガスのガス圧調整機構を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムは、燃料ガス流路を介して供給される燃料ガスと酸化ガス流路を介して供給される酸化ガスとから電気を発生する燃料電池と、上記燃料ガス流路上に設けられ、上記酸化ガスの圧力を圧力源とした印加圧力が作用され、燃料ガス圧を調整する燃料ガス調圧弁と、上記印加圧力を制御する印加圧力制御弁と、を備える。燃料ガスは、例えば水素ガスであり、酸化ガスは、例えば空気（酸素）ガスである。
【０００９】
かかる構成とすることによって、燃料ガス調圧弁に作用する印加圧力を印加圧力制御弁により制御することで、燃料電池へ供給される燃料ガス圧を所望の値に制御できる。また、印加圧力制御弁の不良時においても、燃料ガス調圧弁に作用する印加圧力を酸化ガスの運転圧力範囲内とすることができるため、調圧弁の印加圧力に対する調圧特性を所定に設定することで燃料ガス圧を所望の圧力範囲に維持することが可能である。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス流路を介して供給される燃料ガスと酸化ガス流路を介して供給される酸化ガスとから電気を発生し、燃料オフガスを排出する燃料電池と、上記燃料オフガスを加圧して上記燃料ガスに合流させる燃料オフガス循環手段と、上記燃料ガス流路の当該合流点の上流側に設けられて上記酸化ガス流路の酸化ガス圧を圧力源とした印加圧力が作用されて上記燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス調圧弁と、上記印加圧力を制御する印加圧力制御弁と、を備える。
【００１１】
かかる燃料オフガスを再利用する燃料電池システムにおいても燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を酸化ガス圧とは独立に設定したり、酸化ガスの供給圧に関連付けたりすることが可能となる。また、印加圧力制御弁によって上記燃料ガス調圧弁に印加される印加圧力を所望に設定して燃料ガス圧を制御することも可能となる。
【００１２】
上記印加圧力制御弁は、所定条件のときに上記燃料ガス調圧弁に印加される上記印加圧力の変化を抑制することが、好ましい。例えば、上記所定条件は、上記酸化ガス圧が脈動するとき及び燃料電池を停止するときのうち少なくともいずれかを含む。それにより、燃料電池に供給される燃料ガスのガス圧が酸化ガスのガス圧に常に連動することの不具合（デメリット）を解消することが出来る。
【００１３】
上記の場合、印加圧力制御弁は、酸化ガス流路に分岐接続された圧力伝搬路上に設けられ、弁開度を調整することにより印加圧力を制御することが好ましい。この構成によれば、印加圧力制御弁によって燃料ガス調圧弁に所望の印加圧力を作用させることができる。例えば、全開状態では、燃料電池への酸化ガスの供給圧がほぼそのまま燃料ガス調圧弁に印加され、全閉状態では、印加圧力制御弁の遮断時の圧力が燃料ガス調圧弁に印加される。またこれらの中間の状態では、弁開度を適宜設定することで、所望の印加圧力が燃料ガス調圧弁に作用される。
【００１４】
同様に、燃料ガス調圧弁は、酸化ガスと大気とを導入可能に構成された調圧室と、調圧室内の圧力によって移動される弁体と、を有し、印加圧力制御弁は、酸化ガスの圧力と大気圧とを調圧室に作用可能に構成され、調圧室への大気の導入量を調整することにより印加圧力を制御することが好ましい。この構成によれば、簡易に印加圧力を制御することができる。例えば、印加圧力制御弁が高圧の印加圧力を制御した状態から、調圧室への大気の導入量を増加方向に調整することで、低圧の印加圧力を制御した状態に移行させることができる。
【００１５】
上記の場合、酸化ガス流路に分岐接続された圧力伝搬路上には、酸化ガスを一時的に貯留するバッファタンクが設けられていることが、好ましい。この構成によれば、圧力伝搬路での酸化ガスの脈動をバッファタンクによって吸収するなど、圧力伝搬路の酸化ガスの圧力を安定化することができる。
【００１６】
また上記の場合、酸化ガス流路に分岐接続された圧力伝搬路、及び印加圧力制御弁の少なくともいずれかには、印加圧力の作用される燃料ガス調圧弁の調圧室内のガスが所定圧以上になったときにこのガスを外部に放出するためのリリーフ機構が設けられていることが、好ましい。この構成によれば、調圧室内のガス（例えば酸化ガス）が異常高圧となるシステム異常時には、リリーフ機構が機能してガスの過剰な圧力を逃がすことができる。これにより、燃料ガス調圧弁を含む各種のシステム構成部品を適切に保護することができる。
【００１７】
また上記の場合、酸化ガス流路に分岐接続された圧力伝搬路は、酸化ガス流路との接続部にオリフィスを有していることが、好ましい。この構成によれば、圧力伝搬路分離時（破損時）や印加圧力制御弁の開度大時に、燃料電池が酸化ガスの欠乏状態になることを防止し得る。
【００１８】
また上記の場合、燃料ガス調圧弁は、燃料ガス流路上に臨み、燃料ガスの圧力が作用される第１のダイヤフラムと、第１のダイヤフラムから離間してこれと同軸に設けられ、第１のダイヤフラムとは反対側の面に前記印加圧力が作用される第２のダイヤフラムと、第１のダイヤフラムと第２のダイヤフラムとをその中心軸方向において連結する連結部材と、を有することが好ましい。仮に単一のダイヤフラムを用いた場合にはその損傷時に、印加圧力となるガス（例えば酸化ガス）と燃料ガスとが燃料ガス調圧弁において導通してしまう。上記構成によれば、ダイヤフラムを二重化したため、この両ガスの導通を構造上好適に防止することができる。
【００１９】
また、上述した印加圧力制御弁を備える本発明の構成を用いることによって、以下のような使用も可能となる。
【００２０】
（燃料ガス調圧弁のオフセット補正）
例えば、ダイヤフラムを用いた構造の燃料ガス調圧弁（減圧弁）ではダイヤフラムの揺動を支持（あるいはバイアス）するために内部にスプリングを使用している。このためスプリングの劣化や個体差（バラツキ）が生じ得、個々の燃料ガス調圧弁の動作特性に差異が生じることも考えられる。このような場合に、印加圧力制御弁で燃料ガス調圧弁への印加圧力を調節することによって燃料電池に供給される燃料ガスのガス圧を補正し、燃料ガス圧を正確に制御することが可能となる。また、当該補正量が所定値よりも大となるときには燃料ガス調圧弁の劣化（異常）と判断することが出来る。
