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技術 燃料電池システムの圧力調整装置

出願人 日産自動車株式会社川崎重工業株式会社
発明者 森山明信小田嶋真人篠原幹弥黒岩夏樹榊田明宏野道薫鈴木豊二宮誠
出願日 2011年12月27日 (9年0ヶ月経過) 出願番号 2011-285981
公開日 2013年7月8日 (7年5ヶ月経過) 公開番号 2013-134687
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(システム) 流体圧力の制御 磁気駆動弁 安全弁II(平衡弁、過剰流出防止弁)
主要キーワード 二次ポート 一次ポート 摺動領域 リング外径 高圧環境 高圧タンク内 リング線 軸線方向他方
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (10)

課題

燃料電池システムに用いる制御弁について、高圧下でのシール性低圧下での制御精度両立する。

解決手段

水素タンク2に接続される一次ポート11及び燃料電池スタック1に接続される二次ポート12を備えるハウジング10と、一次ポート11から二次ポート12へ供給する水素量及び水素タンク2内の圧力に応じたストローク進退動することで一次ポート11と二次ポート12の連通面積を制御する弁体13と、シャフト14の外周部に弁ポート20と接するように配置されるシール部材30とを備える。さらに、弁体13及びシート部16Aの設計により定まる弁体13のストローク特性は、少なくとも水素タンク2内の圧力が高圧側の領域にシール部材30が弾性変形するだけで摺動しないストロークになる弾性領域を有し、少なくとも水素タンク2内の圧力が低圧側の領域にシール部材30が摺動するストロークになる摺動領域を有する。

概要

背景

流体圧力調整弁として、例えば燃料電池システムに用いられる調整弁のように、タンク内の高圧ガス燃料電池への供給前に減圧するものが知られている。このような圧力調整弁としては、高圧ガスが流入する一次ポートと、ガスを外部へ供給する二次ポートとを備えるハウジングと、ハウジング内で一次ポートと二次ポートの連通路流路断面積を制御する弁体とを備えるピストン型の調圧弁が知られている。

ところで、ピストン型の調圧弁では、一次ポートから流入した流体が連通路以外の部分を通ってハウジングから流出しないように、弁体とハウジングとの間にシール部材を配置している。例えば、特許文献1では、耐久性確保のために摺動抵抗が相対的に小さいシール部材と、ダンパ作用を確保するために摺動抵抗が相対的に大きいシール部材とを備えている。また、特許文献2では、シール性を確保するためのリップシールと、ピストンが過剰に移動することを防止するためのOリングとを配置している。

概要

燃料電池システムに用いる制御弁について、高圧下でのシール性と低圧下での制御精度両立する。水素タンク2に接続される一次ポート11及び燃料電池スタック1に接続される二次ポート12を備えるハウジング10と、一次ポート11から二次ポート12へ供給する水素量及び水素タンク2内の圧力に応じたストローク進退動することで一次ポート11と二次ポート12の連通面積を制御する弁体13と、シャフト14の外周部に弁ポート20と接するように配置されるシール部材30とを備える。さらに、弁体13及びシート部16Aの設計により定まる弁体13のストローク特性は、少なくとも水素タンク2内の圧力が高圧側の領域にシール部材30が弾性変形するだけで摺動しないストロークになる弾性領域を有し、少なくとも水素タンク2内の圧力が低圧側の領域にシール部材30が摺動するストロークになる摺動領域を有する。

目的

本発明では、高圧下でのシール性と低圧下での制御精度とを両立し得る圧力調整装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

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請求項1

水素タンクに接続される一次ポート及び燃料電池スタックに接続される二次ポートを備えるハウジングと、シャフト部分が前記ハウジングに設けた弁ポート内を前記一次ポートから前記二次ポートへ供給する水素量及び前記水素タンク内の圧力に応じたストローク進退動することで前記一次ポートと前記二次ポートの連通面積を制御する弁体と、前記弁体のシャフト部分の外周部に前記弁ポートの壁面と接するように配置されるシール部材と、を備える燃料電池システム圧力調整装置において、前記弁体のストローク特性は、少なくとも前記水素タンク内の圧力が高圧側の領域に前記シール部材が弾性変形するだけで前記弁ポートとの間で摺動しないストロークになる弾性領域を有し、少なくとも前記水素タンク内の圧力が低圧側の領域に前記シール部材が前記弁ポートとの間で摺動するストロークになる摺動領域を有することを特徴とする燃料電池システムの圧力調整装置。

