(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力レベルが高い燃料源から来入する水素等の気体状燃料を消費体に送出するための装置であって、
バルブ部材と、このバルブ部材にばね押圧力を及ぼすためのばねとを有し、前記燃料を前記高圧レベルから低下させてそれよりも低い圧力レベルに調整することができる少なくとも一つの機械式圧力調整バルブと、
前記低圧の燃料を受け入れることができる入口と出口とを持つ制御バルブと、
前記制御バルブの前記出口を前記消費体に連結できる供給ラインとを備え、前記制御バルブは、前記燃料源から前記消費体に供給される燃料の質量の流れを決定することができ、前記制御バルブの前記出口での低い圧力が、前記消費体の出力の変化に従って変化するようになっており、
前記装置は、また、
前記制御バルブの前記出口の前記低い圧力、この低い圧力と比例する値、及び前記低い圧力と対応する値のうちの一つを前記機械式圧力調整バルブに伝達し、前記機械式圧力調整バルブのバルブ部材に作用する前記ばね押圧力を補助する制御ラインを備えた、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、消費体と組み合わせられる、装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置において、前記消費体は燃料電池スタックである、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、
前記圧力調整バルブは、前記バルブ部材と協働して前記圧力調整バルブの自由流れ断面を決定する、対応する部材を有する、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、前記対応する部材は弁座である、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、
前記消費体は、アノード側及びカソード側を持つ燃料電池スタックであり、前記供給ラインは、前記気体状燃料を前記アノード側に供給することができ、前記燃料電池スタックは、作動時にアノード排気ガスを発生し、前記アノード側を離れるアノード排気ガス用のアノード出口ラインが設けられており、前記アノード排気ガスは、前記燃料電池スタックで消費されなかった気体状燃料を含み、アノード排気ガスを前記燃料電池スタックの前記アノード側から連続的に又は不連続に排出するため、アノード排気バルブが、前記アノード出口ラインに連結されており、前記供給ライン、前記燃料電池スタックの前記アノード側、及び前記アノード出口ラインが流路を形成しており、前記制御ラインが前記流路から前記機械式圧力調整バルブまで延びている、装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置において、
さらに、前記アノード排気バルブの上流の前記アノード出口ラインから前記制御バルブの下流の前記供給ラインまで延びる戻しラインと、
前記アノード排気ガスの少なくとも一部を前記燃料電池スタックの前記アノード側に戻すために前記戻しラインに設けられた戻しポンプとを備えた、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、
前記制御ラインは、前記制御バルブの下流側の直ぐ近くで前記制御バルブ及び前記供給ラインのうちの一方から分岐している、装置。
【請求項９】
請求項６に記載の装置において、
前記制御ラインは前記アノード排気ガスバルブの上流で前記アノード排気ガスラインから分岐する、装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の装置において、
前記制御ラインは、前記ポンプの上流及び下流のうちの一方に配置された位置で前記戻しラインから分岐する、装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置において、
前記消費体は、アノード側及びカソード側を持つ燃料電池スタックであり、
前記供給ラインは、前記気体状燃料を前記アノード側に供給できるようになっており、
前記燃料電池スタックは、作動時にアノード排気ガスを発生し、
前記アノード側を離れるアノード排気ガス用のアノード出口ラインが設けられており、
前記アノード排気ガスは、前記燃料電池スタックで消費されなかった気体状燃料を含み、
アノード排気ガスを前記燃料電池スタックの前記アノード側から連続的に又は不連続に排出するため、アノード排気バルブが、アノード出口ラインに連結されており、
