JP2000097359A - モータ駆動式バルブ及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータ駆動式バルブ及び燃料電池システムを
低コストする。 【解決手段】 流体の流量を制御する弁部８と、前記弁
部８を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制
御手段を有し、前記駆動手段が前記弁部８の開弁動作
時、閉弁動作時の少なくとも一方の動作開始初期は高駆
動電圧で駆動し、所定時間経過後に低電圧で駆動する直
流モータ１であることを特徴とするモータ駆動式バルブ
及び該モータ駆動式バルブを燃料電池スタック、改質装
置、ＣＯ除去装置の酸化剤ガス管路、改質ガス管路、パ
ージガス管路、制御用ガス管路の少なくとも一つのガス
管路に設けたことを特徴とする燃料電池システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はモータ駆動式バルブ
及び燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】大気の汚染をできる限り減らすために自
動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つ
として電気自動車が使用されているが、充電設備や走行
距離などの問題で普及に至っていない。

【０００３】燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分
解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな
発電装置として注目されており、前記燃料電池を使用し
た自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると
見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質
型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有
望である。

【０００４】図５は自動車等車載用の固体高分子電解質
型燃料電池システム図である。

【０００５】本燃料電池システムは、メタノールタンク
Ｆ１と水タンクＦ２と改質装置である改質器Ｆ３と燃料
電池スタックＦ１０と燃焼手段である燃焼バーナＦ６と
ターボアシストコンプレッサＦ８及び各種のガス管路か
ら構成されている。

【０００６】前記改質器Ｆ３は、燃料電池の燃料である
メタノールと水から水素を主成分とする改質ガスを製造
する装置で、メタノールと水を蒸発させる蒸発部Ｆ３２
と該蒸発部Ｆ３２を加熱するためメタノールを燃焼させ
る燃焼部Ｆ３１と前記蒸発部Ｆ３２で蒸発させられたメ
タノールと水を水素を主成分とする改質ガスに変える改
質部Ｆ３３と該改質部Ｆ３３から出てきた前記改質ガス
からＣＯを低減するＣＯ除去装置であるＣＯ低減部Ｆ３
４から構成されている。

【０００７】前記ＣＯ低減部Ｆ３４から排出される改質
ガスは、三方切替弁Ｆ５を切り替えることにより前記燃
焼バーナＦ６に送られるか又は前記燃料電池スタックＦ
１０に送られる。起動直後において、前記改質ガスは前
記改質器Ｆ３の温度が十分上昇していないため前記ＣＯ
低減部Ｆ３４通過後もＣＯ濃度が十分に低下しておら
ず、そのまま前記改質ガスを前記燃料電池スタックＦ１
０に送ると該燃料電池スタックＦ１０の電極触媒を被毒
し性能が低下してしまうので、該燃料電池スタックＦ１
０に送らず前記燃焼バーナＦ６に送り熱エネルギーとし
て回収している。

【０００８】前記燃料電池スタックＦ１０は、前記改質
ガスとターボアシストコンプレッサＦ８から送られる空
気を利用して電気化学反応により発電する。

【０００９】前記燃焼バーナＦ６は、前記三方切替弁Ｆ
５を介して送られる改質ガス又は燃料電池スタックＦ１
０から排出される未利用水素を燃料として、前記燃料電
池スタックＦ１０から排出される空気を助燃剤として燃
焼する。

【００１０】ターボアシストコンプレッサＦ８は、ター
ビンＦ８１とモータＦ８２とコンプレッサＦ８３から構
成されている。

【００１１】前記タービンＦ８１は、前記燃焼バーナＦ
６の排ガスのエネルギーで回転する。前記コンプレッサ
Ｆ８３は、前記タービンＦ８１と前記モータＦ８２の動
力で回転し、空気を加圧して流量制御弁Ｆ７ａを介して
改質部Ｆ３３、流量制御弁Ｆ７ｂを介してＣＯ低減部Ｆ
３４、流量制御弁Ｆ７ｃを介して燃料電池スタックＦ１
０に供給する。

