(57)【要約】    【課題】  調圧室に加圧されたガスを信号圧として導入するレギュレータを有効に活用して、極間差圧を低減可能な燃料電池システムを課題とする。    【解決手段】  レギュレータ４０は、基準圧よりも加圧されたガスが導入される調圧室５７を有する。レギュレータ４０は、ダイヤフラム５６に作用する燃料ガスの２次側圧力および加圧ガスの圧力と、ダイヤフラム５６に連結された弁体５５を閉弁方向に付勢する付勢部材６２の付勢力とに応じて弁体５５の開度が調整されることにより、燃料電池２に供給される燃料ガスの２次側圧力を調整する。そして、調圧室５７に加圧ガスの圧力を導入しない例えば大気圧状態である基準圧状態で、燃料電池２への燃料ガスの供給流量域に弁体５５が閉じて流量ゼロとなる領域が存在するように、弁体５５の開弁特性が設定される。    【選択図】  図２
2005347189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体が連結されたダイヤフラムによってハウジングの内部空間が仕切られ、一方の空間は燃料電池に供給される燃料ガスが１次側から２次側へと流通可能に構成され且つ他方の空間は基準圧より加圧されたガスが導入される調圧室として構成されたレギュレータを備え、
前記レギュレータは、前記ダイヤフラムに作用する燃料ガスの２次側圧力および加圧されたガスの圧力と、前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材の付勢力とに応じて当該弁体の開度が調整されることにより、前記燃料電池に供給される燃料ガスの２次側圧力を調整可能に構成され、
前記レギュレータは、前記調圧室が基準圧状態で、前記燃料電池への燃料ガスの供給流量域に前記弁体が閉じて流量ゼロとなる領域が存在するように、前記弁体の開弁特性が設定されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記流量ゼロとなる領域に移行するポイントが、前記供給流量域のうち最大の供給流量の少なくとも半分以下の流量域に存在する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
弁体が連結されたダイヤフラムによってハウジングの内部空間が仕切られ、一方の空間は燃料電池に供給される燃料ガスが１次側から２次側へと流通可能に構成され且つ他方の空間は基準圧より加圧されたガスが導入される調圧室として構成されたレギュレータを備え、
前記レギュレータは、前記ダイヤフラムに作用する燃料ガスの２次側圧力および加圧されたガスの圧力と、前記弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材の付勢力とに応じて当該弁体の開度が調整されることにより、前記燃料電池に供給される燃料ガスの２次側圧力を調整可能に構成され、
前記レギュレータは、燃料ガスの流量増加に伴い燃料ガスの２次側圧力が大きくなるように、前記弁体の開弁特性が設定されている燃料電池システム。
【請求項４】
前記弁体の開弁特性を設定する設定要素には、前記付勢部材の性状が含まれる請求項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】
前記弁体の開弁特性を設定する設定要素には、前記ダイヤフラムの性状が含まれる請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記調圧室の上流側には、当該調圧室に導入される加圧されたガスの圧力を調圧する調圧弁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】
