JP2000163134A

JP2000163134A - 流量制御バルブ及び燃料電池システム

Info

Publication number: JP2000163134A
Application number: JP11213506A
Authority: JP
Inventors: Kinya Ishida; 欣也石田; Kazunobu Sawada; 和伸澤田; Keiichi Ishida; 啓一石田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】小型・軽量で低コストの流量制御バルブ及び
燃料電池システムを提供する。【解決手段】流体の温度を検知する温度検知手段と、
前記流体の圧力を検知する圧力検知手段と、１次側ポー
トと２次側ポートの差圧を検知する差圧検知手段と、バ
ルブの開度を調節できる開度調節手段と、バルブの開度
を検知する開度検知手段と、検知圧力、検知差圧、検知
開度に基づいて流体の質量流量を演算する演算手段と、
演算された質量流量が設定量となるように前記調節と演
算を繰り返すように制御する制御手段を具備することを
特徴とする流量制御バルブ及び該流量制御バルブを燃料
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】本発明は流量制御バルブ及び
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６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】上記の各流量制御弁は、燃料電池の反応を
効率的に行うために、質量流量を正確に制御する必要が
ある。また、自動車等車載用では車載スペースをできる
限り小さくすることが重要であり、エネルギー効率から
重量もできる限り軽くすることが重要である。更に、燃
料電池自動車が普及するためには、燃料電池システムを
低コスト化することが重要である。

【００１４】従来技術として、カタログ「流体（計測・
制御・発生）機器Ｋ−８００１総合カタログ（コフロ
ック株式会社１９９７年３月１日発行）」にマスフロー
メータで質量流量を測定し、その測定値をフィードバッ
クして流量を制御する流量制御バルブが記載されてい
る。これは、前記カタログに限らず質量流量を正確に制
御するための一般的な方法である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術は、マスフローメータが高価で容積・重量も大きいた
め、大型で重く高コストになる問題があった。

【００１６】本発明は上記課題を解決したもので、小型
・軽量で低コストの流量制御バルブ及び燃料電池システ
ムを提供する。

【００１７】

【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、流体の温度
を検知する温度検知手段と、前記流体の圧力を検知する
圧力検知手段と、１次側ポートと２次側ポートの差圧を
検知する差圧検知手段と、バルブの開度を調節できる開
度調節手段と、バルブの開度を検知する開度検知手段
と、検知圧力、検知差圧、検知開度に基づいて流体の質
量流量を演算する演算手段と、演算された質量流量が設
定量となるように前記調節と演算を繰り返すように制御
する制御手段を具備することを特徴とする流量制御バル
ブである。

【００１８】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１９】即ち、流量制御バルブ内部に設けられた検
知手段により正確に流量を制御でき、高価な質量流量計
が必要ないので、小型・軽量・低コストで正確な流量制
御バルブができる効果を有する。

【００２０】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、前記演算手段は、あらかじめ
前記検知圧力、検知差圧、検知開度とバルブ有効断面積
の相関をマップデータとして具備することを特徴とする
請求項１記載の流量制御バルブである。

【００２１】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２２】即ち、前記マップデータによりバルブ有効
断面積を正確に決められるので、精度の高い流量制御が
できる。

【００２３】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、前記流量制御バルブにおい
て、バルブボデーが樹脂であり、流体の管路と継合する
継手部が金属であることを特徴とする請求項１記載の流
量制御バルブである。

【００２４】上記第３の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２５】即ち、強度が必要な部分だけを金属で構成
することにより、バルブボデーに軽量な樹脂を使用する
ことができるので、軽量な流量制御バルブができる。

【００２６】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技
術的手段と称する。）は、前記継手部がバルブボデーと
締結するための外周ネジ部を備え、バルブボデーにカシ
メるための鍔を具備し、前記継手部と前記バルブボデー
の間にシール材を設けたことを特徴とする請求項３記載
の流量制御バルブである。

【００２７】上記第４の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２８】即ち、前記鍔により前記継手部がゆるむこ
とを防止することができ、前記継手部と前記バルブボデ
ーの間のシール材により流体の漏れを防止することがで
きる。

【００２９】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技
術的手段と称する。）は、前記継手部の外周部がバルブ
ボデーとの接触面積が大きい迷路構造であり、前記外周
部が少なくとも一つの平面を有することを特徴とする請
求項３記載の流量制御バルブである。

【００３０】上記第５の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００３１】即ち、前記迷路構造によりシール面積を大
きく取ることができるので流体の漏れと継手部のゆるみ
を防止でき、側面が少なくとも一つの平面を有している
ので継手部が回転することを防止することができる。

【００３２】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項６において講じた技術的手段（以下、第６の技
術的手段と称する。）は、請求項１〜５に記載の流量制
御バルブを、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。