請求項2

前記弾性領域は、前記水素タンク内の圧力が所定値以上の全領域である請求項1に記載の燃料電池システムの圧力調整装置。

請求項3

前記水素タンク内の圧力が前記所定値より低く、かつ前記ストローク特性によるストロークが前記弾性領域にある場合に、前記ストロークを前記摺動領域まで増大させるストローク切り替え手段を備える請求項2に記載の燃料電池システムの圧力調整装置。

請求項4

前記ストローク切り替え手段は、前記弁体の開弁時間を短縮することによって前記弁体のストロークを増大させる請求項3に記載の燃料電池システムの圧力調整装置。

請求項5

前記弁体は電磁力により開閉動作し、前記ストローク切り替え手段は、電磁力を発生させるキャリア周波数を低下させることによって前記弁体のストロークを増大させる請求項3に記載の燃料電池システムの圧力調整装置。

請求項6

前記所定値は、前記水素タンク内の水素残量が少ないことを運転者に警告する水素残量警告灯点灯する前記水素タンク内圧力である請求項2から5のいずれかに記載の燃料電池システムの圧力調整装置。

技術分野

0001

本発明は、流体の圧力を調整する調整弁に関する。

背景技術

0002

流体の圧力調整弁として、例えば燃料電池システムに用いられる調整弁のように、タンク内の高圧ガス燃料電池への供給前に減圧するものが知られている。このような圧力調整弁としては、高圧ガスが流入する一次ポートと、ガスを外部へ供給する二次ポートとを備えるハウジングと、ハウジング内で一次ポートと二次ポートの連通路流路断面積を制御する弁体とを備えるピストン型の調圧弁が知られている。

0003

ところで、ピストン型の調圧弁では、一次ポートから流入した流体が連通路以外の部分を通ってハウジングから流出しないように、弁体とハウジングとの間にシール部材を配置している。例えば、特許文献1では、耐久性確保のために摺動抵抗が相対的に小さいシール部材と、ダンパ作用を確保するために摺動抵抗が相対的に大きいシール部材とを備えている。また、特許文献2では、シール性を確保するためのリップシールと、ピストンが過剰に移動することを防止するためのOリングとを配置している。

先行技術

0004

特開2006−172123号公報
特開2006−185103号公報

発明が解決しようとする課題

0005

ところで、燃料電池システムのように高圧タンク内水素を減圧して燃料電池へ供給する場合には、高圧タンク内の水素量が減ると一次ポート内の圧力が低下する。そして、一次ポート内の圧力が低下するほど、同じ圧力調整量でのピストンのストローク量は増大する。このため、低圧下では、特許文献1のダンパ作用確保のためのシール部材や特許文献2のリップシールのように摺動抵抗の低減よりもシール性を優先した部材が抵抗となって、弁体の操作性が低下し、精度の高いガス流量制御が行えない。また、シール性を優先した部材が摺動することによって摩耗し、シール性を確保できなくなるおそれもある。一方、シール性よりも弁体の操作性を優先して各シール部材の摺動抵抗を低下させると、摩耗は抑制できるものの、高圧下でのシール性が低下する。

0006

そこで、本発明では、高圧下でのシール性と低圧下での制御精度とを両立し得る圧力調整装置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

0007

本発明の燃料電池の圧力調整装置は、水素タンクに接続される一次ポート及び燃料電池スタックに接続される二次ポートを備えるハウジングを備える。また、シャフト部分がハウジングに設けた弁ポート内を一次ポートから二次ポートへ供給する水素量及び水素タンク内の圧力に応じたストロークで進退動することで一次ポートと二次ポートの連通面積を制御する弁体を備える。さらに、弁体のシャフト部分の外周部に弁ポートの壁面と接するように配置されるシール部材とを備える。そして、弁体及び弁体が着座するシート部の設計により定まるストローク特性は、少なくとも水素タンク内の圧力が高圧側の領域にシール部材が弾性変形するだけで弁ポートとの間で摺動しないストロークになる弾性領域を有する。また、少なくとも水素タンク内の圧力が低圧側の領域にシール部材が弁ポートとの間で摺動するストロークになる摺動領域を有する。

発明の効果

0008

本発明によれば、水素タンク内圧力が高圧側の領域にストローク特性の弾性領域を有することにより、高圧下でのシール性を確保することができる。また、水素タンク内圧力が低圧側の領域にストローク特性の摺動領域を有することにより、低圧下での制御精度を確保することができる。すなわち、本発明の圧力調整装置によれば、高圧下でのシール性と低圧下での制御精度とを両立することができる。