前記調圧室の上流側には、当該調圧室に導入される加圧されたガスを一時的に貯留するアキュムレータ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスの圧力をレギュレータで調整して燃料電池に供給する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載される固体高分子電解質型の燃料電池は、電解質膜の両側にアノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備え、アノードに水素ガスに代表される燃料ガスが供給され、カソードに空気に代表される酸化ガスが供給されることで、電気を外部に取り出す。一般に、燃料ガスは、例えば高圧タンクに貯留されており、レギュレータで所定の圧力に調整されてアノードに供給される。一方、酸化ガスは、コンプレッサにより大気中の空気が圧送されることでカソードに供給される。燃料電池では、電解質膜の破損防止等のために、アノード側の燃料ガス圧とカソード側の酸化ガス圧との圧力差（極間差圧）が過大にならないようにする必要がある。
【０００３】
図４の曲線Ｌ１は、燃料ガスの流量に対するレギュレータの流量特性を示している。レギュレータの２次側圧力（すなわち、アノード側の燃料ガス圧）は、流量増加に伴い僅かに降下する傾向があるが、供給流量域の全範囲では大気圧Ｐよりも高い正圧に設定される。曲線Ｌ２は、酸化ガスの流量に対するコンプレッサの吐出特性を示しており、コンプレッサの吐出圧力（すなわち、カソード側の酸化ガス圧）は、流量増加に伴い徐々に上昇する。
【０００４】
図４からも明らかなように、極間差圧は、燃料電池の負荷（燃料ガスや酸化ガスの燃料電池への供給流量）に応じて変動する。一般に燃料電池は、低負荷のときの使用頻度が高いが、図４に示すように、この低負荷のときに極間差圧が大きくなり、電解質膜の破損等を促進しやすい。この問題を単純に捉え、低負荷での極間差圧を下げるべく、レギュレータの流量特性を全体的にさらに低く設定することも考えられる。
【０００５】
しかし、例えば燃料電池から排出された燃料オフガスをポンプにより再び燃料電池に循環供給する燃料電池システムでは、ポンプの回転数あたりの流量が低下するため、結局は流量確保のためにポンプの回転数を上げる必要が生じ、効率を悪化させてしまう。また、燃料電池の高負荷のときには、燃料ガスの流量が不足するおそれがある。
【０００６】
そこで、低負荷での極間差圧を小さくし且つ高負荷での燃料ガスの流量を確保するために、コンプレッサの吐出圧力を利用してレギュレータを作動させることが考えられる（例えば、特許文献１参照。）。具体的には、レギュレータの調圧室に、大気圧でなく、コンプレッサの吐出圧力である酸化ガス圧をダイレクトに導入し、これにより実質的に酸化ガス圧と燃料ガス圧との差圧（極間差圧）に基づいてレギュレータを作動させる。
【特許文献１】特開２００３−６８３３４号公報（第４頁および第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図４の曲線Ｌ３は、曲線Ｌ２の吐出特性を有するコンプレッサの吐出圧力を、曲線Ｌ１の流量特性を有するレギュレータの調圧室に導入したときのレギュレータの合成流量特性を示している。曲線Ｌ３に示すように、大気圧のもとで適切に作動するように設定されたレギュレータの調圧室に、コンプレッサの吐出圧力を単純に導入した場合、レギュレータにより最終的に調整される２次側の燃料ガス圧は非常に高くなり、却って極間差圧を大きくしてしまう。
【０００８】
本発明は、レギュレータの流量特性に着目してなされたものであり、レギュレータを有効に活用して、極間差圧を適切に低減することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、弁体が連結されたダイヤフラムによってハウジングの内部空間が仕切られ、一方の空間は燃料電池に供給される燃料ガスが１次側から２次側へと流通可能に構成され且つ他方の空間は基準圧より加圧されたガスが導入される調圧室として構成されたレギュレータを備え、レギュレータは、ダイヤフラムに作用する燃料ガスの２次側圧力および加圧されたガスの圧力と、弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材の付勢力とに応じて弁体の開度が調整されることにより、燃料電池に供給される燃料ガスの２次側圧力を調整可能に構成され、レギュレータは、調圧室が基準圧状態で、燃料電池への燃料ガスの供給流量域に弁体が閉じて流量ゼロとなる領域が存在するように、弁体の開弁特性が設定されているものである。