【００２１】
（上限異常値の補正）
燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を可変に制御する場合、燃料ガス圧が所定の範囲内に収まらないという異常が発生したときに迅速かつ正確に異常を見つけるためには、判別のための上限値自体も可変にすることが望ましい。一定値の場合には、判別のための上限値を一律に高い圧力に設定するしかなく、低い圧力で制御している場合の異常を見つけることが出来なかったり、見つかっても異常状態の度合いが大きくなった場合しか見つからない。印加圧力制御弁を設けることによって燃料ガス圧を独立に設定することが出来、異常判別のための上記上限値を可変にすることが可能となる。
【００２２】
（酸化ガス脈動時の燃料ガス圧力可変制御禁止）
燃料電池セル内の過剰な水分を外部に排出するために、酸化ガスをパルス状に印加することが行われる。このような酸化ガスの脈動時には、印加圧力制御弁の追従性が悪化したり、燃料ガス圧力の追従性が悪化したりして、上限異常値あるいは下限異常値と誤判定する場合が考えられる。印加圧力制御弁を設けることによって酸化ガスを圧力源とする印加圧力の脈動の燃料ガス調圧弁への伝搬を遮断することが可能となる。
【００２３】
また、後述のように低負荷時に燃料電池を停止する間欠運転を行った場合には、燃料電池の停止時に水素濃度が低下して立上がりの出力特性が悪化する傾向がある。印加圧力制御弁によって印加圧力を遮断して燃料ガス調圧弁を独立に制御可能とすることによって高燃料ガス濃度で再始動することが可能となる。
【００２４】
（印加圧力制御弁制御及び異常判定）
印加圧力制御弁から燃料ガス調圧弁に供給される印加圧力を圧力センサによって監視し、印加圧力制御弁の減圧量を補正する。補正量が所定値を上回った場合には印加圧力制御弁の異常と判断して燃料電池システムを停止する。
【００２５】
また、燃料電池入口の燃料ガス圧力を圧力センサによって監視し、印加圧力制御弁の制御信号の変化範囲に対する燃料電池入口の燃料ガス圧力（あるいは燃料ポンプ入口圧力）の応答範囲（変動範囲）から印加圧力制御弁の異常を判別することも可能である。
【００２６】
（減圧弁異物噛み込み判定）
燃料ガス調圧弁（減圧弁）への印加圧力と、燃料電池入口の燃料ガス圧から燃料ガス調圧弁のダイヤフラムの異物噛み込みを判定し、燃料ガス調圧弁への圧力を増加させることで異物を除去する。
【００２７】
（減圧弁システム異常処理）
燃料電池入口圧力が所定圧力を下回った場合には、低下の程度に応じて出力制限を実施する。それにより、使用燃料ガス量を減らして燃料ガスの圧力を回復させる。あるいは燃料電池システムの動作を停止する。それにより、極間の圧力差によるセルの高分子膜へのダメージを防止する。
【００２８】
（制御不良時等における運転継続性）
制御不良又は故障により印加圧力制御弁が全開になり、酸化ガス圧と印加圧力が同圧となった場合においても、酸化ガス圧は運転圧力範囲に制御されているため、印加圧力に対する調圧弁の調圧特性を所定に設定することで燃料ガス圧を所望の圧力範囲内に維持することが可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、燃料電池に供給される燃料ガス圧を所望の値に制御でき、なおかつ制御弁の不良時においても燃料ガス圧を所望の範囲内に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の主要な構成要素を概略的に説明するブロック図である。同図において、酸化ガスとしての空気は空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１にはコンプレッサ１２及び加湿器１３が設けられており、エアフィルタを経た空気は適当な圧力に加圧され、燃料電池セルの電解質膜に必要な水分が補充される。燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には供給空気の圧力（空気圧）を調整する調圧器としての圧力調整弁（減圧弁）１４が設けられており、燃料電池２０への供給空気圧が所定値に保たれる。供給空気圧の設定は、制御部５０によってコンプレッサ１２及び圧力調整弁１４を調整することによって行われる。制御部５０は制御用コンピュータシステムによって構成される。
【００３１】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３１から燃料供給路７５を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３１は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金を用いたタンク、メタノール燃料改質器等が該当し、図示しない圧力調整弁、ポンプなど含む。燃料供給路７５には、燃料電池２０に供給する水素ガスの圧力を調整する調圧器としての水素調圧弁（燃料ガス調圧弁）３２が設けられている。後述するように、水素調圧弁３２は、燃料電池２０への供給水素ガス圧を所定範囲内に維持するように動作する。燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７６に排出される。水素循環路７６には水素ポンプ３７が設けられており、水素ポンプ３７で加圧された水素オフガスは、水素調圧弁３２下流側の燃料供給路７５に戻されて水素ガスと合流し、燃料電池２０で再利用される。水素ポンプ３７は、制御部５０によって動作が制御される。
【００３２】
水素調圧弁３２は、例えば、バネで付勢されるダイヤフラムを用いた機械式の調圧弁である。水素調圧弁３２の内部空間はダイヤフラムによって例えば二つに仕切られ、一方の空間は水素ガスが１次側から２次側へと流通可能に構成される。その他方の空間は、燃料電池２０への供給空気圧が印加される調圧室として構成される。すなわち、このダイヤフラムの調圧室側の面には、空気圧伝搬路７３を介して燃料電池２０への供給空気圧を圧力源とする圧力が印加される。ダイヤフラムは、該印加圧力及びバネの圧力と燃料電池２０入口の供給水素ガス圧との差圧に応じて変位し水素流路上の調圧弁３２の弁開度を設定する（弁体を移動させ、その位置を設定する。）。それにより、燃料電池２０入口の供給水素ガス圧が、水素調圧弁３２への印加圧力によって所定の圧力範囲となるように調整される。