図面の簡単な説明

0009

本発明の第1実施形態に係る燃料供給システムの構成図である。
制御弁及びソレノイドアッセンブリの一例を示す構成図である。
図2のシール部材付近の拡大図である。
第1実施形態の弁体のストローク特性を示す図である。
第2実施形態の弁体のストローク特性を示す図である。
第3実施形態の一次圧キャリア周波数との関係を示す図である。
第1実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。
第2実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。
第3実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。

実施例

0010

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

0011

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る燃料電池用の燃料供給システム40の構成図である。

0012

燃料供給システム40は、燃料電池スタック1に水素を供給するシステムであって、水素タンク2と、水素供給通路3と、制御弁4と、圧力センサ7、8と、コントローラ6と、を備える。

0013

水素タンク2は、水素供給通路3の上流側に設けられる。水素タンク2は、燃料電池スタック1に供給する水素を、例えば70MPaの高圧状態貯蔵する。水素タンク2は、水素供給通路3との連通状態を制御する開閉弁5を備える。開閉弁5は電磁的に作動し、電源オフ時に水素タンク2と水素供給通路3との連通を遮断する。

0014

制御弁4は、電磁的に作動し、水素タンク2から燃料電池スタック1に供給される水素量を調整し、供給水素圧力を制御する。制御弁4の構造については後述する。

0015

水素供給通路3は、制御弁4より水素タンク2側(以下、これを上流側とする)が高圧配管3A、制御弁4より燃料電池スタック1側(以下、これを下流側とする)が低圧配管3Bで形成される。

0016

コントローラ6は、燃料供給システム40を含む燃料電池システム全体を制御する装置であり、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ6には、低圧配管3B内の圧力(以下、下流側圧力という)を検出する圧力センサ8及び制御弁4に制御電流を供給する配線9が接続されている。

0017

図2は制御弁4及びこれを駆動するソレノイド100からなるアッセンブリの一例を示す断面図である。

0018

まずソレノイド100の構成から説明する。

0019

ソレノイド100は、ソレノイドコイル101、可動部材102、軸受部材103及びケーシング104を備える。ケーシング104は、制御弁4のハウジング10に装着されている。ケーシング104内は、ハウジング10に形成される弁通路16に連通し、ケーシング104内にはソレノイドコイル101、可動部材102及び軸受部材103が収容されている。

0020

ソレノイドコイル101は、ボビン105とコイル106とを備えている。ボビン105はケーシング104内に嵌合されており、その外周部の軸線方向一端部及び他端部に外向きに突出する外向きフランジ105a、105bを有する。これら2つの外向きフランジ105a、105bの間には、コイル線が巻きつけられることで構成されるコイル106が設けられている。このように構成されるソレノイドコイル101は、その軸線方向一端部がケーシング104の底部104aに当接しており、その他端部にはヨーク107が設けられている。

0021

ヨーク107は、磁性材料、例えば電磁ステンレス鋼からなり、ケーシング104内に嵌合されている。ヨーク107は、ケーシング104を制御弁4のハウジング10に装着することで、ケーシング104内に押し込まれ、底部104aと共にソレノイドコイル101を挟持するようになっている。ヨーク107及びソレノイドコイル101には、可動部材102が挿通されている。

0022

可動部材102は、磁性部材、例えば電磁ステンレス鋼からなり、挿通部102aとロッド102bとを有する。挿通部102aは、ソレノイドコイル101に挿入されている。挿通部102aの軸線方向一端部(図2において右端部)は、ソレノイドコイル101から突出しており、ケーシング104の底部104aに形成される挿入孔104bに挿入されている。挿入孔104bは、ケーシング104の底部104aを貫通しており、外側の開口が蓋体104cにより塞がれている。挿通部102aの軸線方向一端部と蓋体104cとの間には、圧縮コイルばね109が設けられており、この圧縮コイルばね109により挿通部102aがヨーク107の方へと付勢されている。挿通部102aの軸線方向他端部(図2において左端部)にロッド102bが一体的に設けられている。ロッド102bの外径は、挿通部102aの外径よりも小径になっている。

0023

挿通部102aの他端部は、ヨーク107の内孔よりも大径であってヨーク107に対向しており、そこに設けられるロッド102bは、ヨーク107を挿通して制御弁4の弁通路16まで延びている。ロッド102bの先端は、後述する制御弁4の弁体14に当接しており、挿通部102aをヨーク107から離すような力を弁体14から受けている。つまり、可動部材102は、圧縮コイルばね109と弁体14から互いに抗する力を受けている。これにより、挿通部102aが蓋体104cから第1の所定距離d1離され、またヨーク107から第2の所定距離d2離される。第1の所定距離d1は、第2の所定距離d2のおよそ3倍以上の距離になっている。それ故、コイル106に電流を流すと、ヨーク107が磁化して、挿通部102aがヨーク107へと吸い寄せられる。