前記燃料電池スタックは、更に、酸素及び空気のうちの一方用の圧力源からの供給ラインと、カソード側で発生するカソード排気ガス用の、即ち未消費の酸素又は大気中の酸素用のカソード排気ガスラインとを有し、
前記供給ライン、前記燃料電池スタックの前記カソード側、及び前記カソード排気ガスラインが、カソード流路を形成し、
前記カソード流路は分岐点を有し、
前記制御ラインは、前記バルブ押圧力を補助するため、前記カソード流路から前記分岐点で分岐し、前記機械式圧力調整バルブまで延びており、
前記制御ラインの前記分岐点は、前記アノード側での圧力変化と前記カソード側での圧力変化との間で位相を少なくとも実質的に一致させるため、前記燃料電池スタックの前記カソード側に選択される、装置。
【請求項１２】
燃料電池システムであって、
複数の燃料電池を含み、アノード入口及びアノード出口を持つアノード側と、カソード入口及びカソード出口を持つカソード側とを有する燃料電池スタックと、
酸素及び空気のうちの一方を前記カソード入口を介して前記燃料電池スタックの前記カソード側に送出するために前記カソード側に設けられた酸素又は空気のうちの一方の源と、
前記燃料電池スタックの前記アノード側に燃料を比較的高い圧力レベルで送出することができる気体状燃料源と、
前記気体状燃料源から前記アノード入口まで延びる供給ラインと、
前記供給ラインに設けられた少なくとも一つの機械式圧力調整バルブとを備え、前記機械式圧力調整バルブは、バルブ部材と、このバルブ部材にばね押圧力を及ぼすためのばねとを有し、前記燃料を前記比較的高い圧力レベルから低下させて比較的低い圧力レベルに調整することができ、
前記燃料電池システムは、また、
前記機械式圧力調整バルブの下流に配置されており、前記気体状燃料源から前記燃料電池スタックのアノード側に供給される燃料の質量の流れを決定することができる制御バルブと、
前記燃料電池スタックの前記アノード出口に連結されたアノード出口バルブと、
前記制御バルブと前記燃料電池スタックの前記アノード側の前記アノード排気ガスバルブとの間の点、及び、前記燃料電池スタックの前記カソード側の、酸素及び空気のうちの一方の前記源の下流側の点のうちの一方から、前記機械式圧力調整バルブまで延び、前記ばね押圧力を補助するため、前記機械式圧力調整バルブに連結されている制御ラインとを備えた、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノード出口バルブの上流の点から前記制御バルブの下流の点まで延びる戻しラインが設けられており、
前記戻しラインは、ポンプを含み、戻し流路を形成しており、
前記制御ラインが、前記戻し流路から前記機械式圧力調整バルブまで延びている、燃料電池システム。
【請求項１４】
比較的高い圧力レベルで燃料源から来入する気体状燃料を消費体に送出するための方法であって、
バルブ部材と、このバルブ部材にばね押圧力を及ぼすためのばねとを有する機械的圧力調整バルブが設けられており、前記機械的圧力調整バルブは、前記燃料を、前記高圧レベルから低下させて比較的低い圧力レベルに調整することができ、
また、前記低圧の燃料を供給圧力として受け入れ、別の圧力の燃料を供給ラインを介して前記消費体に供給するための制御バルブが、設けられており、前記制御バルブは、前記消費体に供給される燃料の質量の流れを決定し、前記制御バルブの消費体側の前記別の圧力が、前記消費体の出力の変化に従って変化し、
前記方法は、前記制御バルブの消費体側の前記別の圧力、前記別の圧力と比例した値、及び前記別の圧力と対応する値のうちの一つを、前記機械的圧力調整バルブに伝え、前記機械的圧力調整バルブの前記バルブ部材に作用する前記ばねの押圧力を補助する、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、前記消費体は燃料電池スタックを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法において、前記気体状燃料は水素を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的高い圧力レベルの燃料源から来入する例えば水素等の気体状燃料を、消費体、詳細には燃料電池スタックに送出するための送出システムに関する。この送出システムは、少なくとも一つの機械的圧力調整バルブを含む。この機械的圧力調整バルブは、ばねによって押圧されたバルブ部材を有し、燃料を、比較的高い圧力レベルから低下させて制御バルブへの供給圧力として役立つ比較的低い圧力レベルに調整するように構成されている。