【００１２】三方切替弁Ｆ５から燃料電池スタックＦ１
０へ改質ガスを送る改質ガス管路上には、前記改質ガス
の流量を制御する流量制御弁Ｆ７ｄが設けられている。

【００１３】なお、流量制御弁を設けて流量制御するガ
ス管路としては、前記改質ガス、空気のガス管路以外
に、燃料電池システムを停止した時、前記燃料電池スタ
ックに残留する改質ガスをパージするため窒素等の不活
性ガス、制御用の空気等のガス管路が考えられる。

【００１４】燃料電池システムを実用化するためには耐
久性を向上させること、及びコストを低くすることが必
要である。流量制御弁は数多く使用されるので、前記流
量制御弁を低コスト化することは重要である。

【００１５】流量を精密に制御するために前記流量制御
弁としてモータ駆動式バルブが使用されている。前記モ
ータ駆動式バルブでは、閉弁状態から開弁状態にする場
合、完全に開弁にするために必要な時間以上の時間、電
力を投入している。そうすると、弁部がバルブ本体に衝
突するまで動作する。その衝突時に、モータの回転動作
をバルブの直線動作に変換するネジ機構が噛み込み、次
の閉弁動作開始時にネジの噛み込み状態から脱出するこ
とができなくバルブが作動しなくなることがあった。

【００１６】一方、開弁状態から閉弁状態にする場合、
完全に閉弁にするために必要な時間以上の時間、電力を
投入している。そうすると、弁部が連通弁口の弁座部に
衝突するまで動作する。その衝突時に、モータの回転動
作をバルブの直線動作に変換するネジ機構が噛み込み、
次の開弁動作開始時にネジの噛み込み状態から脱出する
ことができなくバルブが作動しなくなることがあった。

【００１７】従来、一般的にステッピングモータを使用
し、弁の位置制御してネジ機構が噛み込んでロックする
ことを防止したモータ駆動式バルブが使用されていた。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ステッ
ピングモータ自身が高コストである上、パルス制御駆動
回路が必要であるため、コストが高い問題がある。

【００１９】本発明は上記課題を解決したもので、低コ
ストな直流モータを使用した低コストなモータ駆動式バ
ルブ及び燃料電池システムを提供する。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
（以下、第１の技術的手段と称する。）は、流体の流量
を制御する弁部と、前記弁部を駆動する駆動手段と、前
記駆動手段を制御する制御手段を有し、前記駆動手段が
前記弁部の開弁動作時、閉弁動作時の少なくとも一方の
動作開始初期は高駆動電圧で駆動し、所定時間経過後に
低電圧で駆動する直流モータであることを特徴とするモ
ータ駆動式バルブである。

【００２１】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２２】即ち、開弁動作時、閉弁動作時の動作開始
初期以外は低トルクの低駆動電圧で駆動するのでモータ
の回転を弁部の直線運動に変換するネジ部の噛み込みの
力を小さくでき、前記動作開始初期に高駆動電圧で駆動
するため高トルクが発生するので、低コストの直流モー
タを使用しても前記ネジ部の噛み込み状態から脱出でき
バルブのロックを防止できる効果を有する。

【００２３】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技
術的手段と称する。）は、前記制御手段の制御回路に抵
抗とコンデンサを直列に配置した回路を設け、前記所定
時間を前記回路で決めることを特徴とする請求項１記載
のモータ駆動式バルブである。

【００２４】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２５】即ち、前記所定時間を設定するために特別
のタイマーを使用しないので、低コストになるといった
効果を有する。

【００２６】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技
術的手段と称する。）は、流体の流量を制御する弁部
と、前記弁部を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制
御する制御手段を有し、前記駆動手段が前記弁部の開弁
動作時、閉弁動作時の少なくとも一方の動作開始初期は
高駆動電圧で駆動し、所定時間経過後に低電圧で駆動す
る直流モータで駆動するバルブを、燃料電池スタック、
改質装置、ＣＯ除去装置の酸化剤ガス管路、改質ガス管
路、パージガス管路、制御用ガス管路の少なくとも一つ
のガス管路に設けたことを特徴とする燃料電池システム
である。