【００１０】
この構成によれば、調圧室が非加圧の基準圧状態の場合のレギュレータは、供給流量域に２次側への燃料ガスの流れを遮断する流量ゼロの領域を有するが、実際に調圧室に基準圧より加圧されたガスの圧力を導入されることによって、２次側への燃料ガスの流れを許容し且つ燃料ガスの２次側圧力を調整する。この調整は、ダイヤフラムに作用する燃料ガスの２次側圧力および調圧室内の加圧されたガスの圧力と、付勢部材の付勢力とのバランスによって、ダイヤフラムに連結した弁体の開度が機械的に調整されることによりなされる。
このように、調圧室の基準圧状態で供給流量域の全範囲において燃料ガスが流通可能な設定とするのではなく、基準圧状態では燃料ガスの供給流量域に流量ゼロとなる領域が存在するように弁体の開弁特性を設定することで、調圧室に基準圧よりも加圧されたガスの圧力を導入することで上昇設定される燃料ガスの２次側圧力の上昇幅を小さくすることができる。すなわち、基準圧状態では使用困難となる範囲にレギュレータの流量特性を敢えて設定することで、上述したレギュレータの合成流量特性での２次側圧力の上昇が好適に抑制される。
ここで、「加圧されたガス」は、燃料電池の酸化ガス供給系に設けられる例えばコンプレッサで加圧された酸化ガスであってもよいし、別の加圧源（エアポンプ）で加圧されたエアであってもよい。前者の酸化ガスを利用すると極間差圧を好適に抑制することができる。
また、「基準圧」は例えば大気圧である。「基準圧状態」で供給流量域の一部にのみ流量ゼロとなる領域を設定した場合には、レギュレータの流量特性上、供給流量域が小流量域では燃料ガスの流れが許容されることになる。つまり、このように設定することで、加圧されたガスが上記の酸化ガスである場合には酸化ガスが調圧室に迅速に導入され難い燃料電池システムの始動時であっても、レギュレータは燃料ガスの２次側への流れを許容するため、燃料電池システムの始動性を高めることが可能となる。
【００１１】
この場合、流量ゼロとなる領域に移行するポイントが、供給流量域のうち最大の供給流量の少なくとも半分以下の流量域に存在することが、好ましい。
【００１２】
この構成によれば、一般にレギュレータは１次側圧力が変化すると２次側圧力も変化する圧力特性（ヒステリシス）を有するが、上記のようにレギュレータを設定することで、燃料ガスの供給流量等に応じて変化し得る１次側圧力に適切に対応することができる。
【００１３】
本発明の他の燃料電池システムは、弁体が連結されたダイヤフラムによってハウジングの内部空間が仕切られ、一方の空間は燃料電池に供給される燃料ガスが１次側から２次側へと流通可能に構成され且つ他方の空間は基準圧より加圧されたガスが導入される調圧室として構成されたレギュレータを備え、レギュレータは、ダイヤフラムに作用する燃料ガスの２次側圧力および加圧されたガスの圧力と、弁体を閉弁方向に付勢する付勢部材の付勢力とに応じて弁体の開度が調整されることにより、燃料電池に供給される燃料ガスの２次側圧力を調整可能に構成され、レギュレータは、燃料ガスの流量増加に伴い燃料ガスの２次側圧力が大きくなるように、弁体の開弁特性が設定されているものである。
【００１４】
この構成によれば、調圧室に基準圧より加圧されたガスが導入されると、ダイヤフラムに作用する燃料ガスの２次側圧力および調圧室内の加圧ガスの圧力と、付勢部材の付勢力とのバランスによって、ダイヤフラムに連結した弁体の開度が機械的に調整され、燃料ガスの２次側圧力が調整される。このとき、燃料ガスの流量増加に伴い燃料ガスの２次側圧力が大きくなるように弁体の開弁特性を設定しているため、流量増加に伴う燃料電池におけるアノード側の燃料ガス圧の変化を、流量増加に伴うカソード側の酸化ガス圧の変化に対応させることができる。これにより、供給流量域の広い範囲に亘って極間差圧を適切に低減することが可能となる。
