JP5809967B2 - Pressure regulator for fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、流体の圧力を調整する調整弁に関する。 The present invention relates to a regulating valve that regulates the pressure of a fluid.
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を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の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。 As a fluid pressure regulating valve, there is known a valve that decompresses high-pressure gas in a tank before being supplied to a fuel cell, such as a regulating valve used in a fuel cell system. Such a pressure regulating valve includes a housing having a primary port into which high-pressure gas flows, a secondary port for supplying gas to the outside, and a flow passage cross-sectional area of a communication path between the primary port and the secondary port in the housing. 2. Description of the Related Art A piston-type pressure regulating valve including a valve body that controls the pressure is known.
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。
By the way, in the piston type pressure regulating valve, a seal member is disposed between the valve body and the housing so that the fluid flowing in from the primary port does not flow out of the housing through a portion other than the communication path. For example,
ところで、燃料電池システムのように高圧タンク内の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。
By the way, when the hydrogen in the high-pressure tank is depressurized and supplied to the fuel cell as in the fuel cell system, the pressure in the primary port decreases as the amount of hydrogen in the high-pressure tank decreases. As the pressure in the primary port decreases, the stroke amount of the piston with the same pressure adjustment amount increases. For this reason, under low pressure, a member that prioritizes sealing performance over reduction of sliding resistance, such as a sealing member for securing a damper action in
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。 Therefore, an object of the present invention is to provide a pressure adjusting device that can achieve both high-pressure sealing performance and low-pressure control accuracy.
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。 The fuel cell pressure regulator of the present invention includes a housing having a primary port connected to a hydrogen tank and a secondary port connected to a fuel cell stack. In addition, the communication area between the primary port and the secondary port is increased by moving the shaft part in the valve port provided in the housing with a stroke according to the amount of hydrogen supplied from the primary port to the secondary port and the pressure in the hydrogen tank. A valve body to be controlled is provided. Furthermore, the sealing member arrange | positioned so that the outer peripheral part of the shaft part of a valve body may contact the wall surface of a valve port is provided. The stroke characteristics determined by the design of the valve body and the seat portion on which the valve body is seated are such that at least the pressure in the hydrogen tank is elastically deformed in the region on the high pressure side and the seal member does not slide between the valve port. It has an elastic region. Further, at least the pressure in the hydrogen tank has a sliding region in a region on the low pressure side, which is a stroke in which the seal member slides between the valve port.
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。 According to the present invention, since the hydrogen tank internal pressure has an elastic region having a stroke characteristic in a region on the high pressure side, sealing performance under high pressure can be ensured. In addition, since the internal pressure of the hydrogen tank has a sliding region with stroke characteristics in the region on the low pressure side, control accuracy under low pressure can be ensured. That is, according to the pressure adjusting device of the present invention, it is possible to achieve both high sealing performance under high pressure and control accuracy under low pressure.
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(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。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a
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。
The
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の高圧状態で貯蔵する。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。
The hydrogen tank 2 is provided on the upstream side of the hydrogen supply passage 3. The hydrogen tank 2 stores the hydrogen supplied to the
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。
The control valve 4 operates electromagnetically, adjusts the amount of hydrogen supplied from the hydrogen tank 2 to the
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。
In the hydrogen supply passage 3, the hydrogen tank 2 side (hereinafter referred to as upstream side) from the control valve 4 is low-pressure on the high-pressure pipe 3 </ b> A, and the
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。
The controller 6 is a device that controls the entire fuel cell system including the
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。
FIG. 2 is a sectional view showing an example of an assembly including the control valve 4 and a
まずソレノイド100の構成から説明する。
First, the configuration of the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The other end of the
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。
Further, a
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。
The bearing
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。
The first and
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。
A
次に、制御弁4の構成について説明する。 Next, the configuration of the control valve 4 will be described.