0024

また、挿通部102aには、ガイド部材108が設けられている。ガイド部材108は、SUS316L等のオーステナイト系ステンレス鋼等の非磁性材料から成り、挿通部102aの外周部の中央部分に嵌り込んでいる。ガイド部材108の外周面は、挿通部102aの外周面と面一状になっており、ガイド部材108の外径は、ソレノイドコイル101の内径より小さくなっている。それ故、ガイド部材108とソレノイドコイル101との間には、円環状の間隙110が形成される。この間隙110には、軸受部材103が配置されている。

0025

軸受部材103は、転がり軸受であり、本実施形態ではボールガイドである。ただし、ボールガイドに限定するものではなく、ボールベアリングであってもよい。軸受部材103は、グリス等の潤滑剤が塗布された状態でガイド部材108に外装され、ガイド部材108とソレノイドコイル101との間に介在する。軸受部材103は、可動部材102を軸線方向に摺動可能に支持してソレノイドコイル101とガイド部材108との間で生じる摩擦力を低減し、可動部材102の動きを円滑にしている。このように可動部材102の動きを円滑にする軸受部材103の両側には、第1及び第2のダイアフラム111、112が夫々設けられている。

0026

第1、第2のダイアフラム111、112は、円環状のシール部材であり、軸受部材103の軸線方向両側に配置され、挿通部102aとソレノイドコイル101との架け渡されるように固定されている。これにより、軸受部材103の軸線方向両側を塞いでいる。すなわち、第1のダイアフラム111により、背圧力室114と間隙110との間が封止され、第2のダイアフラム112により間隙110と圧力室115との間が封止される。なお、背圧力室114は、ケーシング104と可動部材102の軸線方向一方側の端部とによって規定される空間であり、間隙110よりも軸線方向一方側にある空間である。また、圧力室115は、ヨーク107と可動部材102の軸線方向他方側の端部とによって規定される空間であり、間隙110よりも軸線方向他方側にある空間である。

0027

このように規定された背圧力室114と圧力室115とを繋ぐべく、可動部材102内部には、連通路113が形成されている。連通路113は、挿通部102aの軸線方向一端部(図2において右端部)に第1の開口113aを有し、ロッド102bの外周部に第2及び第3の開口113b、113cを夫々有している。連通路113は、第1の開口1113aと第2及び第3の開口113b、113cを繋ぎ、背圧力室114と圧力室115とを連通している。圧力室115は、制御弁4の弁通路16に繋がっているので、背圧力室114は、連通路113により制御弁4の弁通路16に連通することになる。

0028

次に、制御弁4の構成について説明する。

0029

制御弁4のハウジング10には、一次ポート11、弁室18、通路16、二次ポート12、均圧通路17、バネ室19、弁ポート20、ソレノイド100が一体的に形成されている。

0030

弁室18は、一次ポート11を介して高圧配管3Aと連通しており、また、通路16及び二次ポート12を介して低圧配管3Bと連通している。

0031

均圧通路17は通路16が分岐したもので、通路16とバネ室19とを連通している。

0032

一次ポート11には高圧配管3Aが、二次ポート12には低圧配管3Bが、それぞれ接続される。

0033

弁室18の内部には、弁室18と通路16との連通状態を制御するための弁体13が配置されている。弁体13は、通路16の弁室18側端部に設けたシート部16Aに沿うテーパ部を有する。

0034

弁体13には、シャフト14が一体に形成されており、シャフト14が弁ポート20内を進退可能に配置されている。シャフト14はソレノイド100のプランジャロッドを兼ねており、通電される電流の大きさに応じて図中左右方向に移動し、電源オフ時には弁体13のテーパ面とシート部16Aとが密着して、弁室18と通路16の連通を遮断する。一方、弁室18とバネ室19との連通は、後述するシール部材30により遮断されている。

0035

バネ室19にはバネ15が配置されている。バネ15の弾性力は、弁体13を通路16側方向へ押圧するように作用する。

0036

また、弁体13にかかる一次側圧力影響を低減するために、弁体13のシート径、つまりシート部16Aの弁室18側端部の径D2は、弁体13の摺動シール径D1と同等としている。