ここで、上記同様に、「加圧されたガス」は、燃料電池に供給される酸化ガス等で構成することができ、「基準圧」は、例えば大気圧である。
【００１５】
これらの場合、弁体の開弁特性を設定する設定要素には、付勢部材の性状が含まれることが、好ましい。
【００１６】
この構成によれば、例えば付勢部材のばね定数などの性状を所定に設定することで、弁体の開弁特性を上記のように設定することができる。
【００１７】
これらの場合、弁体の開弁特性を設定する設定要素には、ダイヤフラムの性状が含まれることが、好ましい。
【００１８】
この構成によれば、例えばダイヤフラムの受圧面積などの性状を所定に設定することで、弁体の開弁特性を上記のように設定することができる。
【００１９】
これらの場合、調圧室の上流側には、調圧室に導入される加圧されたガスの圧力を調圧する調圧弁が設けられていることが、好ましい。
【００２０】
この構成によれば、調圧弁によって調圧された加圧ガスが調圧室に導入されるため、合成流量特性を好適に低減し得る。
【００２１】
これらの場合、調圧室の上流側には、調圧室に導入される加圧されたガスを一時的に貯留するアキュムレータが設けられていることが、好ましい。
【００２２】
この構成によれば、アキュムレータによって加圧ガスの圧力が安定されるため、調圧室に作用する加圧ガスの急激な圧力変動を生じ難くすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池システムによれば、流量特性を所定に設定したレギュレータによって極間差圧が適切に低減されるため、燃料電池の電解質膜等の破損を適切に抑制することができ、燃料電池はもとよりシステム全体の信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、レギュレータの調圧室に加圧されたガスの圧力を信号圧として導入して、レギュレータにより圧力調整した燃料ガスを燃料電池に供給するものであるが、この場合にレギュレータの流量特性を所定に設定することにより燃料電池における極間差圧を適切に低減するものである。以下では、燃料電池システムを搭載した機器として代表される燃料電池車両に好適な燃料電池として、固体高分子電解質型の燃料電池を例に説明する。
【００２５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、酸化ガスとしての酸素ガス（空気）および燃料ガスとしての水素ガスの供給を受けて電力を発生する固体高分子電解質型の燃料電池２と、燃料電池２に酸素ガスを供給する酸素ガス供給系３と、燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給系４と、これら各供給系の構成部品などシステム全体を統括制御する制御装置（ＥＣＵ）と、を備えている。燃料電池２は、基本単位となる単セルを多数積層したスタック構造として構成されている。単セルは、いずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極（アノードおよびカソード）と、で構成されている。
【００２６】
カソードには、酸素ガス供給系３により所定の圧力の酸素ガスが供給され、アノードには、水素ガス供給系４により所定の圧力の水素ガスが供給される。後述するように、カソード側の酸素ガスの圧力とアノード側の水素ガスの圧力との圧力差（極間差圧）は、燃料電池２の負荷（発電量）に関らず過大とならないように低く設定されている。燃料電池２では、酸素ガスと水素ガスとの電気化学反応により発電が行われ、燃料電池２による発電を利用して、燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両は走行する。
【００２７】
酸素ガス供給系３は、酸素ガスを燃料電池２に供給するための供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸素オフガスを外部に排出するための排出流路１２と、酸素ガスの圧力を後述するレギュレータ４０に導く圧力調整系１３と、を備えている。供給流路１１には、フィルタ１５を介して大気中の酸素ガスを取り込むコンプレッサ１６と、コンプレッサ１６の下流側に設けられ、コンプレッサ１６により圧送される酸素ガスを加湿する加湿器１７と、が配設されている。