【００２７】上記第３の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２８】即ち、低コストの直流モータを使用したモ
ータ駆動式バルブを使用しているので、低コストの燃料
電池システムができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面に基づいて説明する。

【００３０】本発明は、モータ駆動式バルブの駆動手段
であるモータを高コストなステッピングモータから低コ
ストな直流モータに変更したものである。しかし、単に
直流モータに変更しただけでは、モータの回転運動を直
線運動に変換する動作変換機構のネジ部が噛み込み、前
記噛み込み状態から脱出できなくなりバルブとして作動
しなくなるおそれがある。

【００３１】図１は本発明の実施例のモータ駆動式バル
ブの断面図である。

【００３２】一次口１１と二次口１２の間の連通弁口１
３を開閉する弁部８が設けられている。前記弁部８はロ
ッド１０と結合しており、該ロッド１０の上部には雄ネ
ジが切られているロッドネジ部１０ａが設けられてい
る。該ロッドネジ部１０ａは、直流モータ１と連結して
いるシャフト２のリードスクリュー部２ａと螺合してお
り、前記直流モータ１の回転運動は前記ロッド１０の直
線運動に変換される。

【００３３】前記ロッド１０には鍔５が形成されてお
り、ブラケット６には前記鍔５と同幅のスリット７が前
記ロッド１０の長手方向に設けられている。前記鍔５が
前記スリット７にはまりこんでいるので、前記ロッド１
０は回転することができず、前記ロッド１０の長手方向
に直線運動する。

【００３４】前記弁部８の下部にはシール部３が設けら
れている。該シール部３はモータ駆動式バルブの全閉時
に弁座部１５に当接し、流体が全く漏れないようにする
ためのものである。前記モータ駆動式バルブが燃料電池
の燃料ガスである水素を主成分とする改質ガス管路上に
設けられたとき、完全にシールすることは特に重要であ
る。

【００３５】また、モータ駆動式バルブの全開の時に前
記弁部８が前記ブラケット６に当接するが、前記弁部８
と前記ブラケット６の当接時の衝撃を吸収するため前記
弁部８の上部にクッション部９が設けられている。

【００３６】図２は、本実施例に用いた直流モータ１の
制御回路図である。ＳＷは前記直流モータ１に駆動電流
をＯＮ、ＯＦＦするスイッチであり、Ｂは前記直流モー
タ１の駆動電流の電源である。

【００３７】前記直流モータ１には、回転方向を制御す
るためのトランジスタＴ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５が接続さ
れている。前記直流モータ１への電流が遮断された時、
前記直流モータ１のコイルに残留している磁気エネルギ
ーを放出させるために、前記トランジスタＴ２、Ｔ３、
Ｔ４、Ｔ５のそれぞれには、ダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ
４、Ｄ５が並列に設けられている。

【００３８】前記トランジスタＴ２、Ｔ５がＯＮ状態の
時、前記直流モータ１は開弁方向に回転し、前記トラン
ジスタＴ３、Ｔ４がＯＮ状態の時、前記直流モータ１は
閉弁方向に回転する。前記スイッチＳＷと前記直流モー
タ１は、前記トランジスタＴ２、 Ｔ４を介して接続さ
れている。

【００３９】トランジスタＴ１と抵抗Ｒ３は並列に設け
られ、一方の端は前記トランジスタＴ３、 Ｔ５を介し
て前記直流モータ１と接続され、他方の端は電源Ｂと接
続されている。前記トランジスタＴ１と前記抵抗Ｒ３
は、前記直流モータ１の駆動電圧を制御する回路であ
る。

【００４０】前記スイッチＳＷと前記トランジスタＴ１
のベースの間には、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ２が直列に
接続されたタイマー回路２０が設けられている。該タイ
マー回路２０は、前記直流モータ１に高駆動電圧をかけ
る時間を制御する回路である。