0037

上記のような構成によれば、弁体13が開くと、高圧配管3Aから一次ポート11を介して弁室18に流入した水素は、通路16及び二次ポート12を介して低圧配管3Bへと流れる。低圧配管3Bへの流量は、弁体13の前後差圧に応じて弁体13とシート部16Aとの位置関係により定まり、その位置関係は弁体13を移動させるための電磁力により定まる。つまり、弁体13のストローク量は電磁力を変更することで制御できる。

0038

図3は、図2のシール部材30付近の拡大図である。シール部材30は、シャフト14の外周に設けられた溝状の凹部14Aに収められた、Oリングである。なお、断面形状がD字状のいわゆるDリングであっても構わない。

0039

このシール部材30が、凹部14Aの底面と弁ポート20の内周面とに押圧されて潰れることによって、弁室18とバネ室19との間のシール性を確保している。

0040

ところで、図1に示す燃料供給システム40のように、水素タンク2から供給される水素ガスを、制御弁4のみで燃料電池スタック1へ供給する圧力まで減圧する構成では、シール部材30には、高圧環境でのシール性が要求される。すなわち、水素タンク2内の水素貯蔵量が多いほど一次ポート11内の圧力は高くなるので、このような高圧環境でも弁室18とバネ室19との連通を確実に遮断しうるシール性能が要求される。

0041

また、水素タンク2内の水素貯蔵量が少なくなるほど一次ポート11内の圧力は低くなり、圧力を調整するための弁体13の移動量が大きくなる。このため、圧力制御の精度を高めるために、シール部材30にはより低い摺動抵抗が要求される。

0042

しかし、高いシール性と低い摺動抵抗は相反する性能である。シール性を優先すると摺動抵抗が大きくなり摺動性が悪化し、摺動する際の摩耗量も大きくなる。摩耗が進めばシール性が悪化する。そして、このようなシール性の悪化は、弁体13の作動回数が多くなるほど顕著になる。

0043

この点、従来のように水素タンク2から燃料電池スタック1までに複数の減圧弁を介して多段階で減圧するシステムであれば、上記のような問題を軽減できる。つまり、高圧側にはシール性を優先したシール部材を、低圧側には摺動性を優先したシール部材を使用することができる。また、複数の減圧弁を使用することで各減圧弁の作動回数を抑えることができるので、摩耗の問題も解消できる。

0044

これに対して、一つの制御弁4のみで減圧する場合には、一つのシール部材30で高いシール性と低い摺動抵抗を両立させる必要がある。さらに、制御弁4の作動回数が複数の減圧弁を用いる場合に比べて多くなるので、摩耗の問題も解決する必要がある。

0045

そこで、本実施形態では、制御弁4及びシール部材30を以下に説明するような構成とする。

0046

図4は、シール部材30の静止摩擦力特性及び弁体13のストローク特性を示す図である。縦軸は弁体13のストローク、横軸は一次圧、つまり圧力センサ7で検出する水素タンク2内の圧力を示している。図中の実線Aは、弁体13のストローク特性の例を示している。

0047

図中の破線F(以下、静止摩擦力線Fという)は、当該一次圧において弁体13を移動させた場合に、シール部材30が摺動しない最大ストロークを示している。静止摩擦力線Fは、一次圧が低くなるほど静止摩擦力が小さくなっている。つまり、一次圧が低くなるほど摺動抵抗が低下する。

0048

弁体13のストロークが図4における静止摩擦力線Fより下側の領域(以下、弾性領域という)であれば、シール部材30と弁ポート20の接触部は移動せず、シール部材30は弾性変形のみで弁体13の動きに追従する。一方、弁体13のストロークが図4における静止摩擦力線Fより上側の領域(以下、摺動領域という)であれば、シール部材30と弁ポート20の接触部が移動する。

0049

静止摩擦力線Fは、シール部材30の設計、つまり、硬さ、サイズ、初期の潰し代、材質等に依存する。

0050

例えば、シール部材30がOリングの場合には、式(1)が成立する場合にシール部材30が弾性領域で弾性変形する。

0051

摩擦係数×(π×Oリング外径)×(Oリング線径)×入口圧>ストローク×弾性係数・・・(1)

0052

ただし、摩擦係数は弁ポート20の摺動面の摩擦係数、入口圧は一次ポート11の圧力、弾性係数はシール部材30の弾性係数である。

0053

弁体13のストローク特性は、弁体13及びシート部16Aの形状、そして弁体13を作動させるためのキャリア周波数等に依存する。

0054

二次ポート12内の圧力を目標値にするために二次ポート12に流入させる水素の流量(以下、目標水素流量という)は、流路断面積と弁体13の開弁時間と開弁回数との積で求まる。