【００２８】
加湿器１７は、排出流路１２上にも配設されており、浄化済みの酸素ガスと酸素オフガスとの間で水分交換を行う。加湿器１７と燃料電池２との間の排出流路１２には、酸素オフガスの流量を調整することにより燃料電池２内の酸素ガスの圧力を調整する背圧調整弁１８が配設されている。背圧調整弁１８の開度は、燃料電池２の負荷に応じて制御装置により調整される。
【００２９】
コンプレッサ１６は、制御装置に接続されたモータを有しており、燃料電池２の負荷に応じてモータの回転数が制御される。例えば、燃料電池２が燃料電池車両の始動時等の低負荷から加速時等の高負荷に移行すると、コンプレッサ１６は、モータの回転数が上がり燃料電池２への酸素ガスの供給量を増加させる。このとき、図３にて酸素ガスの流量に対するコンプレッサ１６の吐出特性曲線Ｌ２に示すように、コンプレッサ１６の吐出圧力（燃料電池２の酸素ガスの入口圧力）は、酸素ガスの流量の増加に伴い徐々に上昇する。
【００３０】
圧力調整系１３は、加湿器１７の上流側にて供給流路１１に分岐接続された分岐流路２１を有し、分岐流路２１は、コンプレッサ１６によって圧送される酸素ガスをレギュレータ４０および希釈器３６に導く。分岐流路２１が加湿器１７の上流側の供給流路１１から分岐されているため、加湿器１７の下流側にて分岐される場合に比べて、レギュレータ４０の腐食が好適に抑制される。分岐流路２１には、酸素ガスの圧力を調圧する上流側制御弁２２と、上流側制御弁２２の下流側に設けられ、酸素ガスを一時的に貯留するアキュムレータ２３（バッファタンク）と、アキュムレータ２３の下流側に設けられ、酸素ガスの圧力を調圧する下流側制御弁２４と、が配設されている。
【００３１】
アキュムレータ２３は、上流側制御弁２２で調圧された酸素ガスの圧力を安定させる。アキュムレータ２３に貯留された酸素ガスの圧力は、大気圧よりも高い圧力になっている。上流側制御弁２２および下流側制御弁２４は、弁の開度を制御される調圧弁からなり、例えば機械式のレギュレータで構成されている。アキュムレータ２３と下流側制御弁２４との間の分岐流路２１には、アキュムレータ２３で安定化された酸素ガスの圧力を信号圧としてレギュレータ４０に導入するための圧導入流路２５が分岐接続されている。後述するように、レギュレータ４０は、この酸素ガスの圧力などに基づいて、燃料電池２に供給する水素ガスの圧力を調整する。
【００３２】
水素ガス供給系４は、高圧の水素ガスを貯蔵した高圧タンクなどの水素供給源３１と、水素供給源３１の水素ガスを燃料電池２に供給する供給流路３２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（未反応の水素ガス）を供給流路３２に戻すための循環流路３３と、循環流路３３の水素オフガスを供給流路３２に還流させる水素ポンプ３４と、水素ポンプ３４の下流側の循環流路３３に設けられ、水素オフガスの逆流を阻止する逆止め弁３５と、循環流路３３に分岐配管され、水素オフガス中の不純物を水素オフガスとともに希釈器３６に導く排出流路３７と、を有している。
【００３３】
水素ポンプ３４は、燃料電池２の負荷に応じて制御装置により駆動制御される。循環流路３３は、供給流路３２の合流点Ａに接続されており、合流点Ａで合流した新たな水素ガスと水素オフガスとからなる混合ガスが燃料電池２に供給される。排出流路３７には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁３８が設けられている。制御装置により開閉制御されるパージ弁３８が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガスが排出流路３７を通って希釈器３６に導かれる。希釈器３６では、この水素オフガスの濃度を分岐流路２１からの酸素ガスを用いて低減する。希釈器３６で処理された排ガスは、排気路３９を通って最終的に排出流路１２の酸素オフガスと合流してシステム外の大気中に排気される。