【００３３】上記第６の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００３４】即ち、小型・軽量・低コストで且つ正確な
流量制御弁を使用しているので、小型・軽量・低コスト
で効率の良い燃料電子システムができる。

【００３５】

【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。

【００３６】図１は、本発明の実施例１の自動車用燃料
電池システムの空気管路に設けられた流量制御バルブの
断面図である。、図２は、本発明の実施例１の自動車用
燃料電池システムの空気管路に設けられた流量制御バル
ブの継手部の側面図である。

【００３７】前記流量制御バルブは、モータ６、ブラケ
ット１３、バルブボデー３０Ａ及び継手部１６Ａ、１６
Ｂから構成されている。前記モータ６と前記バルブボデ
ー３０Ａは前記ブラケット１３により連結されている。
前記バルブボデー３０Ａと前記ブラケット１３はポリフ
ェニレンサルファイド樹脂製である。これにより、流量
制御バルブは軽量化している。

【００３８】前記バルブボデー３０Ａには一次側ポート
１、二次側ポート２、連通弁口７があり、前記一次側ポ
ート１と前記二次側ポート２の間の前記連通弁口７を開
閉する弁部１４が設けられている。前記一次側ポート１
には前記継手部１６Ａが連結され、前記二次側ポート２
には前記継手部１６Ｂが連結されている。

【００３９】前記継手部１６Ａと前記継手部１６Ｂは強
度を確保し腐食を防止するため金属のＳＵＳ３０４でで
きており、同一の形状のものである。以後、前記継手部
１６Ａを用いて構造及び機能を説明する。

【００４０】前記継手部１６Ａの内周部には、空気管路
と継合するためのネジ部２７が設けられている。前記ネ
ジ部２７はＰＴネジである。前記継手部１６Ａの外周部
には雄ネジの外周ネジ部２６が設けられ、前記一次側ポ
ート１の内周部に設けられた雌ネジと螺合している。

【００４１】前記継手部１６Ａには鍔２１が設けられ、
該鍔２１の折り曲げ部１９を折り曲げて、前記継手部１
６Ａを前記一次側ポート１に完全に固定している。これ
により、空気管路と継合するときのトルクなどによって
前記継手部１６Ａが回転することを防止できる。前記鍔
２１と前記一次側ポート１の間にはシール材であるＯリ
ング１８が設けられ、空気の漏れを防止している。

【００４２】前記一次側ポート１と前記二次側ポート２
の間には一次側空気の圧力と二次側空気の圧力の圧力差
を測定する差圧検知手段である差圧センサ５が設けられ
ている。

【００４３】前記一次側ポート１には一次側流体の温度
を測定する温度検知手段である温度センサ３が設けら
れ、前記二次側ポート２には二次側流体の圧力を測定す
る圧力検知手段である圧力センサ４が設けられている。

【００４４】前記弁部１４はロッド１０と結合してお
り、該ロッド１０は、開度調節手段であるモータ６と連
結しているシャフト９と螺合している。前記モータ６の
回転運動は前記ロッド１０の直線運動に変換される。

【００４５】前記ロッド１０には鍔部１１が形成されて
おり、ブラケット１３には前記鍔部１１と同幅のスリッ
ト１２が前記ロッド１０の長手方向に設けられている。
前記鍔部１１が前記スリット１２にはまりこんでいるの
で、前記ロッド１０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。

【００４６】前記モータ６の内部には、前記シャフト９
の回転角を検知して流量制御バルブの開度を検知する開
度検知手段である開度センサ２０が設けられている。前
記開度センサ２０はリングマグネット１７と磁気検出機
能を有するホールＩＣ１５から構成されている。前記リ
ングマグネット１７は、外周側面部が円周方向にＮＳ交
互に短冊状に着磁され、前記シャフト９に連結して設け
られている。前記ホールＩＣ１５は、モータケース６ａ
に連結して固定され、前記シャフト９の回転と一緒に回
転する前記リングマグネット１７に着磁されているＮと
Ｓの数をカウントして前記シャフト９の回転角を検知し
ている。

【００４７】図３は本発明の実施例１の流量制御バルブ
の制御ブロック図である。

【００４８】バルブ１００に設けられた圧力検知手段１
０１、差圧検知手段１０２、開度検知手段１０３、温度
検知手段１０４の検知情報（それぞれ検知圧力、検知差
圧、検知開度、検知温度と称する。）が演算手段１０５
に伝達される。