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。
A
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。
The
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。
The
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。
The
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。
Inside the
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。
A
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。
A
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。
Further, in order to reduce the primary pressure effect on the
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。
According to the above configuration, when the
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。
FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the
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。
The
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。
By the way, in the configuration in which the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 2 is reduced to the pressure to be supplied to the
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。
Further, as the amount of hydrogen stored in the hydrogen tank 2 decreases, the pressure in the
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。
However, high sealing performance and low sliding resistance are contradictory performances. If priority is given to sealing properties, sliding resistance increases, sliding properties deteriorate, and the amount of wear during sliding increases. As wear progresses, the sealing performance deteriorates. Such deterioration of the sealing performance becomes more prominent as the number of actuations of the
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。
In this respect, the above-described problem can be reduced if the system is configured to reduce pressure in multiple stages from the hydrogen tank 2 to the
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。
On the other hand, when the pressure is reduced with only one control valve 4, it is necessary to achieve both high sealing performance and low sliding resistance with one sealing
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。
Therefore, in the present embodiment, the control valve 4 and the
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。
FIG. 4 is a diagram illustrating the static frictional force characteristics of the
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。
A broken line F (hereinafter referred to as a static friction force line F) in the figure indicates a maximum stroke at which the
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。
If the stroke of the
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。
The static frictional force line F depends on the design of the
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。
For example, when the
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) Friction coefficient x (π x O-ring outer diameter) x (O-ring wire diameter) x inlet pressure> stroke x elastic modulus (1)
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。
However, the friction coefficient is the friction coefficient of the sliding surface of the
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。
The stroke characteristics of the
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。
The flow rate of hydrogen that flows into the
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。
The cross-sectional area of the flow path is the area of the gap between the
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。
The number of valve openings decreases as the carrier frequency decreases, and increases as the carrier frequency increases. The valve opening time depends on the carrier frequency, that is, the number of times of valve opening and the flow path cross-sectional area. For example, the smaller the number of valve opening times or the smaller the channel cross-sectional area, the longer the valve opening time necessary to achieve the target hydrogen flow rate. In the carrier frequency region where the
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。
Therefore, the
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。
A stroke characteristic line A indicates the stroke characteristic at the rated output. Therefore, the stroke is smaller than the stroke characteristic line A when the load is small and the amount of hydrogen supplied to the
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。
If the stroke characteristic line A and the static friction force line F are set as shown in FIG. 4, the
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。
As described above, in the region where the primary pressure is high, when the
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。
On the other hand, the
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。
That is, by sliding the
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勘案して設定する。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。
The static friction force line F and the stroke characteristic line A are set based on how the
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。
As described above, the
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。
Further, by setting the region where the primary pressure is PA1 or higher as the elastic region, it is possible to suppress wear of the
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。 FIG. 7 is a flowchart showing a control routine executed by the controller 6 in the present embodiment.
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。 The controller 6 sets the value of PA1 in step S101 as described above, and measures the primary pressure Px in step S102. In step S103, the primary pressure Px and PA1 are compared. If the primary pressure Px is equal to or higher than PA1, the process of step S104 is executed. If the primary pressure Px does not exceed PA1, the process of step S105 is executed.
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。 In step S104, the controller 6 determines to control the control valve 4 in the elastic region. In this region, the stroke of the control valve 4 is controlled.
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。 In step S105, the controller 6 determines to control the control valve 4 in the sliding area. In the sliding area, the valve opening time of the control valve 4 is controlled.
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。 In step S106, the controller 6 controls the control valve 4 by the control method determined in step S104 or S105.
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。 Even if the stroke is controlled in the region where the primary pressure Px does not exceed PA1, the stroke of the control valve 4 may increase depending on the hydrogen supply amount, and may enter the sliding region. That is, even if the stroke is controlled regardless of the primary pressure Px, the control is performed in the elastic region if the stroke is small, and the control is performed in the sliding region if the stroke is large, and a desired control state is obtained. Therefore, the stroke may always be controlled without switching the control method according to the primary pressure Px.
(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。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, the basic configuration of the
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。
FIG. 5 is a view showing the static frictional force characteristics of the
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。 The stroke characteristic line A is basically set in the same manner as in the first embodiment. However, in the region where the primary pressure is lower than PA2, the stroke of the sliding region is made by controlling the valve opening time by the controller 6 as the switching means.
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。 FIG. 8 is a flowchart showing a control routine executed by the controller 6 in the present embodiment.
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。 The controller 6 sets a value of PA2 described later at step S201, and measures the primary pressure Px at step S202. In step S203, the primary pressure Px and PA2 are compared. If the primary pressure Px is equal to or greater than PA2, the process of step S204 is executed, and if the primary pressure Px is lower, the process of step S205 is executed.
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。
In step S204, it is determined to control the control valve 4 in the elastic region. In this region, the stroke of the control valve 4 is controlled. In step S205, it is determined to control the control valve 4 in the sliding region. In this region, the valve opening time of the control valve 4 is controlled. In step S206, the control valve 4 is controlled by the control method determined in step S204 or step S205. That is, in a region where the primary pressure Px is lower than PA2, the
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。
As described above, the hydrogen supply amount is represented by the product of the stroke, the valve opening time, and the number of times of opening. Therefore, when the carrier frequency is constant, that is, when the number of times of opening of the valve is constant, the hydrogen supply amount is determined by the valve opening time and the stroke. Therefore, the valve opening time is controlled so that the target hydrogen flow rate can be achieved by fixing the stroke to the size of the sliding region. As described above, the control accuracy is improved by sliding the
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が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。 The primary pressure PA2 is set to, for example, a primary pressure at which a hydrogen remaining amount warning lamp is lit to warn that the amount of hydrogen in the hydrogen tank 2 is low. In the case of a 70 MPa tank, the pressure is about 8-10 MPa.
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。 The estimated travelable distance based on the amount of hydrogen remaining in the hydrogen tank 2 is a judgment material when the driver determines whether or not to supply hydrogen. In particular, in a state in which the remaining hydrogen warning light is turned on, it is desired that the predicted accuracy of the predicted travelable distance is high in order to supply hydrogen before traveling becomes impossible.