【００３４】
供給流路３２の合流点Ａの上流側には、燃料電池２に供給される水素ガスの圧力を調整する上記のレギュレータ４０が配設されている。図示省略したが、供給流路３２のレギュレータ４０の上流側には、水素供給源３１からの水素ガスの圧力を減圧する複数のレギュレータのほか、シャットバルブや各種の圧力センサが配設されている。すなわち、本実施形態は、複数のレギュレータで減圧された水素ガスが図中のレギュレータ４０に流入し、レギュレータ４０を通過した水素ガスが水素オフガスと合流して燃料電池２に供給されるものであり、レギュレータ４０によって燃料電池２の水素ガスの入口圧力が調整される。
【００３５】
レギュレータ４０は、例えば図２に示すようなポペット型で構成することができる。図２に示すように、レギュレータ４０は、その外殻をハウジング５１により構成され、ハウジング５１には、水素ガスの供給流路３２に接続された１次側の流入口５２および２次側の流出口５３と、酸素ガスの圧導入流路２５に接続された導入口５４と、が形成されている。
【００３６】
ハウジング５１の内部空間は、弁体５５が連結されたダイヤフラム５６によって上下に仕切られており、これらよりも上側の空間は水素ガスが１次側から２次側へと流通可能な流路として構成され、下側の空間は酸素ガスが導入口５４から導入される調圧室５７として構成されている。弁体５５およびダイヤフラム５６の上面には、水素ガスの２次側圧力が作用し、弁体５５およびダイヤフラム５６の下面には、調圧室５７に導入された酸素ガスの圧力が作用する。レギュレータ４０は、圧力調整系１３の酸素ガスを調圧室５７に導入することにより、２次側圧力である燃料電池２の水素ガスの入口圧力を調整する。
【００３７】
調圧室５７には、弁体５５を開弁方向（上方向）に付勢する調圧スプリング５８が配設されている。調圧スプリング５８は、そのバネ定数などの性状が所定に設定されている。弁体５５には、ステム５９を介してポペット６０が設けられており、ポペット６０の側面はハウジング５１に設けた弁座６１に離接可能に構成されている。ポペット６０が弁座６１から離間する弁体５５が開いた状態では、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、ポペット６０が弁座６１に当接する弁体５５が閉じた状態では、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。
【００３８】
ポペット６０の上面とハウジング５１との間には、ポペット６０を介して弁体５５を閉弁方向（下方向）に付勢する調圧バネ６２（付勢部材）が配設されている。調圧バネ６２は、調圧スプリング５８およびステム５９と同軸に配設され、調圧スプリング５８と同様にバネ定数などの性状が所定に設定されている。このような構成により、レギュレータ４０は、弁体５５およびダイヤフラム５６に作用する酸素ガスの圧力および水素ガスの２次側圧力と、調圧スプリング５８および調圧バネ６２の付勢力とに応じて、弁体５５の開度（ポペット６０の位置）が調整されることにより、水素ガスの２次側圧力を調整する。
【００３９】
上記したように、レギュレータ４０の調圧室５７は、基準圧となる大気圧よりも高い加圧された酸素ガスの圧力を導入されるものであるが、この酸素ガスが導入されない大気圧状態（基準圧状態）では、弁体５５の開弁特性が、次の規定を満たすように設定されている。すなわち、本実施形態のレギュレータ４０は、調圧室５７が大気圧状態では、燃料電池２への水素ガスの供給流量域に弁体５５が閉じて流量ゼロとなる領域が存在するように、弁体５５の開弁特性が設定される。
【００４０】
この点について、レギュレータ４０の開弁特性（すなわち流量に対する２次側圧力特性）を主として示す図３および図４を参照して詳述するが、弁体５５の開弁特性を設定する要素には、例えば、弁体５５やダイヤフラム５６の受圧面積、形状、剛性などの材料特性に代表されるこれらの性状のほか、調圧スプリング５８や調圧バネ６２の形状、材料特性、バネ定数に代表されるこれらの性状などが含まれる。すなわち、これらの受圧面積、形状、材料特性、バネ定数の少なくとも一つから選ばれる性状を変更することで、弁体５５の開弁特性を設定することが可能となる。