【００４１】前記コンデンサＣ１及び前記抵抗Ｒ２と電
源Ｂの間にはダイオードＤ１が設けられ、前記タイマー
回路２０の電流が前記トランジスタＴ１のベースに流れ
るようにしている。抵抗Ｒ１は前記タイマー回路２０と
並列に設けられ、一方の端はスイッチＳＷに接続され、
他方の端は電源Ｂに接続されている。スイッチＳＷがＯ
ＦＦされた時、コンデンサＣ１に充電された電荷は、前
記ダイオードＤ１、前記抵抗Ｒ１を通って放電される。

【００４２】図３は本発明の実施例のモータ駆動式バル
ブの開弁動作時のタイムチャート図であり、図４は本発
明の実施例のモータ駆動式バルブの閉弁動作時のタイム
チャート図である。

【００４３】図３及び図４では、直流モータ１の駆動電
圧、コンデンサＣ１のコンデンサ電圧及び電流、抵抗Ｒ
２を流れる電流及びトランジスタＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ
４、Ｔ５とスイッチＳＷのＯＮ、ＯＦＦ状態を時間に対
して示している。図３では、トランジスタＴ３、Ｔ４の
動作状態は常にＯＦＦであるので省略した。同様に図４
では、トランジスタＴ２、Ｔ５の動作状態は常にＯＦＦ
であるので省略した。

【００４４】本実施例のモータ駆動式バルブの動作を図
１〜４を使用して説明する。

【００４５】図１は完全閉弁状態であるが、この状態か
ら開弁動作を開始する。図３の時間ｔ１でＳＷをＯＮす
ると、同時に別に設けられたスイッチによりトランジス
タＴ２、Ｔ５のベースに電流が流れ、前記トランジスタ
Ｔ２、Ｔ５がＯＮ状態になる。この時、トランジスタＴ
３、Ｔ４はＯＦＦ状態である。

【００４６】図３の時間ｔ１で前記ＳＷがＯＮされる
と、コンデンサＣ１と抵抗Ｒ２に電流が流れ始め、前記
コンデンサＣ１の充電が始まる。前記コンデンサＣ１の
充電が進行するつれて、前記コンデンサＣ１の電流が徐
々に低下し、コンデンサ電圧が徐々に上昇する。時間ｔ
２で前記コンデンサＣ１の充電が完了すると前記コンデ
ンサＣ１の電流は停止する。

【００４７】トランジスタＴ１は、コンデンサＣ１に電
流が流れて前記トランジスタＴ１のベースに電流が供給
されている間、即ち時間ｔ１から時間ｔ２の間はＯＮ状
態である。

【００４８】前記トランジスタＴ１は直流モータ１のみ
を介して電圧１２Ｖの電源Ｂに接続されているので、ト
ランジスタＴ１がＯＮしている時間ｔ１から時間ｔ２の
間は、モータに１２Ｖの電圧が印加される。

【００４９】以上の回路動作により、時間ｔ１から時間
ｔ２の間、直流モータ１は電圧１２Ｖの高駆動電圧でモ
ータ駆動式バルブを開弁する方向に回転する。前記直流
モータ１が完全閉弁時の駆動電圧より高い高駆動電圧で
駆動されるので、完全閉弁時のシャフト２のリードスク
リュー部２ａとロッド１０のロッドネジ部１０ａの噛み
込み状態から脱出でき、前記シャフト２、前記ロッド１
０を介して弁部８を開弁方向に動かす。

【００５０】前記トランジスタＴ１が時間ｔ２でＯＦＦ
されると、抵抗Ｒ３を介して前記直流モータ１に電流が
流れる。そのため前記トランジスタＴ１がＯＦＦされて
いる間は抵抗Ｒ３で電圧が降下されて前記直流モータ１
には６Ｖの電圧が印加される。噛み込み状態から脱出し
た前記モータ駆動式バルブは６Ｖの低駆動電圧でも開弁
方向にスムーズに動く。