【００３３】
更に、空気圧伝搬路７３には、供給空気圧を減圧する印加圧力制御弁（減圧弁）１５が設けられている。印加圧力制御弁１５の弁開度は、制御部５０によって全閉〜全開まで連続的あるいは複数段階に調整される。印加圧力制御弁１５の全開状態では、エアコンプレッサ１２による供給空気圧が略そのまま水素調圧弁３２に印加圧力として印加される。印加圧力制御弁１５の全閉状態では、供給空気圧は水素調圧弁３２に印加されず、水素調圧弁３２への印加圧力は印加圧力制御弁１５の遮断時の圧力が維持される。燃料電池２０への供給空気圧と供給水素ガス圧とは無関係（独立）となる。両者の中間の弁開度では、エアコンプレッサ１２による供給空気圧を圧力源とし、印加圧力制御弁１５の弁開度を適宜に設定して所望の印加圧力を得る。これを水素調圧弁３２のダイヤフラムに印加圧力として供給する。
【００３４】
空気圧伝搬路７３は空気供給路７１上の加湿器１３の上流側から分岐しており、水分が加湿器１３から調圧弁３２に供給されることを回避している。それにより、水素調圧弁３２の耐久性が向上する。
【００３５】
次に、上述した印加圧力制御弁１５を使用した燃料電池システムの複数の動作態様について説明する。
【００３６】
第１の制御態様では、圧力供給源としての供給空気圧を印加圧力制御弁１５によって減圧調整して水素調圧弁３２に印加圧力として供給する。それにより、燃料電池入口に供給される水素ガス圧を所望値に調整することが可能となる。更に、水素ポンプ３７の出力圧をも調整して燃料電池２０への水素ガス供給圧が所望圧力となるように設定する。
【００３７】
第２の制御態様では、印加圧力制御弁１５を遮断して水素調圧弁３２への印加圧力を一定圧とし、燃料電池２０に供給される空気圧変化の水素調圧弁３２への伝搬を阻止する。また、供給空気圧と供給水素ガス圧とを別途独立のものとして燃料電池内の水分等を取り除く空気圧・水素ガス圧脈動運転を行う。
【００３８】
生成水の逆拡散によって燃料電池の水素流路内に水分が生じ、凝縮水が水素流路を塞ぐとセル電圧の低下を引き起こす。また、水素オフガスの繰り返し使用によってセル電圧が低下する。そこで、燃料電池２０に水素ガス圧を印加した状態で水素オフガスをパージ（外部放出）して水素ガス圧を脈動させ、燃料電池内部の余分な水分や不要（不純物）ガスを除去する。同様に、燃料電池２０への供給空気圧を脈動させて燃料電池内部の空気流路内の余分な水分を外部に排出する。
【００３９】
第３の制御態様では、印加圧力制御弁１５を遮断して水素調圧弁３２への圧力印加を阻止して燃料電池の間欠運転を行う。
【００４０】
車両搭載の燃料電池では低負荷走行時に燃料電池の発電効率（燃費）が低下するために燃料電池２０からの負荷への電力供給を一時的に停止し、二次電池から所要の電力を負荷に供給する。このとき、燃料電池２０には間欠的（断続的）に水素ガス及び空気を供給し、燃料電池２０の開放端電圧を所定範囲内に維持する。それにより、燃料電池２０から負荷に電力供給を再開する際の出力の立ち上がり特性（再始動特性）を向上させる。このような間欠運転状態では、燃料電池２０の水素極側から空気極側に水素がリークするが不純物はリークしない。空気極側から水素極側には不純物がリークする。その結果、水素極側における不純物濃度が上昇し、水素濃度は低下して再始動時の燃料電池の出力応答特性は悪化する。
【００４１】
この電力供給停止状態における燃料電池内の水素ガス濃度低下を防ぐために、燃料電池２０への供給空気圧が所定値以下となったときに印加圧力制御弁１５によって水素調圧弁３２に印加される圧力を遮断することで、水素調圧弁３２に印加される印加圧力を一定とする。それにより、供給空気圧（低圧）への供給水素ガス圧の追従を断って水素供給圧を相対的に高い所定圧力に維持し、高水素ガス濃度での燃料電池２０の再始動を可能とする。
【００４２】
第４の制御態様では、間欠運転時に水素調圧弁３２のダイヤフラムスプリングの初期特性値とのずれを判定し、ずれている度合いに応じて印加圧力制御弁１５から水素調圧弁３２に供給される圧力を補正する。また、ずれ量が所定値より大きくなると異常とみなし、燃料電池をシステム停止とする。
【００４３】
第５の制御態様では、供給水素ガス圧に応じて上限圧力の異常判定値を可変し、水素ガス圧が所定値以内に制御されていることを確認してシステムの安全性を確保する。印加圧力制御弁１５を設けることによって水素ガス圧を独立に設定することが出来、異常判別のための上記上限圧力を可変にすることが可能となる。なお、エアコンプレッサの流量増減やエア背圧の増減によって脈動運転する場合には、印加圧力制御弁１５の出力である印加圧力を一定値に固定して水素調圧弁３２の出力変動を抑制し、上限異常判定値も固定する。
【００４４】
第６の制御態様では、定常運転状態において印加圧力制御弁１５と水素調圧弁３２との間の圧力を監視し、水素調圧弁３２の出力が所定の水素ガス圧になっているか監視し、印加圧力制御弁１５によって水素調圧弁３２の減圧量を補正する。当該補正量が所定値を上回った場合は、水素調圧弁３２の異常と判断して燃料電池２０を停止する。
【００４５】
第７の制御態様では、印加圧力制御弁１５から水素調圧弁３２への印加圧力と燃料電池入口の水素ガス圧から水素調圧弁３２のダイヤフラムの異物噛み込みを判定する。異物を噛み込んでいると判断したときには、印加圧力制御弁１５からの印加圧力を増減してダイヤフラムを揺動させ、あるいは水素ガス流の圧力を増減（変化）させることで異物を除去する。
【００４６】
第８の制御態様では、燃料電池入口圧力が第１の所定圧力を下回った場合は、燃料電池保護のために当該所定圧力からの低下分に応じて燃料電池の出力制限を実施する。それにより、水素ガスの消費が減って内部ガス圧力を回復することが可能となる。更に、燃料電池入口圧力が第１の所定圧力よりも低い第２の所定値を下回った場合は燃料電池を停止する。
【実施例１】
【００４７】
図２は、本発明の第１の実施例を示している。同図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００４８】