【００４１】
図３および図４の曲線Ｌ１は、調圧室５７が大気圧状態である場合における水素ガスの流量に対するレギュレータ４０の流量特性を示している。レギュレータ４０における２次側設定圧力は、一般に水素ガスの流量増加に伴い圧力降下するものであるが、この圧力降下した２次側圧力が、水素ガスの流量に対する燃料電池２の水素ガスの入口圧力となる。大気圧状態の調圧室５７で、水素ガスの供給流量域の全範囲において２次側への水素ガスの流れを許容するためには、図４の曲線Ｌ１に示すように、レギュレータ４０の２次側圧力が大気圧Ｐよりも高くなるように、弁体５５の開弁特性を設定する必要がある。
【００４２】
これに対し、本実施形態のレギュレータ４０は、図４の曲線Ｌ１から全体としてその特性を下げた図３に示す曲線Ｌ１の流量特性を有している。この流量特性を有するレギュレータ４０は、２次側圧力が２次側への水素ガスの流れを許容する正圧の範囲と、水素ガスの流量増加に伴い圧力降下した２次側圧力が２次側への水素ガスの流れを遮断する負圧の範囲とを含むように、弁体５５の開弁特性を設定されている。したがって、このレギュレータ４０は、調圧室５７が大気圧状態で仮に使用されると、流量Ｆまでしか水素ガスの流れを許容せず、流量Ｆ以降では弁体５５が閉じて水素ガスの流れを遮断する。
【００４３】
図３の曲線Ｌ３は、本実施形態のレギュレータ４０の合成流量特性を示している。すなわち、曲線Ｌ３は、図３の曲線Ｌ１の流量特性を有するレギュレータ４０の調圧室５７に、図３の曲線Ｌ２の吐出特性を有するコンプレッサ１６からの酸素ガスを導入した場合に、レギュレータ４０により最終的に調整される２次側圧力を示している。この曲線Ｌ３に示すように、レギュレータ４０は、流量Ｆ以降でも水素ガスの流れを許容するため、水素ガスの供給流量域の全範囲で２次側への水素ガスの流れを許容し且つその水素ガスの２次側圧力を調整する。また曲線Ｌ３に示すように、本実施形態のレギュレータ４０は、水素ガスの流量増加に伴い水素ガスの２次側圧力が大きくなるように、弁体５５の開弁特性に設定されている。
【００４４】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、調圧室５７に酸素ガスを導入しない大気圧状態で、供給流量域に水素ガスの流量がゼロとなる領域が存在するようにレギュレータ４０の流量特性を敢えて設定している。この結果、大気圧状態で供給流量域の全範囲において水素ガスの流れを確保する流量特性に設定する場合（図４の場合）に比べて、実際に調圧室５７に酸素ガスの圧力を導入した状態で上昇するレギュレータ４０の２次側圧力の上昇幅を小さくすることができる。
【００４５】
これにより、低負荷での極間差圧を適切に低減することができると共に、高負荷での水素ガスの流量を適切に確保することができる。また、流量増加に伴う水素ガスの２次側圧力（燃料電池２の水素ガスの入口圧力）の変化が、流量増加に伴う燃料電池２の酸素ガスの入口圧力の変化の傾きに対応するため、供給流量域の広い範囲に亘って極間差圧を適切に低減することができる。
【００４６】
さらに、本実施形態のレギュレータ４０は、小流量域（図３の流量Ｆより小さい流量域）で２次側圧力が２次側への水素ガスの流れを許容する正圧の範囲に設定されているため、酸素ガスが調圧室５７に迅速に導入され難い燃料電池システム１の始動時に、レギュレータ４０は水素ガスの２次側への流れを許容することができる。これにより、燃料電池システム１の始動性を高めることが可能となる。この場合に、レギュレータ４０の２次側設定圧力は、燃料電池システム１の始動性を確保できる程度に正圧の範囲に設定されていればよいが、レギュレータ４０の１次側圧力の変化を考慮して設定されることが好ましい。
【００４７】
例えば、流量ゼロとなる領域に移行するポイント（図３の流量Ｆ）が、供給流量域のうち最大の供給流量の少なくとも半分以下の流量域に存在するように、弁体５５の開弁特性を設定すればよい。これにより、水素ガスの供給流量等に応じて変化し得る１次側圧力に適切に対応することができる。