制御バルブは、供給ラインを介して消費体に連結でき、燃料源から来入し且つ消費体に供給される燃料の質量の流れを決定する。負荷バルブの消費体側の圧力が、消費体の出力変化に従って変化する。本発明は、更に、燃料電池システムに関し、更に気体状燃料を送出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の用途についての別態様の駆動の概念の開発において、電気化学的エネルギ変換装置である低温燃料電池システムと関連した電気的推進が、特に増加している。これに関し、燃料の選択が、燃料電池システムの複雑さに重大な影響を及ぼす。例えばメタノールやガソリン等の有機燃料を使用する場合には、燃料を改質して水素分が多いガスを形成する必要があるため、システムの複雑さが大きくなる。
【０００３】
下文において、水素を専ら気体状燃料と呼ぶ。しかしながら、本発明は、気体状燃料として水素を使用することに限定されず、むしろ、原理的には、任意の所望の気体状燃料を、使用される燃料について必要条件が変化する任意の所望の消費体に供給することに関する。
【０００４】
本発明を更に詳細に説明するため、燃料電池システムは、水素タンクから圧縮水素が供給されるものと考えられる。水素ガスは、負荷状態に応じて燃料電池スタックのアノード側に供給される。酸素又は不純物が混じった酸素（空気）が、負荷に応じて燃料電池スタックのカソード側に供給される。所望の負荷値は、本質的には、運転者によって選択されるような車輛全体から要求された性能（加速、制動、等）と、燃料電池システムでの電気負荷の出力要件とによって決定される。
【０００５】
この種の燃料電池システムでは、水素ガスの圧力を、タンク内の高い圧力レベルから、タンクの出口での燃料電池システム用の低い圧力レベルまで制限することが必要である。低い圧力レベルは、単一の絶対圧力点ではなく、むしろ、所定範囲の低レベルの圧力である。
【０００６】
これまで、気体状燃料を送出するための周知の送出システムは、機械的に作動する少なくとも一つの圧力調整バルブ及び制御バルブが、比較的高い圧力レベルの気体状燃料源と燃料電池システムとの間に直列に連結されるように構成されてきた。機械的に作動する圧力調整バルブの役割は、これまで、一定の供給圧力を発生することであった。そして、制御バルブは、燃料電池スタック供給される燃料の質量の流れを制御するため、要求負荷に従って制御されていた。
【０００７】
制御バルブは、機械的圧力調整バルブの一定の供給圧力と、当該制御バルブの燃料電池側のこれよりも低い圧力との間の全圧力範囲を取り扱うように設計しなければならなかった。これにより、制御バルブの品質及びその応答性に高い要求が置かれる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主な目的は、制御バルブに対する要求が小さいように、冒頭に記載した種類の送出システム、燃料電池システム、及び気体状燃料を送出する方法を設計し、これにより、適切な価格の制御バルブを使用でき、それにも拘わらず、送出された燃料の質量の流れを高品質で制御できることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を満たすため、比較的高い圧力レベル（Ｐ３）を有する燃料源から来入する水素等の気体状燃料を消費体に送出するための装置が提供される。この装置は、バルブ部材及びこのバルブ部材にばね押圧力を及ぼすためのばねを持つ少なくとも一つの機械式圧力調整バルブを含む。前記圧力調整バルブは、燃料を、前記比較的高い圧力レベル（Ｐ３）から低下させて比較的低い圧力レベル（Ｐ２）まで調整するようになっている。本装置は、前記低い圧力（Ｐ２）の燃料を受け入れるようになった入口と、出口とを持つ制御バルブと、この制御バルブの前記出口を前記消費体に連結するようになった供給ラインとを含む。制御バルブは、前記燃料源から前記消費体に供給された燃料の質量の流れを決定するようになっており、前記制御バルブの前記出口は低圧（Ｐ１）であり、この低圧（Ｐ１）は、前記消費体の出力変化に従って変化する。また、前記制御バルブの前記出口の前記低圧（Ｐ１）、この低圧と比例した値、及び前記低圧と対応する値のうちの一つを前記機械式圧力調整バルブに伝えるための制御ラインが設けられており、これによって、機械式圧力調整バルブのバルブ部材に作用する前記ばね押圧力を補助する。
【００１０】
更に、この目的を満たすため、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、