図２に示されるように、空気（外気）は空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタ１１、空気を加圧するコンプレッサ１２、供給空気圧を検出する圧力センサ５１及び空気に所要の水分を加える加湿器１３が設けられている。燃料電池２０から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサ５２、圧力調整弁１４及び加湿器１３の熱交換器が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）１４は燃料電池２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ５１及び５２の図示しない検出信号は制御部５０に送られる。制御部５０はコンプレッサ１２及び圧力調整弁１４を調整することによって供給空気圧や供給流量を設定する。
【００４９】
水素ガスは水素供給源３１から燃料供給路７５を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７５には、圧力センサ５４、燃料電池２０に供給する水素ガスの圧力を調整する水素調圧弁３２、圧力センサ５４、異常圧力時に開放するリリーフ弁３９、遮断弁３３及び圧力センサ５５が設けられている。圧力センサ５４及び５５の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。
【００５０】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路７６に排出され、水素調圧弁３２下流側の燃料供給路７５に戻される。水素循環路７６には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ６３、遮断弁３４、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３５、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁３６、圧力センサ５６、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３７、圧力センサ５７及び逆流阻止弁４０が設けられている。逆流阻止弁４０は後述のパージ動作の際に燃料電池２０への供給水素ガスがパージ流路７７側に逆流することを阻止する。温度センサ６３、圧力センサ５６及び５７の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプ３７は制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路７５で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００５１】
燃料電池２０には燃料電池の冷却水を冷却器に循環させる冷却路７４が設けられる。冷却路７４には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ６１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ２１、冷却水を加圧するポンプ２２及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ６２が設けられている。
【００５２】
上述した水素循環路７６と排気路７２とはパージ流路７７を介して接続され、パージ流路７７にはパージ弁３８が配置されている。パージ弁３８は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止する。
【００５３】
また、空気供給路７１と水素調圧弁３２とは加湿器１３の上流側から分岐する空気圧伝搬路７３を介して接続される。空気圧伝搬路７３を空気供給路７１上の加湿器１３の上流側から分岐させることで、水分が調圧弁３２に供給されることを抑制できる。それにより、水素調圧弁３２の耐久性が向上する。空気圧伝搬路７３には供給空気圧を減圧する印加圧力制御弁（減圧弁）１５及び圧力センサ５３が設けられている。印加圧力制御弁１５の弁開度は制御部５０によって全閉から全開まで連続的あるいは複数段階に調整される。圧力センサ５３は供給空気圧を検出して図示しない検出信号を制御部５０に送出する。
【００５４】
前述したように、水素調圧弁３２は、例えば、バネで付勢されるダイヤフラムを用いた機械式の調圧弁である。水素調圧弁３２の内部空間はダイヤフラムによって例えば二つに仕切られ、一方の空間は水素ガスが１次側から２次側へと流通可能に構成される。その他方の空間は、燃料電池２０への供給空気圧が印加される調圧室として構成される。すなわち、このダイヤフラムの一面側には、空気圧伝搬路７３を介して燃料電池２０への供給空気圧及びバネ圧が印加され、ダイヤフラムの他面側には、燃料電池入口の水素ガス圧が印加される。ダイヤフラムは、供給空気圧及びバネの圧力と燃料電池２０入口の供給水素ガス圧との差圧に応じて変位し、調圧弁の水素流路に配置されてダイヤフラムと連動する弁の開度を設定する。それにより、例えば、供給水素ガス圧と供給空気圧とが所定の圧力差範囲となるように調整される。
【００５５】
なお、上記実施例の構成では燃料電池２０への供給空気圧を圧力源とし、これを水素調圧弁３２のダイヤフラムの駆動圧力として使用しているが、供給空気圧によって圧力伝搬媒体（例えば、窒素ガス等の不活性ガスや液体）を加圧あるいは減圧し、これを水素調圧弁３２のダイヤフラムに印加する構成としても良い。不活性ガス（圧力伝搬媒体）を介して空気圧を水素調圧弁３２のダイヤフラムに伝搬することによって水素調圧弁３２の酸化（劣化）を抑制し、調圧弁３２の長寿命化あるいは信頼性向上を図ることが可能となる。
【００５６】
次に、図３に示すフローチャートを参照して制御部５０の動作について説明する。
制御部５０は制御用コンピュータによって構成され、図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。制御部５０は、制御プログラムにおいて所定周期あるいは特定イベントの発生で生ずる割り込みによって燃料ガス圧調整弁のダイヤフラムへの印加圧力を設定（調整）する処理（Ｓ１００）を実行する。