【００４８】
なお、レギュレータ４０の全流量域において２次側圧力を負圧の範囲にすることもでき、このように設定した場合には、レギュレータ４０は、調圧室５７の大気圧状態では供給流量域の全範囲において２次側への水素ガスの流れを遮断することになる。この場合には、燃料電池システム１の始動時に、燃料電池２への酸素ガスの供給に遅れて水素ガスの供給を開始すればよい。
【００４９】
なおまた、調圧室５７に導入するガスとして、コンプレッサ１６で加圧された酸化ガスとしたが、別の加圧源（エアポンプ）で加圧されたエアなど、例えば大気圧である基準圧より高い加圧されたガスであればよい。もっとも、本実施形態のように、コンプレッサ１６で加圧された酸化ガスを利用することで、極間差圧を好適に低減することができる。
【００５０】
ところで、燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両は、さまざまな使用環境で走行するものであるが、例えば高地において走行する場合にも上記の燃料電池システム１は有用である。高地では大気圧が所定圧（１０〜２０ｋＰａ）程度低くなるが、本実施形態では、上記のようにコンプレッサ１６で取り込んだ酸素ガスが上流側制御弁２２やアキュムレータ２３などで調整された圧力としてレギュレータ４０に導入されるため、本実施形態のレギュレータ４０は大気圧の変化に影響されない。したがって、燃料電池車両が高地において走行する場合にあっても、燃料電池２に供給する水素ガスの圧力をレギュレータ４０によって安定して設定することができる。また、上流側制御弁２２および下流側制御弁２４を制御装置により開度制御される電磁弁で構成した場合には、大気圧センサ（高地センサ）の出力に基づいて、上流側制御弁２２および下流側制御弁２４の開度をそれぞれ調整してもよい。
【００５１】
本実施形態は、好ましくはレギュレータ４０の調圧室５７に酸化ガスの一部を導入することにより、単セルのアノード側とカソード側の圧力差（極間差圧）を低減することを前提にするものである。しかしながら、加圧された酸化ガスを調圧室５７に直接導入すると、逆に極間差圧が大きくなる（図４参照）。そこで、これに対処するため、本実施形態ではレギュレータ４０の開弁特性を予め基準圧状態（好ましくは加圧された酸化ガスが導入されない圧力状態又は大気圧状態）下で加圧された酸化ガスが導入されることを見越して設定するものである。
【００５２】
具体的には、レギュレータ４０の開弁特性において、基準圧状態下でガスの供給領域とガスの供給流量がゼロとなる供給制限領域とが存在するように設定される。これは別の見方をすれば、レギュレータ４０の二次側圧力の特性が基準圧状態下で基準圧に対して高い領域と低い領域とを有する特性である。好ましくは、レギュレータ４０の二次側圧力の特性が、ガス小流量の領域（図３のＦより小さい流量領域）では基準圧より高く設定され、ガス大流量の領域（図３のＦより大きい流量領域）では基準圧より低く設定される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図２】実施形態に係るレギュレータの構成を示す断面図である。
【図３】実施形態に係る燃料電池システムにおけるレギュレータの流量特性について示すグラフである。
【図４】従来の燃料電池システムにおけるレギュレータの流量特性について示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１  燃料電池システム、２  燃料電池、３  酸素ガス供給系、４  水素ガス供給系、１３  圧力調整系、１６  コンプレッサ、１７  加湿器、２５  圧導入流路、３２  供給流路、４０  レギュレータ、５７  調圧室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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