複数の燃料電池を含み、アノード入口及びアノード出口を持つアノード側と、カソード入口及びカソード出口を持つカソード側とを有する燃料電池スタックと、
酸素及び空気のうちの一方を前記カソード入口を介して前記燃料電池スタックの前記カソード側に送出するために前記カソード側に設けられた酸素及び空気のうちの一方の源と、
前記燃料電池スタックの前記アノード側に気体状燃料を比較的高い圧力レベルで送出できる気体状燃料源と、
前記気体状燃料源から前記アノード入口まで延びる供給ラインと、
バルブ部材と、このバルブ部材にばね押圧力を及ぼすばねとを有し、前記燃料を前記比較的高い圧力レベルから低下させて比較的低い圧力レベルに調整することができる、前記供給ラインに設けられた少なくとも一つの機械式圧力調整バルブと、
前記機械式圧力調整バルブの下流に配置されており、前記気体状燃料源から前記燃料電池スタックのアノード側に供給される燃料の質量の流れを決定することができる制御バルブと、
前記燃料電池スタックの前記アノード出口に連結されたアノード出口バルブと、
前記制御バルブと前記燃料電池スタックの前記アノード側の前記アノード排気ガスバルブとの間の点、及び、前記燃料電池スタックの前記カソード側の、酸素及び空気のうちの一方の前記源の下流の点のうちの一方から、前記機械式圧力調整バルブまで延び、前記ばね押圧力を補助するため、前記機械式圧力調整バルブに連結されている制御ラインとを備える。
【００１１】
更に、比較的高い圧力レベルで燃料源から来入する気体状燃料を消費体に送出するための方法において、バルブ部材及びこのバルブ部材にばね押圧力を及ぼすためのばねを有する機械的圧力調整バルブが設けられており、この機械的圧力調整バルブは、前記燃料を前記高圧レベルから低下させて比較的低い圧力レベルに調整するようになっており、前記低圧の燃料を供給圧力として受け入れ、別の圧力の燃料を供給ラインを介して前記消費体に供給するための制御バルブが、前記消費体に供給される燃料の質量の流れを決定し、前記制御バルブの消費体側の前記別の圧力が、前記消費体の出力の変化に従って変化し、
前記方法は、前記制御バルブの消費体側の前記別の圧力、前記別の圧力と比例した値、及び前記別の圧力と対応する値のうちの一つを、前記機械的圧力調整バルブに伝え、前記機械的圧力調整バルブの前記バルブ部材に作用する前記ばねの押圧力を補助する、方法が提供される。
【００１２】
本発明に従って採られた方法により、機械式圧力調整バルブの出口での圧力は、制御バルブの下流の圧力変化に従って同方向に変化し、これによって、制御バルブの入口側と制御バルブの出口側との間の圧力差が小さくなる。このように、機械式圧力調整バルブと消費体即ち燃料電池スタックとの間に配置された、必要量の気体状燃料を負荷と独立して設定する制御バルブに対する要求が小さくなる。
【００１３】
制御バルブの出口側の実際の圧力を機械式圧力調整バルブに戻すことは制御ラインにとってそれ程重要ではなく、むしろ、制御バルブの出口での圧力レベルにしたがって作用する（即ち、制御バルブの出口の圧力レベルと同じ方向の、好ましくはこの圧力と比例した変化に従って変化する）制御圧力として圧力を機械式圧力調整バルブに加えるので十分である。機械式圧力調整バルブの出口圧力は、機械式圧力調整バルブのバルブ部材を追加の圧力に従って押圧することにより有効領域を特別に設計することによって、制御バルブの出口側の出口圧力に対して必要とされるように適合できる。従って、制御ラインは、燃料電池スタックのアノード側の（例えば、制御バルブ自体の出口の）、制御バルブと燃料電池のアノード入口との間のラインの任意の所望の点から分岐でき、燃料電池スタックのアノード側の分配通路から分岐でき、又は燃料電池スタックのアノード出口から排出バルブまで延びる出口ラインから分岐でき、確かに、燃料電池スタックのアノード出口とアノード入口との間に戻し流路が設けられている場合、このような戻し流路内の所定の点から分岐できる。
【００１４】
燃料電池システムのカソード側への酸素供給が、同様に、負荷に従って制御されるため、制御ラインもまた、空気コンプレッサーの下流の燃料電池スタックのカソード側の所定の点から分岐できる。空気コンプレッサーは、通常設置されており、燃料電池スタックのアノード側での圧力変化と同期して圧力変化が生じる位置で分岐している場合、燃料電池スタック用酸素源として作用する。
【００１５】
本発明を、その実施例及び一つの図面を参照して以下に更に詳細に説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