【００５７】
まず、制御部５０は、現在の燃料電池の運転状態が燃料電池２０への水素ガス及び空気の供給を停止する間欠運転モード、又は燃料電池２０に脈動ガスを供給して余剰水分を除去するエア圧脈動モードになっていないかどうかを図示しない運転状態を示す各種フラグを参照して判別する（Ｓ１０２）。間欠運転モード又はエア圧脈動モードを実行しているときには（Ｓ１０２；ＹＥＳ）、印加圧力制御弁１５の遮断状態を変更することなく本モードを終了し、元の制御プログラムに戻る（Ｓ１１０）。
【００５８】
現在の燃料電池の運転状態が間欠運転モード又はエア圧脈動モードではないときは（Ｓ１０２；ＮＯ）、図示しない車両のアクセルペダルの踏込み量、車両モータ負荷、補機類負荷、二次電池充電負荷などを読取り、燃料電池２０に対して要求される発電量を計算する（Ｓ１０４）。この要求電力に対して必要な供給水素ガス流量及び供給空気流量を予め記憶されたマップあるいは計算式から求める。コンプレッサ１２及び制御弁１４を調整して所要の供給空気流量に設定する。また、供給水素ガス流量のうち水素ポンプ３７によって循環させる水素オフガスの流量を計算し、当該流量が得られるように水素ポンプ３７の動作を設定する（Ｓ１０６）。水素オフガスの還流量と、水素供給源３１から供給する新規の水素ガス流量等から水素調圧弁３２における供給流量（弁開度）を計算し、この弁開度を与えるダイヤフラムへの印加空気圧（目標空気圧）Ｐｓを計算する。この印加空気圧Ｐｓがコンプレッサ１２側の供給空気圧から得られるように減衰量を計算し、印加圧力制御弁１５の弁開度を調整して設定する（Ｓ１０８）。印加圧力制御弁１５の設定後、本モードを終了し、元の制御プログラムに戻る（Ｓ１１０）。
【００５９】
次に、図４を参照して制御弁遮断モードについて説明する。制御弁遮断モードは、燃料電池２０への供給空気圧と供給水素ガス圧とを連動させることが好ましくない場合に供給空気圧の水素調圧弁への伝搬を遮断するモードである。
【００６０】
制御部５０は、図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。制御部５０は、制御プログラムにおいて所定周期あるいは特定イベントの発生で生ずる割り込みによって制御弁遮断モード（Ｓ１２０）を実行する。
【００６１】
まず、制御部５０は図示しない燃料電池の各種運転状態を示す状態フラグを参照し、現在の運転状態が間欠運転モードあるいはエア圧脈動制御モードなどの供給空気と供給水素ガスとを別途に制御すべきモードかどうかを判別する（Ｓ１２２）。
【００６２】
上述したように、間欠運転モードは、燃料電池２０の図示しない負荷（車両モータ等）が低負荷であるときに二次電池から負荷への電力供給を行い、燃料電池２０には開放端電圧を維持し得る程度の水素ガス及び空気の供給を間欠的に行うモードである。それにより、再始動特性を低下させずに燃費の改善が図られる。既述のようにこの間欠運転状態では供給空気に対して水素濃度が相対的に低下する状態が生じ得る。この場合に供給空気圧と供給水素ガス圧とを連動させると、供給空気圧の低下に伴って供給水素ガス圧も低下し、再始動特性を悪化させる。
【００６３】
この再始動時の水素ガス濃度低下を防ぐために、供給空気圧が所定値以下となったときに印加圧力制御弁１５によって水素調圧弁３２に印加される空気圧を遮断することで、水素調圧弁３２に印加される空気圧を一定とする。それにより、供給空気圧（低圧）への供給水素ガス圧の追従を断って水素供給圧を相対的に高い所定圧力に維持し、高水素ガス濃度での燃料電池２０の再始動を可能とする。
【００６４】
また、エア圧脈動制御モードは、燃料電池セル内の過剰な水分を外部に排出するために空気圧をパルス状に印加するものである。このような急な空気圧の変動（脈動）は水素ガス供給制御系への外乱となる。印加圧力制御弁１５や水素調圧弁３２の追従が適正に行われない場合には、ガス流路や燃料電池内部に異常な圧力が生じ、図示しない安全機構が上限異常値や下限異常値と誤判定する場合も考えられる。印加圧力制御弁１５を設けることによって空気圧脈動（印加圧力脈動）の水素調圧弁３２への伝搬を遮断することが可能となる。
【００６５】
制御部５０は、現在の運転モードが間欠運転又はエア圧脈動制御モードに該当するときは（Ｓ１２２；ＹＥＳ）、印加圧力制御弁１５を遮断し、水素調圧弁３２のダイヤフラムに所定の圧力が印加されるようにする。それにより、上述した不具合が回避される（Ｓ１２４）。その後、制御弁遮断モードのフラグを設定して本制御弁遮断モードを終了し、元の制御プログラムに戻る（Ｓ１２６）。
【００６６】
また、制御部５０は、現在の運転モードが間欠運転又はエア圧脈動制御モードに該当しないときは（Ｓ１２２；ＮＯ）、印加圧力制御弁１５を遮断することなく制御弁遮断モードのフラグをリセットして本制御弁遮断モードを終了し、元の制御プログラムに戻る（Ｓ１２６）。前述したように、制御弁遮断モードのフラグリセット状態では印加圧力制御弁１５の調整が行われる（Ｓ１０２以下参照）。
【００６７】
図５を参照して異常判定モードについて説明する。異常判定モードは、印加圧力制御弁１５及び水素調圧弁３２の動作の適正を判断するモードである。
【００６８】
制御部５０は図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。制御部５０は、制御プログラムにおいて所定周期あるいは特定イベントの発生で生ずる割り込みによって異常判定モード（Ｓ１３０）を実行する。
【００６９】
まず、制御部５０はステップＳ１０８において算出した印加圧力制御弁１５の目標圧力Ｐｓが印加圧力制御弁１５から実際に出力されているかどうかを判別すべく、圧力センサ５３の出力Ｐ５３を読取る。この実側値Ｐ５３と目標圧力Ｐｓとの差（偏差）が許容値Ｐｆｖを越えているかどうかを判別する（Ｓ１３２）。
【００７０】