【００４９】前記演算手段１０５において、現在流れて
いる空気の質量流量が式（１）、（２）で算出される。

【００５０】Ｐ_２／Ｐ_１＞０．５２８３の場合Ｑ＝２２６×Ｓ×（ΔＰ×Ｐ_２）^１／２×σ ・・・（１）Ｐ_２／Ｐ_１≦０．５２８３の場合Ｑ＝１１３×Ｓ×（ΔＰ＋Ｐ_２）×σ ・・・・・（２）Ｐ_２［Ｍｐａ（絶対圧）］：二次側ポート圧力（検知圧
力）Ｐ_１［Ｍｐａ（絶対圧）］：一次側ポート圧力（＝ΔＰ
＋Ｐ_２） ΔＰ［Ｍｐａ］：一次側ポートと二次側ポートの差圧
（検知差圧）Ｓ［ｍｍ^２］：流量制御バルブのバルブ有効断面積 σ［ｇ／Ｌ］：温度検知手段で検知された空気の温度
（検知温度）から算出した流体の密度Ｑ［ｇ／ｍｉｎ］：空気の質量流量前記演算手段１０５は、あらかじめ二次側ポート圧力Ｐ
_２、一次側ポートと二次側ポートの差圧ΔＰ、開度検知
手段１０３で検知した検知開度と流量制御バルブのバル
ブ有効断面積Ｓの相関をマップデータとして具備してい
る。前記マップデータは、あらかじめ二次側ポート圧力
Ｐ_２、一次側ポートと二次側ポートの差圧ΔＰ、前記検
知開度をパラメータにして精密流量計で質量流量を測定
し、そのデータから式（１）、（２）を用いて前記相関
をもとめて作製したものである。このマップデータは、
前記演算手段１０５に備えられたＲＯＭに記録されてい
る。

【００５１】前記演算手段１０５は、二次側ポート圧力
Ｐ_２、一次側ポートと二次側ポートの差圧ΔＰ、前記検
知開度から前記ＲＯＭに記録されているマップデータに
基づいて前記バルブ有効断面積Ｓを算出し、このバルブ
有効断面積Ｓと二次側ポート圧力Ｐ_２、一次側ポートと
二次側ポートの差圧ΔＰ、流体の密度σを使用して式
（１）、（２）により空気の質量流量を算出する。これ
により精度の高い流量制御が可能になる。

【００５２】前記バルブ有効断面積Ｓの算出に前記マッ
プデータを用いる理由は、バルブ有効断面積Ｓが流体の
渦の発生などにより検知開度で一義的に決まらないため
である。この影響は、広い流量・圧力領域で制御する必
要がある流量制御バルブの場合、特に大きい。狭い流量
・圧力領域を制御する流量制御バルブの場合には、検知
開度から決められる値をバルブ有効断面積Ｓとして用い
ることができる。

【００５３】前記演算手段１０５で算出された現在の空
気の質量流量と、別に空気の設定質量流量を設定した流
量設定信号１０６を制御手段１０７によって比較して、
前記流量制御バルブの質量流量が設定質量流量になるよ
うに計算して信号を開度調節手段１０８に送る。前記開
度調節手段１０８は、前記制御手段１０７から送られた
信号に基づいてバルブ１００の開度を調節する。

【００５４】前記流量制御バルブの質量流量が前記設定
質量流量に一致するまで前記制御手段によってフィード
バック制御される。

【００５５】なお、実施例１では、圧力検知手段１０１
が圧力センサ４であり、差圧検知手段１０２が差圧セン
サ５であり、開度検知手段１０３が開度センサ２０であ
り、温度検知手段１０４が温度センサ３である。また、
開度調節手段１０８は、実施例１ではモータ６である。

【００５６】本実施例では、流体が空気であるとしてい
るが、他のガスでも或いは液体でも式（１）をその流体
用に変更することにより適用することができる。

【００５７】図４は、本発明の実施例２の自動車用燃料
電池システムの空気管路に設けられた流量制御バルブの
断面図である。図５は、本発明の実施例２の自動車用燃
料電池システムの空気管路に設けられた流量制御バルブ
の継手部の側面図である。

【００５８】本実施例２は、実施例１の継手部及びバル
ブボデーの一次側ポート及び二次側ポートの前記継手部
と結合する部分の構造を変更したもので、他の部分は同
じである。したがって、継手部に関連する部分だけを説
明し、他の部分の構造及び機能の説明は省略する。

【００５９】継手部２５Ａは一次側ポートと結合し、継
手部２５Ｂは二次側ポートと結合している。前記継手部
２５Ａと前記継手部２５Ｂは強度を確保し腐食を防止す
るため金属のＳＵＳ３０４でできており、同一の形状で
ある。以後は、前記継手部２５Ａを用いて構造及び機能
を説明する。