参照番号１０は、燃料電池スタック１２の形態の消費体を含む燃料電池システムを示す。燃料電池スタック１２は、全体を参照番号１４で概略に示す複数の個々の燃料電池（フューエルセル）を含む。燃料電池スタック１２は、アノード入口１８及びアノード出口２０を含むアノード側１６と、カソード入口２４及びカソード出口２６を含むカソード側２２とを有する。
【００１７】
個々の燃料電池１４の各々は、それ自体周知の方法で、アノード、カソード、これらの間の膜（図示せず）を有し、いわゆるＭＥＡ（膜電極アッセンブリ）の各々が、二枚のいわゆるバイポーラプレート（図示せず）間に膜に設けられたアノード及びカソードを備えた状態となっている。酸素又は大気中の酸素用の流れ通路が、一方のバイポーラプレートとカソードとの間に設けられており、同様に、水素をアノードに供給するのに役立つ流れ通路が、他方のバイポーラプレートとアノードとの間に設けられている。
【００１８】
燃料電池のアノード側の流れ通路は、全ての燃料電池に燃料をアノード入口１８を通して同時に供給できるように、また、余分の水素や燃料電池の他の排気ガス（例えば、水蒸気の形態の水と、カソード側に送出された大気中の酸素からの窒素）を、アノード出口２０のところで燃料電池スタックの外にライン５５を介して導き出すことができるように、互いに連結されている。互いに連結された燃料電池のアノードを通る流れは、添付図面において、ライン２８で概略に示してある。同様に、燃料電池のカソード側の流れ通路は互いに連結され、カソード入口２４からカソード出口までの流路３０を燃料電池スタック１２に形成する。カソード側２２で発生する排気ガスは、ライン２５を介して大気中に排出できる。個々の燃料電池１４のバイポーラプレートは、互いに直列に又は並列に接続されている。作動したとき、二つの出力端子３２及び３４のところに電圧が発生する。この電圧は、ここに図示していない装置用の電源として（例えば、燃料電池システムを組み込んだモータ車輛の推進用の電源として、あるいは、燃料電池システムの作動に必要な他のユニットの駆動用の電源として）利用できる。
【００１９】
燃料電池スタックの構造又はその内部に収容された燃料電池の構造は様々な文献から周知であり、燃料電池スタックの具体的な構造についてここで更に詳細に説明する必要はない。
【００２０】
燃料電池スタック１２のアノード側１６に、気体状燃料を供給しなければならないということが重要である。水素を使用する場合、水素は、水素タンク３６の形態の源から取り出すことができる。更に詳細には、水素は、水素タンク３６から、機械式圧力調整バルブ３８を介して、また、ソレノイド作動式切替えバルブ４０及び手動式遮断バルブ４２を介して、制御バルブ４４に来入する。この制御バルブ４４は、ライン４６を介して、燃料電池スタック１２のアノード入口１８に新鮮な水素を供給する。
【００２１】
作動に当たっては、必要な質量の流れの新鮮な水素を燃料電池スタック１２のアノード側に供給するため、バルブ４０及び４２を開放した状態で、自走車（自動車などの自動(推進)車両やモータ車輛）の運転者が必要とする動力に従って、制御バルブ４４は制御装置４８によって制御される。
【００２２】
制御装置４８は、制御バルブ４４を負荷に応じて制御すると同時に、電動モータ５０を制御する。この電動モータは、コンプレッサー５２を駆動して大気中の酸素をライン５４及びカソード入口２４を介して燃料電池スタック１２のカソード側２２に供給する。
【００２３】
燃料電池スタック１２では、供給された水素によって送出された陽子が、個々の燃料電池のアノード側１６から膜を通ってカソード側２２まで移動し、水を形成するために設けられた触媒に供給された大気中の酸素と反応する。この反応によりバイポーラプレートのところに電位が発生し、これらの電位を合わせ、端子３２及び３４のところで取り出すことができる出力を形成する。
【００２４】
個々の燃料電池での電気化学的反応中、窒素分子がカソード側からアノード側に拡散し、未消費の水素及び水蒸気とともにアノード出口２０を通ってアノード側１６を離れる。アノード排気ガスは、アノード排気バルブ５６を介して連続的に排出できる。これらのアノード排気ガスは、次いで、通常、熱を回収するため、ライン５７を介して触媒バーナー（図示せず）に供給され、熱を発生するために大気中の酸素とそこで反応する。バーナーを出た後の窒素及び水蒸気を含む排気ガスは留まることなく大気中に排出できる。しかしながら、アノード排気バルブ５６は、排気ガスを燃料電池スタック１２から時々排出するため（例えば、燃料電池スタック１２のアノード側の窒素濃度が、燃料電池スタックの効率的作動を妨げるレベルまで上昇した場合に排出するため）、不連続に開放することもできる。しかしながら、アノード排気ガスを燃料電池スタック１２のカソード側２２に供給することも周知である。その結果、水素成分がカソード側で酸素と直接反応して水を形成し、このような方法で消散できる。本発明は、このようなシステムでも使用できる。