0055

流路断面積は弁体13とシート部16Aの隙間の面積であり、ストロークの関数となる。どの程度ストロークさせると流路断面積がどの程度になるかは、弁体13及びシート部16Aの設計による。

0056

開弁回数は、キャリア周波数が低いほど少なくなり、キャリア周波数が高いほど多くなる。開弁時間はキャリア周波数、つまり開弁回数と、流路断面積とに依存する。例えば、開弁回数が少ないほど、または流路断面積が小さいほど、目標水素流量を達成するために必要な開弁時間は長くなる。弁体13が追従できないキャリア周波数領域では、開弁回数ではなく弁体13のストロークで決まる流路断面積のみに依存する。よって、開弁時間にも関係しないで流路断面積のみに依存する。

0057

そこで、弁体13のストローク特性が実線A(以下、ストローク特性線Aという)になるように弁体13、シート部16A及びキャリア周波数を設定する。

0058

なお、ストローク特性線Aは定格出力時のストローク特性を示している。したがって、一定速度での走行時やアイドル時のように負荷が小さく、燃料電池スタック1への水素供給量が定格出力時より少ない場合には、ストローク特性線Aより小さなストロークになる。

0059

ストローク特性線A及び静止摩擦力線Fを図4のように設定すると、一次圧がストローク特性線Aと静止摩擦力線Fの交点であるPA1以上であれば、シール部材30は摺動しない。一方、一次圧がPA1より低い場合には、ストロークが静止摩擦力線Fを超えるときにはシール部材30は摺動し、超えないときにはシール部材30は摺動しない。なお、本実施形態ではキャリア周波数は一定とする。

0060

上述したように、一次圧が高い領域では、弁体13が動いたときにシール部材30は弾性変形するだけで摺動はしない。摺動しないことによってシール部材30の摩耗を抑制できるので、シール性に優れる材質を用いてシール性を確保しつつ、耐久性を向上させることができる。

0061

一方、摺動抵抗が相対的に低い領域ではシール部材30は摺動するが、シール部材30の摩耗は高圧下で摺動する場合に比べて少ないので、耐久性の低下を抑制することができる。また、弁体13の制御電流を変化させると二次ポート圧にはヒステリシスが生じるが、ストロークが摺動領域のときは弾性領域のときよりもヒステリシスが小さいことが実験からわかっている。ヒステリシスが小さければ、当然、制御精度が高まる。

0062

つまり、一次圧が低い領域でシール部材30を摺動させることで、弁体13の制御精度を向上させ、結果的に水素供給量の制御精度を向上させることができる。さらに、摺動することによるシール部材30の摩耗を抑制することもできる。

0063

静止摩擦力線F及びストローク特性線Aの設定は、燃料供給システム40の使われ方に基づいて行う。例えば、燃料供給システム40に要求される耐用年数はどの程度なのか、燃料供給システム40を搭載した車両がどのような一次圧で走行する機会が多いのか、どの程度の一次圧になったら摺動による摩耗より制御精度の向上を優先すべきなのか等を案して設定する。なお、低圧下での制御精度向上のために、一次圧がPA1より低い領域では、アイドル時であってもストロークが静止摩擦力線F以上となるように設定する。

0064

以上のように、弁体13が少なくとも一次圧が高圧側の領域に弾性領域を有し、少なくとも一次圧が低圧側の領域に摺動領域を有するストローク特性で進退動する。これにより、水素タンク2から燃料電池スタック1までの間に制御弁4が一つしかない場合でも、高圧下でのシール性と低圧下での水素供給量の制御精度を両立することができる。

0065

また、一次圧がPA1以上の領域を弾性領域とすることで、全ての領域で摺動する場合に比べてシール部材30の摩耗を抑制することができる。

0066

図7は、本実施形態でコントローラ6が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

0067

コントローラ6は、ステップS101で前述の通りPA1の値を設定し、ステップS102で一次圧Pxを測定する。ステップS103で一次圧PxとPA1とを比較し、一次圧PxがPA1以上の場合はステップS104の処理を実行し、一次圧PxがPA1を超えない場合はステップS105の処理を実行する。

0068

ステップS104で、コントローラ6は、弾性領域で制御弁4を制御することを決定する。この領域では、制御弁4のストロークを制御することになる。

0069

ステップS105で、コントローラ6は摺動領域で制御弁4を制御することを決定する。摺動領域では、制御弁4の開弁時間を制御することになる。

0070

ステップS106で、コントローラ6は、ステップS104またはS105で決定した制御方式で制御弁4を制御する。

0071

なお、一次圧PxがPA1を超えない領域でステップS104と同様にストロークを制御したとしても、水素供給量によっては制御弁4のストロークが大きくなり、摺動領域に入る場合がある。つまり、一次圧Pxによらずストロークを制御するようにしても、ストロークが小さければ弾性領域での制御となり、ストロークが大きければ摺動領域での制御となり、所望の制御状態となる。よって、一次圧Pxに応じて制御方式を切り換えず、常にストロークを制御するようにしてもよい。