【００５１】別に定めた完全に開弁される時間より多い
一定時間が経過した時間ｔ３でトランジスタＴ２、Ｔ
５、スイッチＳＷの順でＯＦＦされると、前記直流モー
タ１は停止する。この時、クッション部９はブラケット
６のブラケット底部１４に当接して弁部８が停止してい
る。シャフト２のリードスクリュー部２ａとロッド１０
のロッドネジ部１０ａは噛み込み状態で停止している
が、前記直流モータ１は低駆動電圧で駆動されているの
で噛み込み力は従来より小さい。

【００５２】前記時間ｔ３で、前記コンデンサＣ１の電
荷は抵抗Ｒ１を通して流れ、放電され始める。前記コン
デンサＣ１の電圧は放電されるにつれて徐々に電圧が低
下し、同時に電流も徐々に低下し、時間ｔ４で前記コン
デンサＣ１の電圧も電流もゼロになる。

【００５３】一方、完全開弁状態から閉弁動作を開始す
る場合では、図４の時間ｔ５でＳＷをＯＮすると、同時
に別に設けられたスイッチによりトランジスタＴ３、Ｔ
４のベースに電流が流れ、前記トランジスタＴ３、Ｔ４
がＯＮ状態になる。この時、トランジスタＴ２、Ｔ５は
ＯＦＦ状態である。

【００５４】前記ＳＷがＯＮされると、コンデンサＣ１
と抵抗Ｒ２に電流が流れ始め、前記コンデンサＣ１の充
電が始まる。前記コンデンサＣ１の充電が進行するつれ
て、前記コンデンサ１の電流が徐々に低下し、コンデン
サ電圧が徐々に上昇する。図３の時間ｔ６で前記コンデ
ンサＣ１の充電が完了すると前記コンデンサＣ１の電流
は停止する。

【００５５】トランジスタＴ１は、コンデンサＣ１に電
流が流れて前記トランジスタＴ１のベースに電流が供給
されている間、即ち時間ｔ５から時間ｔ６の間はＯＮ状
態である。

【００５６】前記トランジスタＴ１は直流モータ１のみ
を介して電圧１２Ｖの電源Ｂに接続されているので、ト
ランジスタＴ１がＯＮしている時間ｔ５から時間ｔ６の
間は、モータに１２Ｖの電圧が印加される。

【００５７】以上の回路動作により、時間ｔ５から時間
ｔ６の間、直流モータ１は電圧１２Ｖの高駆動電圧でモ
ータ駆動式バルブを閉弁する方向に回転する。前記直流
モータ１が完全開弁時の駆動電圧より高い高駆動電圧で
駆動されるので、完全開弁時のシャフト２のリードスク
リュー部２ａとロッド１０のロッドネジ部１０ａの噛み
込み状態から脱出でき、前記シャフト２、前記ロッド１
０を介して弁部８を閉弁方向に動かす。

【００５８】前記トランジスタＴ１が時間ｔ６でＯＦＦ
されると、抵抗Ｒ３を介して前記直流モータ１に電流が
流れる。そのため前記トランジスタＴ１がＯＦＦされて
いる間は抵抗Ｒ３で電圧が降下されて前記直流モータ１
には６Ｖが印加される。噛み込み状態から脱出した前記
モータ駆動式バルブは６Ｖの低駆動電圧でも開弁方向に
スムーズに動く。

【００５９】別に定めた完全に閉弁される時間より多い
一定時間が経過した時間ｔ７で前記トランジスタＴ３、
Ｔ４、スイッチＳＷの順でＯＦＦされると、前記直流モ
ータ１は停止する。この時、シール部３はブ弁座部１５
に当接して弁部８が停止している。シャフト２のリード
スクリュー部２ａとロッド１０のロッドネジ部１０ａは
噛み込み状態で停止しているが、前記直流モータ１は低
駆動電圧で駆動されているので噛み込み力は従来より小
さい。