【００２５】
しかしながら、アノード出口２０とアノード入口１８との間に戻しラインを設ける場合もあり、その場合、流れを維持するため、戻し側のガスの圧力レベルをアノード入口１８でのガスの圧力レベルと適合させるポンプ６０が設けられる。このような戻し流れを使用する場合、アノード排気ガスの一部を、アノード排気バルブ５６及びライン５７を介して連続的に又は不連続に排出することができる。
【００２６】
添付図面では、水素タンク３６、機械式圧力調整バルブ３８、ソレノイド作動式切替えバルブ４０、及び手動式遮断バルブ４２が枠６２で囲って示してある。というのは、この部分が、それ自体公知の専門の供給者によって供給されることが多いためである。
【００２７】
機械式圧力調整バルブ３８は、水素タンク３６内の比較的高い圧力レベルＰ３（例えば３５０ｂａｒ程度）を調整し、例えば１ｂａｒを幾分上回る低い圧力レベルＰ２まで低下させるのに役立つ。
【００２８】
この種の機械式圧力調整バルブでは、ピストンに力を及ぼすばね６６に、調節ねじ６４によって、予め応力が与えられている（すなわち、プレストレス（予備応力）が及ぼされている）。ピストンは、この場合、例えばバルブ部材を駆動する。このバルブ部材は、機械式圧力調整バルブ内の対応する部材即ち弁座（図示せず）と協働し、実際の調整機能を及ぼす。このような機械式圧力調整バルブは、通常は、基準圧力として役立つ大気への連結部を備えている。
【００２９】
供給者から得ることのできる幾つかのシステム６２では、第２機械式圧力調整バルブが、圧力調整バルブのタンク側に、ここに示す機械式圧力調整バルブ３８と直列に設けられている。これは、一つの機械式圧力調整バルブで圧力Ｐ３を約３５０ｂａｒから１ｂａｒを幾分上回る圧力まで低下させるのが困難であるためである。第２機械式圧力調整バルブが設けられている場合には、以下に更に詳細に説明するように、制御ラインを、機械式圧力調整バルブ３８の外側から第２圧力調整バルブの基準入力に差し向けることが知られている。
【００３０】
本発明によれば、制御ライン７０が、制御バルブ４４の出口側から圧力調整バルブ３８の基準圧力入力まで延びており、そのため、制御バルブ４４の燃料電池側で圧力が低下した場合、機械式圧力調整バルブ３８の基準圧力が同様に低下する。基準入力からの力が前記ばねと同じ方向に作用するため、機械式圧力調整バルブ３８の出口圧力Ｐ２及びかくして制御バルブ４４の入口側の圧力もまた同様に低下する状況がもたらされる。これによって、制御バルブ４４でのその入口側と出口側との間の圧力差が小さくなる。このように、制御バルブ４４によって制御しなければならない圧力差の範囲が常に小さく保持され、そのため制御バルブ４４に対する要求が小さくなる。これは、圧力差自体を小さく保持しなければならないということを意味せず、むしろ圧力差の変動を常に小さく保持しなければならないということを意味する。
【００３１】
上述のように、ピストンに力を及ぼすばね６６には、調節ばね６４によって予備応力が加えられている。制御ライン即ち基準ライン７０内の圧力Ｐ１は、圧力調節バルブ３８でばね６６と同じ方向に作用し、Ｐ１×Ａに等しい力を加える。ここで、Ａは、圧力調節バルブに加えられた制御圧力についての有効面積である。バルブ出口圧力Ｐ２は、二つの力（ばね力、及び、制御ラインの圧力）とは反対方向に作用する。この圧力に応じて、バルブ部材に相当する或いはバルブ部材を作動するピストンが、開放位置又は閉鎖位置に移動する。
【００３２】
電磁的に作動できる切替えバルブ４０が開放状態にあり且つ遮断バルブ４２が開放状態にある作動モードでは、燃料電池のアノードは、負荷の必要に応じて水素ガスを必要とする。この水素ガスは、制御バルブ４４によって設定される。
【００３３】
制御ライン７０をアノード側１６から圧力調節バルブ３８に接続することには、タンク出口での圧力Ｐ２が大気圧に対して一定に保持されるのでなく、アノード圧力Ｐ１に従って変化するという利点がある。このことは、燃料電池の作動中の制御バルブ４４の前後での圧力差（Ｐ２−Ｐ１）の変化が、従来の解決策におけるよりもかなり小さいということを意味する。バルブ４４に亘る圧力差Ｐ２−Ｐ１の変化が小さいため、このバルブの作動範囲についての要求が低下し、このことが費用の低減に繋がる。更に、二段式タンク調整器、即ち直列に連結された二つの圧力調整バルブを使用する場合、更に安定した調整挙動を期待できる。上述のように、制御ライン７０は、バルブ５６とバルブ５５との間の任意の所望の点に連結できるが、直接的にバルブ４４の出口のところにある点が好ましい。