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。 The fuel cell system stops when there is no hydrogen in the hydrogen tank 2, but the threshold used to determine whether or not to stop is that hydrogen is supplied even if there is a detection error of the pressure sensor or an error in the hydrogen supply amount. Set so that it is possible to reliably avoid driving in a state where it is not performed. For this reason, the system is actually stopped even though hydrogen remains in the tank. In this case, as the amount of hydrogen remaining in the tank (hereinafter referred to as an invalid remaining amount) increases, the travelable distance of the vehicle becomes shorter. Therefore, it is desirable that the invalid remaining amount be smaller. Therefore, it is desired that the control accuracy of the hydrogen supply amount be higher in the region where it is determined whether or not to stop the fuel cell system.
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や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。
That is, the region where the remaining hydrogen warning light is turned on is a region where highly accurate hydrogen supply amount control is particularly desired for predicting the travelable distance, determining whether the system is stopped, etc., and sliding the
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。 Note that if the stroke in the region where the primary pressure is lower than PA2 is set to the maximum possible value in terms of mechanism, the stroke amount per adjustment amount of the hydrogen supply amount increases, so that the control accuracy can be further increased.
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。 In the above description, the primary pressure PA2 is the primary pressure at which the hydrogen remaining amount warning lamp is lit, but the present invention is not limited to this. For example, the primary pressure may be the same as the primary pressure PA1 of the first embodiment.
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。
As described above, in the region where the primary pressure is lower than PA2, the stroke of the
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。
Further, since the stroke of the valve body is increased by shortening the valve opening time of the
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。 The primary pressure PA2 is an internal pressure at which a hydrogen remaining amount warning light is lit to warn the driver that the remaining amount of hydrogen in the hydrogen tank 2 is low, so that it meets the demand in a region where higher control accuracy is required. Can do.
(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。
(Third embodiment)
In the third embodiment, the basic configuration of the
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。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the primary pressure and the carrier frequency. The vertical axis is the carrier frequency, and the horizontal axis is the primary pressure. In the region where the primary pressure is PA3 or lower, the carrier frequency is H1, and in the region higher than PA3, the carrier frequency is H2 higher than H1. Such control of the carrier frequency is performed by the controller 6 as switching means. The opening time of the
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。 The primary pressure PA3 is set to a pressure at which the hydrogen remaining amount warning lamp is turned on, as in the second embodiment. For example, it is set to about 10 MPa.
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。
The carrier frequency H1 is set to such a magnitude that the
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。
That is, in the case of the carrier frequency H1, the
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。
On the other hand, the carrier frequency H2 is set to such a magnitude that the
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。 The controller 6 sets the carrier frequency to H2 when the hydrogen tank 2 is fully filled, and switches the carrier frequency to H1 when the primary pressure decreases to PA3 due to a decrease in hydrogen.
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。 FIG. 9 is a flowchart showing a control routine executed by the controller 6 in the present embodiment.
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。 The controller 6 sets a value of PA3 described later in step S301, and measures the primary pressure Px in step S302. In step S303, the primary pressure Px and PA3 are compared. If the primary pressure Px is equal to or higher than PA3, the process of step S304 is executed. If the primary pressure Px is lower, the process of step S305 is executed.
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。
In step S304, it is determined to control the control valve 4 in the elastic region by setting the carrier frequency to H2 on the higher side. In this region, the stroke of the control valve 4 is controlled. In step S305, it is determined that the control valve 4 is controlled in the sliding region by setting the carrier frequency to the lower H1. In this region, the valve opening time of the control valve 4 is controlled. In step S306, the control valve 4 is controlled at the carrier frequency determined in step S304 or step S305. The higher carrier frequency H2 is desirably 200 Hz or higher, and the lower carrier frequency H1 is desirably 100 Hz or lower. Thereby, the
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。 Therefore, also in this embodiment, it is possible to achieve both sealing performance under high pressure and control accuracy under low pressure.
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。
As described above, since the stroke of the
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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
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
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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で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の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。 A housing comprising a primary port connected to the hydrogen tank and a secondary port connected to the fuel cell stack;
The primary port and the secondary port are moved forward and backward by a stroke corresponding to the amount of hydrogen supplied from the primary port to the secondary port and the pressure in the hydrogen tank in the valve port provided in the housing. A valve body that controls the communication area of
A seal member disposed on the outer periphery of the shaft portion of the valve body so as to contact the wall surface of the valve port;
In a pressure adjustment device of a fuel cell system comprising:
The stroke characteristic of the valve body has at least an elastic region in which the pressure in the hydrogen tank is a stroke that does not slide between the valve port only by elastically deforming the seal member in a region on the high pressure side, The pressure adjustment device for a fuel cell system, wherein the pressure in the hydrogen tank has a sliding region in a region on a low pressure side, which has a stroke in which the seal member slides between the valve port and the valve member.
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。 The valve body opens and closes by electromagnetic force,
The pressure adjusting device for a fuel cell system according to claim 3, wherein the stroke switching means increases the stroke of the valve body by lowering a carrier frequency for generating electromagnetic force.
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