0072

(第2実施形態)
第2実施形態は、燃料供給システム40や制御弁4の基本的な構成については第1実施形態と同様である。第1実施形態との相違点は、シール部材30の摺動・非摺動の切り替えの判定に用いる一次圧と、静止摩擦力線F、ストローク特性線Aとの関係である。なお、本実施形態でもキャリア周波数は一定とする。ただし、一次圧が後述するPA2以下の領域において、ストロークを最大またはこれに近い値に設定可能なキャリア周波数とする。

0073

図5は、シール部材30の静止摩擦力特性及び弁体13のストローク特性を図4と同様に示す図である。静止摩擦力線Fは第1実施形態と同様である。

0074

ストローク特性線Aも基本的には第1実施形態と同様に設定する。しかし、一次圧がPA2より低い領域では、切り替え手段としてのコントローラ6により開弁時間を制御することで、摺動領域のストロークにする。

0075

図8は、本実施形態でコントローラ6が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

0076

コントローラ6は、ステップS201で後述するPA2の値を設定し、ステップS202で一次圧Pxを測定する。ステップS203で一次圧PxとPA2とを比較し、一次圧PxがPA2以上の場合はステップS204の処理を実行し、一次圧Pxの方が低い場合はステップS205の処理を実行する。

0077

ステップS204では、弾性領域で制御弁4を制御することを決定する。この領域では、制御弁4のストロークを制御することになる。ステップS205では、摺動領域で制御弁4を制御することを決定する。この領域では、制御弁4の開弁時間を制御することになる。そして、ステップS206で、ステップS204またはステップS205で決定した制御方式で制御弁4を制御する。つまり、一次圧PxがPA2より低い領域では、シール部材30は負荷の大きさによらず摺動する。

0078

水素供給量は、前述した通りストロークと開弁時間と開弁回数の積で表されるので、キャリア周波数が一定、つまり開弁回数が一定の場合には、開弁時間とストロークによって決まる。そこで、ストロークを摺動領域の大きさに固定して、目標水素流量を達成できるよう開弁時間を制御する。前述したように、シール部材30が摺動することで制御精度が向上する。

0079

一次圧PA2は、例えば水素タンク2内の水素量が残り少ないことを警告する水素残量警告灯点灯する一次圧に設定する。70MPaタンクの場合には、8−10MPa程度とする。

0080

水素タンク2に残っている水素量に基づく予想走行可能距離は、運転者が水素補給をするか否かを決定する際の判断材料となる。特に、水素残量警告灯が点灯した状態では、走行不能になる前に水素補給するために、予想走行可能距離の予測精度は高いことが望まれる。

0081

また、水素タンク2内に水素が無くなると燃料電池システムは停止するが、停止するか否かの判定に用いる閾値は、圧力センサの検出誤差や水素供給量の誤差があっても、水素が供給されない状態で運転することを確実に回避できるよう設定する。このため、実際にはタンク内に水素が残っているにもかかわらずシステムを停止することになる。この場合にタンク内に残っている水素量(以下、無効残量という)が多くなるほど車両の走行可能距離が短くなるので、無効残量はより少ない方が望ましい。したがって、燃料電池システムを停止するか否かの判定を行う領域では、水素供給量の制御精度はより高いことが望まれる。

0082

すなわち、水素残量警告灯が点灯する領域は、走行可能距離の予測システム停止の判定等のために高精度の水素供給量制御が特に望まれる領域であり、シール部材30を摺動させることで制御精度を向上させる効果が大きい。そこで、水素残量警告灯が点灯する領域では、仮にストローク特性上は弾性領域であっても、摺動領域となるように開弁時間を制御する。

0083

なお、一次圧がPA2より低い領域でのストロークを機構上可能な最大値にすれば、水素供給量の調整量あたりのストローク量が大きくなるので、制御精度をより高めることができる。