【００３４】
変形例として、圧力調整バルブ３８の制御ライン７０を、燃料電池システムのカソード側の任意の所望の点に連結することもできる。これを行うための前提条件は、カソードの圧力レベルがアノードと同期して変化する、即ちカソードとアノードとの間の圧力差が、センサの故障を別にして、一定であるということである。
【００３５】
制御ライン７０を燃料電池システムに連結するための様々な方法があり、これらを参照番号７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ、７０Ｅ、及び７０Ｆを付した分岐線で示す。分岐線７０Ａは、燃料電池スタック１２のアノード入口１８に直接設けられているのに対し、分岐線７０Ｂは、アノード排気バルブ５６の直前に設けられている。分岐線７０Ｃは、燃料電池スタック１２のアノード出口側の戻しライン６５のところに連結されているのに対し、分岐線７０Ｄは、戻しライン５８のポンプ６０の後に設けられている。分岐線７０Ｅは、燃料電池システム１２のカソード入口側に設けられているのに対し、分岐線７０Ｆは、燃料電池スタックのカソード出口側に設けられており、出口ライン２５から分岐している。
【００３６】
二つの圧力調整バルブが直列に連結された公知のシステムでは、二つの圧力調整バルブは、ライン７２を介して取り出される水素の変化に従って圧力Ｐ２の圧力挙動を動的に調整するため、制御ライン又は基準ラインを介して互いに連通している。従って、これらの二つの圧力調整バルブは、以下のように作動する。
【００３７】
第２圧力調整バルブ、即ち燃料電池スタックの最も近くに配置された圧力調整バルブは、本発明に従って使用された圧力調整バルブ３８におけるように、制御基準ラインを有するが、しかしながら、このラインは、大気圧の作用で作動される。即ち、第２圧力段はアノードから情報を全く受け取ることができないが、大気圧を基準計測点として使用し、及びかくして、ばねの押圧力によって設定された、大気圧に対する圧力差に合わせて常に調整する。その結果、アノード圧力が変化する既知のシステムを使用する場合、制御バルブ４４の前後の圧力差が変化し、及びかくして制御バルブ４４の作動範囲が不必要に拡がる。本発明の設計により、上文中に論じたこの欠点をなくす。
【００３８】
このような機械式圧力調整バルブ３８の構造はそれ自体公知である。このような圧力調整バルブの一例が、欧州特許出願第ＥＰ  ０５８５８１０  Ｂ１号から公知である。基準連結部６４は、圧力調整バルブを設置することにより必要になる場合には、大気圧、又は、ポンプから加えることができる比較的高い圧力のいずれかに連結されている。しかしながら、欧州特許出願第ＥＰ  ０５８５５１０Ｂ１号では、基準連結部は、本発明の目的について膜の誤った側部に設けられている。しかしながら、窪みカプセル（ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｃａｐｓｕｌｅ）を配置することによって、バルブを本発明の目的のために変換できる。制御圧力Ｐ１は、バルブ部材のばねとは反対側で前記窪みカプセルに供給され、弁座に対して同軸に案内されるピンを介して膜に連結されており且つばねによって張力方向にも圧力方向にも押圧される弁部材に作用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に従って設計された燃料電池システムの概略図である。
【符号の説明】
１０  燃料電池システム            １２  燃料電池スタック
１４  個々の燃料電池
１６  アノード側（燃料極側又は負極側）
１８  アノード入口                ２０  アノード出口
２２  カソード側（空気極側又は正極側）
２４  カソード入口
２５  ライン                      ２６  カソード出口
２８  ライン                      ３０  流路
３２、３４  出力端子              ３６  水素タンク
３８  機械式圧力調整バルブ        ４０  ソレノイド作動式切替えバルブ
４２  手動式遮断バルブ            ４４  制御バルブ
４６  ライン                      ５５  ライン
【図１】
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