許容範囲外の場合には、制御部５０は印加圧力制御弁１５の異常と判断し、印加圧力制御弁異常のフラグを設定して異常処理を実行する（Ｓ１３２；ＹＥＳ）。異常処理では、例えば、車両の運転モニタに印加圧力制御弁１５の異常に対応する警告表示を行い、運転者あるいは運転管理者に注意を促す。また、制御部５０は燃料電池２０の運転あるいは車両運転の継続が可能か否かを判断する。例えば、制御部５０は負荷への電力供給源を燃料電池２０から図示しない二次電池に切替えて燃料電池の運転を停止する。更に、制御部５０は図示しない公衆通信機能や構内通信機能によって保守センターの保守装置に印加圧力制御弁１５の異常を通報する（Ｓ１３８）。それにより、迅速な保守が可能となる。その後、制御部５０は本異常判定モードを終了し、元の制御プログラムに戻る（Ｓ１４２）。
【００７１】
この実側値Ｐ５３と目標圧力Ｐｓとの差（偏差）が許容値Ｐｆｖ内である場合には（Ｓ１３２；ＮＯ）、水素調圧弁３２の異常の有無を判別する。制御部５０は印加圧力制御弁１５から水素調圧弁３２に印加される印加圧力、すなわち、圧力センサ５３の出力値Ｐ５３から燃料電池入口部に印加されるべき水素ガス圧力Ｐｗａ（予定調圧値）を計算する。例えば、Ｐｗａはダイヤフラムへの印加圧力Ｐ５３とダイヤフラムへのオフセットを与えるスプリング圧との関数として表される（Ｓ１３２）。制御部５０は、燃料電池２０の入口部の圧力センサ５５による供給水素ガスの実際の圧力値Ｐ５５と予定調圧値Ｐｗａとを比較し、両者の差（偏差）が判別基準値Ｐｆｒ内であるかどうかを判別する（Ｓ１３６）。
【００７２】
許容範囲外の場合には、制御部５０は水素調圧弁３２の異常と判断し、水素調圧弁異常のフラグを設定して異常処理を実行する（Ｓ１３６；ＹＥＳ）。異常処理では、例えば、車両の運転モニタに水素調圧弁１５の異常に対応する警告表示を行い、運転者あるいは運転管理者に注意を促す。また、制御部５０は、例えば、負荷への電力供給源を燃料電池２０から図示しない二次電池に切替えて燃料電池２０の運転を停止し、遮断弁３３及び３４を適宜に開閉して燃料電池２０を保護する。更に、制御部５０は図示しない公衆通信機能や構内通信機能によって保守センターの保守装置に印加圧力制御弁１５の異常を通報する（Ｓ１４０）。それにより、迅速な保守が可能となる。その後、制御部５０は本異常判定モードを終了し、元の制御プログラムに戻る（Ｓ１４２）。
【００７３】
実測値圧力値Ｐ５５と予定調圧値Ｐｗａとの比較の結果、差異が判別基準値Ｐｆｒ内である場合には、制御部５０は水素調圧弁３２を正常と判断し、本ルーチンを終了する（Ｓ１３６；ＮＯ）。
【００７４】
図６を参照して噛み込み判定モードについて説明する。噛み込み判定モードは水素調圧弁３２のダイヤフラム弁機構が異物を噛み込んだかどうかを判断するモードである。燃料電池システムを組み立てる際に流路（配管）に切削くずなどの異物が残ると、これが移動してダイヤフラム弁機構に入ることも考え得る。
【００７５】
制御部５０は図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。制御部５０は、制御プログラムにおいて所定周期あるいは特定イベントの発生で生ずる割り込みによって噛み込み判定モード（Ｓ１５０）を実行する。
【００７６】
まず、制御部５０は水素供給源３１から燃料電池２０に水素ガスが供給されている状態において、燃料電池入口部の圧力センサ５５の出力値Ｐ５５を読取る。この出力値Ｐ５５と上記ステップ１０８で設定した目標値Ｐｓとの圧力差（偏差）が所定値Ｐ１を越え、かつ当該差が所定時間ｔ１を越えて存在するかどうかを判断する（Ｓ１５２）。当該圧力差が所定値Ｐ１を越えず、あるいは所定値Ｐ１を一時的に越えても、所定時間ｔ１を越えて存在しない場合には（Ｓ１５２；ＮＯ）、異物の噛み込みはないと判断し（Ｓ１５２；ＮＯ）、本ルーチンを終了して元の制御プログラムに戻る（Ｓ１６０）。
【００７７】
当該圧力差が所定値Ｐ１を越え、かつ所定時間ｔ１を越えて存在する場合には（Ｓ１５２；ＹＥＳ）、制御部５０は水素調圧弁３２に異物の噛み込みの可能性があると判断する（Ｓ１５２；ＹＥＳ）。制御部５０は異物を除去すべく、印加圧力制御弁１５の出力をＰ２及びＰ３間に交互に複数回変化させ、水素調圧弁３２のダイヤフラムを揺動させる。例えば、出力Ｐ２は印加圧力制御弁１５の調圧範囲の最大値であり、出力Ｐ３は同範囲の最小値である。それにより、噛み込まれた異物の除去（落下）を試みる（Ｓ１５４）。
【００７８】
制御部５０は、燃料電池入口部の圧力センサ５５の出力値Ｐ５５を再度読取る。この出力値Ｐ５５と上記目標値Ｐｓとの差（偏差）が所定値Ｐ４を越え、かつ当該差が所定時間ｔ２を越えて存在するかどうかを判断する（Ｓ１５６）。ここで、所定値Ｐ４はＰ４＞Ｐ１に設定され、所定値ｔ２はｔ２＞ｔ１に設定される。
【００７９】
当該圧力差が所定値Ｐ４を越えず、あるいは一時的に越えても当該圧力差が所定時間ｔ２を越えて存在しない場合には、異物の噛み込みはないと判断し（Ｓ１５６；ＮＯ）、本ルーチンを終了して元の制御プログラムに戻る（Ｓ１６０）。
【００８０】
当該圧力差が所定値Ｐ４を越え、かつ当該圧力差が所定時間ｔ２を越えて存在する場合には、異物の噛み込みが解消しないと判断し、ダイヤフラム異物噛み込み処理を行う（Ｓ１５６；ＹＥＳ）。ダイヤフラム異物噛み込み処理は、例えば、車両の運転モニタに水素調圧弁３２のダイヤフラム噛み込み異常に対応する警告表示を行い、運転者あるいは運転管理者に注意を促す。また、制御部５０は負荷への電力供給源を燃料電池２０から図示しない二次電池に切替え、遮断弁３３及び３４を閉じて燃料電池２０の運転を停止する。更に、制御部５０は図示しない公衆通信機能や構内通信機能によって保守センターの保守装置に印加圧力制御弁１５の異常を通報する（Ｓ１４０）。それにより、迅速な保守を可能とする。その後、制御部５０は本異常判定モードを終了し、元の制御プログラムに戻る（Ｓ１６０）。
【００８１】
なお、上述した制御態様では供給水素ガス圧に応じて上限圧力の異常判定値を変更可能（Ｐ１，Ｐ４）として、水素ガス圧が所定値以内に制御されていることを確認してシステムの安全性を確保する。印加圧力制御弁１５を設けることによって水素ガス圧を独立に設定することが出来るので、異常判別のための上記上限圧力を可変にして判別を行うことが可能となっている。
【００８２】