【００６０】前記継手部２５Ａの内周部には、空気管路
と継合するためのネジ部２４が設けられている。前記ネ
ジ部２４はＰＴネジである。前記継手部２５Ａの外周部
は凸部２２と凹部２３が繰り返す迷路構造になってい
る。前記凸部２２の外周形状は六角柱形であり、前記凹
部２３の外周形状は円柱形である。

【００６１】実施例２のバルブボデー３０Ｂは、ポリフ
ェニレンサルファイド樹脂の射出成形で製造されてお
り、前記射出成型時に前記継手部２５Ａ及び２５Ｂが結
合される。

【００６２】前記継手部２５Ａの凸部２２の外周形状が
六角柱形であるので、空気管路と継合するときのトルク
などによって回転することを防止されている。前記凸部
２２の外周形状は外周形状は六角柱形であるが、前記継
手部２５Ａの回転を防止できる、少なくとも一つの平面
を有していれば、どんな形状でも良い。

【００６３】また、前記継手部２５Ａの外周部は凸部２
２と凹部２３が繰り返す迷路構造により、一次側ポート
の長手方向の移動を防止すると同時に、バルブボデー３
０Ｂとの接触面積が増加し、ガスを完全にシールするこ
とができる。

【００６４】実施例２は、バルブボデーの製造に射出成
形が適用できる構造であるので、生産性が向上し低コス
トにできる。

【００６５】

【発明の効果】以上のように、本発明は、流体の温度を
検知する温度検知手段と、前記流体の圧力を検知する圧
力検知手段と、１次側ポートと２次側ポートの差圧を検
知する差圧検知手段と、バルブの開度を調節できる開度
調節手段と、バルブの開度を検知する開度検知手段と、
検知圧力、検知差圧、検知開度に基づいて流体の質量流
量を演算する演算手段と、演算された質量流量が設定量
となるように前記調節と演算を繰り返すように制御する
制御手段を具備することを特徴とする流量制御バルブ及
び該流量制御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、小型・軽量で低コストの流量制御バ
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１の自動車用燃料電池システム
の空気管路に設けられた流量制御バルブの断面図

【図２】本発明の実施例１の自動車用燃料電池システム
の空気管路に設けられた流量制御バルブの継手部の側面
図

【図３】本発明の実施例１の流量制御バルブの制御ブロ
ック図

【図４】本発明の実施例２の自動車用燃料電池システム
の空気管路に設けられた流量制御バルブの断面図

【図５】本発明の実施例２の自動車用燃料電池システム
の空気管路に設けられた流量制御バルブの継手部の側面
図

【図６】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…一次側ポート２…二次側ポート３…温度センサ（温度検知手段）４…圧力センサ（圧力検知手段）５…差圧センサ（差圧検知手段）６…モータ（開度調節手段）１５…ホールＩＣ１６Ａ，１６Ｂ，２５Ａ，２５Ｂ…継手部１７…リングマグネット１８…Ｏリング（シール材）１９…折り曲げ部２０…開度センサ（開度検知手段）２１…鍔２２…凸部２３…凹部２６…外周ネジ部３０Ａ、３０Ｂ…バルブボデー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）１００…バルブ１０１…圧力検知手段１０２…差圧検知手段１０３…開度検知手段１０４…温度検知手段１０５…演算手段１０７…制御手段１０８…開度調節手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体の温度を検知する温度検知手段と、
前記流体の圧力を検知する圧力検知手段と、１次側ポー
トと２次側ポートの差圧を検知する差圧検知手段と、バ
ルブの開度を調節できる開度調節手段と、バルブの開度
を検知する開度検知手段と、検知圧力、検知差圧、検知
開度に基づいて流体の質量流量を演算する演算手段と、
演算された質量流量が設定量となるように前記調節と演
算を繰り返すように制御する制御手段を具備することを
特徴とする流量制御バルブ。
【請求項２】前記演算手段は、あらかじめ前記検知圧
力、検知差圧、検知開度とバルブ有効断面積の相関をマ
ップデータとして具備することを特徴とする請求項１記
載の流量制御バルブ。
【請求項３】前記流量制御バルブにおいて、バルブボ
デーが樹脂であり、流体の管路と継合する継手部が金属
であることを特徴とする請求項１記載の流量制御バル
ブ。
【請求項４】前記継手部がバルブボデーと締結するた
めの外周ネジ部を備え、バルブボデーにカシメるための
鍔を具備し、前記継手部と前記バルブボデーの間にシー
ル材を設けたことを特徴とする請求項３記載の流量制御
バルブ。
【請求項５】前記継手部の外周部がバルブボデーとの
接触面積が大きい迷路構造であり、前記外周部が少なく
とも一つの平面を有することを特徴とする請求項３記載
の流量制御バルブ。
【請求項６】請求項１〜５に記載の流量制御バルブ
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。