【００６０】前記時間ｔ７で、前記コンデンサＣ１の電
荷は抵抗Ｒ１を通して流れ、放電され始める。前記コン
デンサＣ１の電圧は放電されるにつれて徐々に電圧が低
下し、同時に電流も徐々に低下し、時間ｔ８で前記コン
デンサＣ１の電圧も電流もゼロになる。

【００６１】以上のように、開弁動作時や閉弁動作時の
動作開始初期に高駆動電圧で駆動し、それ以外では駆動
電圧を低くしているので、シャフト２のリードスクリュ
ー２ａとロッド１０のロッドネジ部１０ａの噛み込み状
態から容易に脱出することができるため、低コストの直
流モータを使用することができる。。

【００６２】なお、駆動電圧の６Ｖ、１２Ｖは一実施例
であり、バルブの大きさ等必要に応じて変えることが必
要であるため、特に実施例の値に限定されない。

【００６３】動作開始初期の高駆動電圧で駆動する時間
はタイマー回路２０で設定され、該タイマー回路２０は
コンデンサＣ１と抵抗Ｒ２で構成されているので、低コ
ストである。前記タイマー回路２０で設定される時間
は、前記コンデンサＣ１の容量と前記抵抗Ｒ２の抵抗値
で必要に応じて任意に設定することができる。

【００６４】

【発明の効果】以上のように、本発明は、流体の流量を
制御する弁部と、前記弁部を駆動する駆動手段と、前記
駆動手段を制御する制御手段を有し、前記駆動手段が前
記弁部の開弁動作時、閉弁動作時の少なくとも一方の動
作開始初期は高駆動電圧で駆動し、所定時間経過後に低
電圧で駆動する直流モータであることを特徴とするモー
タ駆動式バルブ及び該モータ駆動式バルブを燃料電池ス
タック、改質装置、ＣＯ除去装置の酸化剤ガス管路、改
質ガス管路、パージガス管路、制御用ガス管路の少なく
とも一つのガス管路に設けたことを特徴とする燃料電池
システムであるので、低コストなモータ駆動式バルブ及
び燃料電池システムができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のモータ駆動式バルブの断面図

【図２】本実施例に用いた直流モータの制御回路図

【図３】本発明の実施例のモータ駆動式バルブの開弁動
作時のタイムチャート図

【図４】本発明の実施例のモータ駆動式バルブの閉弁動
作時のタイムチャート図

【図５】自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池
システム図

【符号の説明】

１…直流モータ（駆動手段） ２…シャフト ２ａ…リードスクリュー部 ８…弁部 １０…ロッド １０ａ…ロッドネジ部 ２０…タイマー回路 Ｆ３…改質器（改質装置） Ｆ１０…燃料電池スタック Ｆ３４…ＣＯ低減部（ＣＯ除去装置）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体の流量を制御する弁部と、前記弁部
   を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手
   段を有し、前記駆動手段が前記弁部の開弁動作時、閉弁
   動作時の少なくとも一方の動作開始初期は高駆動電圧で
   駆動し、所定時間経過後に低電圧で駆動する直流モータ
   であることを特徴とするモータ駆動式バルブ。
2. 【請求項２】 前記制御手段の制御回路に抵抗とコンデ
   ンサを直列に配置したタイマー回路を設け、前記所定時
   間を前記回路で決めることを特徴とする請求項１記載の
   モータ駆動式バルブ。
3. 【請求項３】 流体の流量を制御する弁部と、前記弁部
   を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手
   段を有し、前記駆動手段が前記弁部の開弁動作時、閉弁
   動作時の少なくとも一方の動作開始初期は高駆動電圧で
   駆動し、所定時間経過後に低電圧で駆動する直流モータ
   で駆動するバルブを、燃料電池スタック、改質装置、Ｃ
   Ｏ除去装置の酸化剤ガス管路、改質ガス管路、パージガ
   ス管路、制御用ガス管路の少なくとも一つのガス管路に
   設けたことを特徴とする燃料電池システム。