0084

また、上記説明では一次圧PA2を水素残量警告灯が点灯する一次圧としたが、これに限られるわけではない。例えば、第1実施形態の一次圧PA1と同じ一次圧としてもよい。

0085

以上のように、一次圧がPA2より低い領域では、弁体13のストロークを摺動領域まで増大させるので、低圧下での制御精度をより高めることができる。

0086

また、弁体13の開弁時間を短縮することによって弁体のストロークを増大させるので、ストロークを増大しつつ水素供給量を確保することができる。

0087

一次圧PA2は、水素タンク2内の水素残量が少ないことを運転者に警告する水素残量警告灯が点灯する内圧力なので、より高い制御精度が要求される領域で、その要求に応えることができる。

0088

(第3実施形態)
第3実施形態は、燃料供給システム40や制御弁4の基本的な構成については第1実施形態と同様である。第1実施形態との相違点は、シール部材30の摺動・非摺動の切り替え制御の内容である。

0089

図6は、一次圧とキャリア周波数との関係を示す図である。縦軸がキャリア周波数、横軸が一次圧である。一次圧がPA3以下の領域ではキャリア周波数はH1、PA3より高い領域ではキャリア周波数はH1より高いH2となっている。このようなキャリア周波数の制御は、切り替え手段としてのコントローラ6が行う。弁体13の開時間はキャリア周波数が変化しても一定とする。

0090

一次圧PA3は、第2実施形態と同様に、水素残量警告灯が点灯する圧力とする。例えば10MPa程度に設定する。

0091

キャリア周波数H1は、弁体13が制御電流のON−OFF切り替えに追従して作動することができる大きさ、例えば100Hzに設定する。なお、キャリア周波数H1のときにシール部材30のストロークが摺動領域となるように、シール部材30や弁体13等を設計する。

0092

すなわち、キャリア周波数H1の場合には、弁体13は制御電流のON−OFFに応じて開閉動作し、このときシール部材30は摺動する。したがって、シール部材30が摺動しない場合に比べて、制御電流を変化させた場合の弁体13の開度変化のヒステリシスが小さくなり、制御精度が高くなる。

0093

一方、キャリア周波数H2は、弁体13が制御電流のON−OFF切り替えに追従して作動することができない大きさ、例えば500Hzに設定する。このようなキャリア周波数H2では、制御電流のON−OFF切り替えが速いために、一定の大きさの電流が流れ続けているのと同等の状態になる。そして、弁体13はその電流の大きさに応じた開度で停止する。すなわち、キャリア周波数H2の場合には、シール部材30は摺動しない。したがって、シール部材30の摩耗を抑制することができる。

0094

コントローラ6は、水素タンク2が満充填の状態ではキャリア周波数をH2とし、水素の減少により一次圧がPA3まで低下したら、キャリア周波数をH1に切り替える。

0095

図9は、本実施形態でコントローラ6が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

0096

コントローラ6は、ステップS301で後述するPA3の値を設定し、ステップS302で一次圧Pxを測定する。ステップS303で一次圧PxとPA3とを比較し、一次圧PxがPA3以上の場合はステップS304の処理を実行し、一次圧Pxの方が低い場合はステップS305の処理を実行する。

0097

ステップS304では、キャリア周波数を高い側のH2に設定することで、弾性領域で制御弁4を制御することを決定する。この領域では、制御弁4のストロークを制御することになる。ステップS305では、キャリア周波数を低い側のH1に設定することで、摺動領域で制御弁4を制御することを決定する。この領域では、制御弁4の開弁時間を制御することになる。そして、ステップS306で、ステップS304またはステップS305で決定したキャリア周波数で制御弁4を制御する。なお、高い側のキャリア周波数H2は、200Hz以上であることが望ましく、低い側のキャリア周波数H1は、100Hz以下であることが望ましい。これにより、相対的に高圧の領域ではシール部材30は摺動せず、相対的に低圧、例えば水素残量警告灯が点灯する領域では、シール部材30は摺動する。

0098

したがって、本実施形態においても、高圧下でのシール性と低圧下での制御精度を両立することができる。

0099

以上のように、キャリア周波数を低下させることによって弁体13のストロークを増大させるので、ストロークを増大しつつ水素供給量を確保することができる。

0100

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

0101

1燃料電池スタック
2水素タンク
3水素供給通路
4制御弁
5開閉弁
6コントローラ
7圧力センサ
8 圧力センサ
10ハウジング
11一次ポート
12二次ポート
13弁体
14シャフト
15バネ
16通路
17均圧通路
18弁室
19バネ室
20弁ポート
30シール部材
40燃料供給システム
100ソレノイド
101ソレノイドコイル
102可動部材
103軸受部材
104ケーシング
105ボビン
106コイル
107ヨーク
108ガイド部材
109圧縮コイルばね
110間隙
111 第1のダイアフラム
112 第2のダイアフラム
113連通路
114背圧力室
115 圧力室

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