また、上述した実施例によれば制御不良時等における運転継続性が向上する。すなわち、制御不良又は故障により印加印加圧力制御弁１５が全開になり、酸化ガス圧と印加圧力が同圧となった場合においても、酸化ガス圧は燃料電池の運転圧力範囲に制御されているため、印加圧力に対する調圧弁３２の調圧特性を所定に設定することで燃料ガス圧を所望の圧力範囲内に維持することが可能となる。
【実施例２】
【００８３】
図７は、本発明の第２の実施例を示している。同図において図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００８４】
この実施例では、印加圧力制御弁１５を三方弁で構成している。三方弁の第１の側を空気圧伝搬路７３でコンプレッサ１２側と接続し、第２の側を排気路７８で排気路７２側と接続し、第３の側を水素調圧弁３２のダイヤフラム側と接続している。三方弁でコンプレッサ１２側と排気路７８の大気側とを切替えることによって水素調圧弁３２への印加空気圧（印加圧力）を制御する構成としている。
【００８５】
具体的には、水素調圧弁３２の調圧室（例えば図１１の調圧室１０８を参照。）は、コンプレッサ１２からの酸化ガスと排気路７８の排気口からの大気とを導入可能に構成され、水素調圧弁３２は、調圧室内の圧力によって弁体（例えば図１１の弁体１１１を参照。）を所定の位置に移動させる。印加圧力制御弁１５は、酸化ガス圧と大気圧とを調圧室に作用可能に構成され、調圧室への大気の導入量を調整することにより水素調圧弁３２への印加圧力を制御する。これにより、水素調圧弁３２の印加圧力が作用される調圧室内が高い圧力となっている場合でも、印加圧力制御弁１５を大気側に切替えることで、これを迅速に逃がすことができる。
【００８６】
なお、印加圧力制御弁１５による調圧室への大気の導入量の調整は、酸化ガス圧および大気圧の両圧力を選択的に導入することで、又は酸化ガスおよび大気の適当な量を配分調整して導入することで、行うことができる。この大気の導入量の調整によって、調圧室の圧力を目標圧（ダイヤフラムの駆動力）に変更することができる。他の構成及び制御態様は第１の実施例と同様である。
【実施例３】
【００８７】
図８は、本発明の第３の実施例を示している。同図において図１又は図２と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００８８】
この実施例では、コンプレッサ１２が設けられた空気供給路７１と排気路７８との間の空気圧伝搬路７３に印加圧力制御弁１５、圧力センサ５３およびバッファタンク４１を設け、排気路７８に制御弁４２を設けている。バッファタンク４１（アキュムレータ）は、酸化ガスとしての空気を一時的に貯留する。バッファタンク４１によって、印加圧力制御弁１５で減圧された空気圧が安定化され、急激な圧力変動が生じ難いようになる。これにより、安定化された空気圧が水素調圧弁３２に印加される。また、排気路７８側にも制御弁４２を設けてバッファタンク４１からの排気に適当な絞りを入れ、この制御弁４２を印加圧力制御弁１５と連携して制御することによって水素調圧弁３２に加わる空気圧の変動を更に抑制するようにしている。
【００８９】
また、この実施例ではパージ流路７７及び排気路７８が希釈器４３を介して排気路７９及び７２に接続され、外部に排気される。希釈器４３はパージ動作によって外部に排出される水素オフガスをバッファタンク４１側から供給される排気空気によって希釈し、外部に排気する。この希釈器４３の膨張（希釈）室は消音効果があるので印加圧力制御弁１５及び制御弁４２の作動音を消去（減少）することができる。他の構成及び制御態様は第１の実施例と同様である。
【実施例４】
【００９０】
図９は、本発明の第４の実施例を示している。同図において図８と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００９１】
この実施例では、空気圧伝搬路７３は、空気供給路７１との接続部分にオリフィス９１を有している。コンプレッサ１２により圧送される酸化ガスは、空気供給路７１を伝って燃料電池２０に供給されるが、その酸化ガスの一部は、空気圧伝搬路７３を伝って圧力制御弁１５に供給される。その際に、酸化ガスの一部は、オリフィス９１を通過して圧力制御弁１５に供給される。オリフィス９１を通過するため、酸化ガスは流量を絞られると共に減圧される。
【００９２】
このように、オリフィス９１を設けた本実施例によれば、空気圧伝搬路７３に導かれる酸化ガスの流量を上記実施例に比べて制限することができ、印加圧力制御弁１５の例えば全開状態などの開度大時に、燃料電池２０が酸化ガスの欠乏状態になることを防止することができる。この場合に、空気圧伝搬路７３の空気供給路７１との接続部分の管にオリフィス９１を一体形成することで、空気圧伝搬路７３が破損した場合や、空気圧伝搬路７３が空気供給路７１から分離した場合などにも、燃料電池２０に所定の十分な酸化ガスを供給することができる。
【実施例５】
【００９３】
図１０は、本発明の第５の実施例を示している。同図において図９と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００９４】
この実施例の空気圧伝搬路７３には、バッファタンク４１の下流側にリリーフ弁９２が介設されている。リリーフ弁９２は、空気圧伝搬路７３においては水素調圧弁３２の上流側に位置している。水素調圧弁３２の調圧室内には、印加圧力制御弁１５によって所定圧力の酸化ガスが印加されるが、リリーフ弁９２は、この調圧室内の酸化ガスが所定の設定圧以上に上昇したときに機械的に開弁するように構成されている。リリーフ弁９２が開弁されることで、水素調圧弁３２の調圧室内の酸化ガスは外部に放出され、調圧室内は減圧される。
【００９５】
このように、リリーフ弁９２を設けた本実施例によれば、水素調圧弁３２の調圧室内の酸化ガスが異常高圧となるシステム異常時には、リリーフ弁９２が機能してガスの過剰な圧力を逃がすことができる。これにより、異常高圧に伴う水素調圧弁３２の損傷を未然に且つ適切に回避することができる。なお、本実施例ではリリーフ弁９２を空気圧伝搬路７３に設けたが、この構成に代えて、リリーフ弁９２などのリリーフ機構を水素調圧弁３２に組み込むようにしてもよい。また、上述のように、水素調圧弁３２に印加するガスは酸化ガスに限られないが、不活性ガスなどの圧力伝搬媒体を印加する場合には、リリーフ弁９２から外部に放出されるガスは圧力伝搬媒体であることは言うまでもない。
【実施例６】
【００９６】
図１１は、本発明の第６の実施例における水素調圧弁３２の構造を模式的に示す断面図である。本実施例は、水素調圧弁３２の好適な一構造にかかるものである。
【００９７】
水素調圧弁３２は、ポペット型で構成することができ、その外殻をハウジング１０１により構成される。ハウジング１０１には、燃料ガス流路７５に接続された１次側の流入口１０２および２次側の流出口１０３と、空気圧伝搬路７３に接続された導入口１０４と、が形成されている。ハウジング１０１の内部空間は、所定の距離を離間して同軸上に配設された２枚のダイヤフラム１０５，１０６によって、３つに仕切られている。
【００９８】
第１のダイヤフラム１０５の一方の面は、燃料ガス流路７５上に臨み、水素ガスの２次側圧力が作用される。第１のダイヤフラム１０５の他方の面は、ハウジング１０１内の大気圧室１０７に臨み、大気圧が作用される。なお、大気圧室１０７と外部とが連通するように、ハウジング１０１の所定位置には大気開放用の穴１０７ａが形成されている。第２のダイヤフラム１０６の一方の面は大気圧室１０７に臨み、大気圧が作用される。第２のダイヤフラム１０６の他方の面は、調圧室１０８に臨み、空気圧伝搬路７３からの酸化ガスの圧力が作用される。なお、例えば図７に示す第２実施例の水素調圧弁３２の場合には、排気路７８からの大気の圧力（大気圧）が選択的に作用される。また、第２のダイヤフラム１０６の他方の面は、調圧室１０８に収容したスプリング１０９によって、大気圧室１０７側に付勢されている。
【００９９】
第１のダイヤフラム１０５と第２のダイヤフラム１０６とは、その中心軸方向においてステム１１０（連結部材）により連結されており、ステム１１０によって互いに追従して変形するように構成されている。ステム１１０は、大気圧室１０７側からハウジング１１０内の燃料ガス流路７５内に突出しており、ステム１１０の先端部には、弁体１１１が一体に設けられている。弁体１１１の円錐台の側面は、ハウジング１０１に設けた弁座１１２に離接可能に構成されている。
【０１００】
弁体１１１が弁座１１２から離間した開弁状態では、１次側と２次側との間の流路は連通して、２次側への水素ガスの流れが許容される。一方、弁体１１１が弁座１１２に当接する閉弁状態では、１次側と２次側との間の流路は遮断され、２次側への水素ガスの流れが遮断される。このような構成により、水素調圧弁３２は、第２のダイヤフラム１０６に作用される供給空気圧（印加圧力制御弁１５によって印加される酸化ガスの圧力）およびスプリング１０９の圧力と、第１のダイヤフラム１０５に作用される水素ガスの２次側圧力（燃料電池２０入口の供給水素ガス圧）とに応じて、弁体１１１の開度が調整される。
【０１０１】
本実施例によれば、ダイヤフラム１０５，１０６を２枚用いて、酸化ガスが導入される調圧室１０８と水素ガスの流路（燃料ガス流路７５）との間に大気圧室１０７を設けている。このため、仮に一方のダイヤフラムが破損した場合であっても、その破損したダイヤフラムを通過するガスは大気圧室１０７に導入されて、その穴１０７ａから外部に放出される。したがって、一方のダイヤフラムが破損するようなシステムの異常時であっても、酸化ガスのラインと水素ガスのラインとの導通を好適に防止することができる。なお、穴１０７ａは、例えば図１０に示す排気路７２や排気路７９に接続されてもよいし、あるいは例えば排気路７８やパージ流路７７に接続されて、穴１０７ａから流出するガスを希釈器４３や図外のガス処理装置に導くようにしてもよい。
【０１０２】
なお、上述した各実施例では燃料電池２０の定常運転状態において印加圧力制御弁１５によって圧力源としての燃料電池への供給空気圧（酸化ガス圧）を減圧調整して所要の印加圧力（独立した制御圧力）を得、これを水素調圧弁３２に印加して燃料電池２０に供給される水素ガス圧を独立に設定可能な構成としている。この印加圧力制御弁１５を開放して燃料電池２０に供給される供給空気圧をそのまま印加圧力として水素調圧弁３２に与えることもできる。それにより、水素調圧弁３２によって燃料電池２０に供給される水素ガス圧（燃料ガス圧）と供給空気圧（酸化ガス圧）との差を一定の範囲内に保つようにして燃料電池２０の運転を行い、燃料電池の極間差圧を所定範囲内に調整することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】図１は本発明の基本構成を説明する説明図である。
【図２】図２は本発明の第１の実施例を説明する説明図である。
【図３】図３は第１の実施例における制御態様の圧力制御弁設定モードを説明するフローチャートである。
【図４】図４は第１の実施例における制御態様の圧力制御弁遮断モードを説明するフローチャートである。
【図５】図５は第１の実施例における制御態様の異常判定モードを説明するフローチャートである。
【図６】図６は第１の実施例における制御態様の噛み込み判定モードを説明するフローチャートである。
【図７】図７は第２の実施例を説明する説明図である。
【図８】図８は第３の実施例を説明する説明図である。
【図９】図９は第４の実施例を説明する説明図である。
【図１０】図１０は第５の実施例を説明する説明図である。
【図１１】図１１は第６の実施例における燃料ガス調圧弁の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１２  コンプレッサ、１３  加湿器、１４，４２  圧力制御弁、１５  印加圧力制御弁、２０  燃料電池、３２  水素調圧弁（燃料ガス調圧弁）、３３，３４，３８  遮断弁、３５  気水分離器、３６  ドレイン弁、３９  リリーフ弁、４０  逆止弁、４１  バッファタンク、４３  希釈器、７１  空気供給路（酸化ガス流路）、７３  空気圧伝搬路、７５  燃料供給路、９１  オリフィス、９２  リリーフ弁（リリーフ機構）、１０５  第１のダイヤフラム、１０６  第２のダイヤフラム、１１０  ステム（連結部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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