JP2012092920A - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】高圧ガスタンクから燃料ガスを取り出す際に、タンク構造の複雑化を抑えつつ、燃料ガスの温度低下を抑制する。
【解決手段】燃料供給装置は、燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料ガスタンクと、燃料ガスタンク内の温度を検出する温度検出手段と、燃料ガスタンクに接続される燃料ガス放出流路と、燃料ガス放出流路に設けられるパイロット式弁と、制御部と、を備える。パイロット式弁は、燃料ガスが流入する入口部及び燃料ガスが流出する出口部と、入口部及び出口部の間に配置され、燃料ガス放出流路を開閉する主弁と、入口部及び出口部を連通するように設けられたパイロット流路と、パイロット流路を開閉するパイロット弁と、主弁及びパイロット弁を別々のタイミングで開閉可能なアクチュエータと、を有する。制御部は、温度検出手段が検出する検出温度が基準温度以下になったときに、パイロット弁のみを開弁し、主弁の閉弁状態を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料供給システムに関するものである。

水素ガスを燃料ガスとして用いて発電する燃料電池に水素ガスを供給するために、圧縮水素を充填した水素タンクを用いる構成が知られている。このような高圧ガスタンクから燃料ガスを取り出す際には、タンク内で燃料ガスが断熱膨張することにより、タンク内の温度が低下する。タンクから取り出される燃料ガスの温度が低すぎる場合には、タンクの下流側に配置される部材等において、低温対策が必要となる。このようなタンク内温度の低下に対する方策の一つとして、従来、タンク内に伝熱部材を配置して、温度の均一化を図る構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１８１２９５号公報 特開２００９−１６８１６６号公報

しかしながら、タンク内における断熱膨張による燃料ガスの温度低下は、タンクからの燃料ガスの取り出し時に、タンク内壁近傍において直ちに進行するものである。そのため、タンク内部に伝熱部材を配置する場合であっても、タンクから取り出す燃料ガスの温度低下を充分に抑制することができない場合があった。また、タンク内に伝熱部材を配置する構成は、タンク構造の複雑化や、充填可能なガス量の減少、あるいは、タンク重量の増加を引き起こすため、採用し難い場合がある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、高圧で燃料ガスを貯蔵するタンクから燃料ガスを取り出す際に、タンク構造の複雑化を抑えつつ、タンクから取り出される燃料ガスの温度低下を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。

［適用例１］
燃料ガスを供給する燃料供給装置であって、前記燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンク内の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料ガスタンクに接続される燃料ガス放出流路と、前記燃料ガス放出流路に設けられるパイロット式弁と、前記パイロット式弁の開閉を制御する制御部と、を備え、前記パイロット式弁は、前記燃料ガスが流入する入口部及び前記燃料ガスが流出する出口部と、前記入口部及び前記出口部の間に配置され、前記燃料ガス放出流路を開閉する主弁と、前記入口部及び前記出口部を連通するように設けられたパイロット流路と、前記パイロット流路を開閉するパイロット弁と、前記主弁及び前記パイロット弁を別々のタイミングで開閉可能なアクチュエータと、を有し、前記制御部は、前記温度検出手段が検出する検出温度が基準温度以下になったときに、前記パイロット弁のみを開弁し、前記主弁の閉弁状態を維持する燃料供給装置。

適用例１に記載の燃料供給装置によれば、燃料ガスタンク内の燃料ガスの温度が基準温度以下になったときに、主弁は閉弁された状態でパイロット弁のみが開弁するように制御を行なうため、燃料ガスタンクからの燃料ガス放出量を抑え、燃料ガスタンク内の燃料ガスの、更なる温度低下を抑制することができる。また、燃料ガスタンクから放出される低温の燃料ガスの量を抑制することができるため、燃料ガスタンクよりも下流に配置される部材が、低温になり過ぎるのを抑制することができる。さらに、パイロット式弁を用いるため、装置の複雑化を抑えることができる。

［適用例２］
適用例１に記載の燃料供給装置であって、前記制御部は、前記温度検出手段が検出する前記検出温度が前記基準値以下になったときに、前記パイロット弁の開閉を繰り返し、前記主弁の開弁状態を維持する燃料供給装置。適用例２に記載の燃料供給装置によれば、パイロット弁の開閉を繰り返して主弁を閉弁状態に維持することで、燃料ガスタンクから放出される燃料ガス量を抑制することができる。

［適用例３］
適用例１または２に記載の燃料供給装置であって、前記パイロット弁は、前記主弁内に設けられている前記パイロット流路を開閉する燃料供給装置。適用例３に記載の燃料供給装置によれば、パイロット弁が開閉するパイロット流路が主弁内に設けられたコンパクトなパイロット式弁を用いて、燃料ガスタンクから放出される燃料ガス量を抑制することができる。

［適用例４］
適用例１ないし３いずれか記載の燃料供給装置であって、前記アクチュエータは、前記パイロット弁を駆動すると共に、前記パイロット弁を介して前記主弁を駆動する燃料供給装置。適用例４に記載の燃料供給装置によれば、主弁とパイロット弁の開閉のために共通のアクチュエータを用いるコンパクトなパイロット式弁を用いて、燃料タンクから放出される燃料ガス量を抑制することができる。

［適用例５］
適用例１ないし４いずれか記載の燃料供給装置であって、前記アクチュエータは電磁石である燃料供給装置。適用例５に記載の燃料供給装置によれば、電磁石に対する通電制御を行なうことで、燃料ガスタンクから放出される燃料ガス量を抑制することができる。

［適用例６］
適用例１ないし５いずれか記載の燃料供給装置であって、前記基準温度は、前記燃料ガス放出流路において、前記パイロット式弁よりも下流側に配置された部材における耐冷温度に基づいて設定される温度である燃料供給装置。適用例６に記載の燃料供給装置によれば、パイロット式弁よりも下流側に配置された部材において、低温の燃料ガスが供給されることに起因する不都合の発生を抑制することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムや、燃料供給装置による燃料供給方法などの形態で実現することが可能である。

燃料供給装置１０の概略構成を表わすブロック図である。 主止弁２０の開閉メカニズムを説明するための図である。 主止弁２０の開閉メカニズムを説明するための図である。 主止弁２０の開閉メカニズムを説明するための図である。 低温回避制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。 パイロット弁開弁制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。

Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料供給装置１０の概略構成を表わすブロック図である。本実施例の燃料供給装置１０は、燃料電池を駆動用電源として備える電気自動車に搭載されて、燃料電池に対して燃料ガスである水素ガスを供給する装置である。すなわち、本実施例の燃料供給装置１０は、電気自動車に搭載される燃料電池システムの一部を構成する。

燃料供給装置１０は、燃料電池に供給するための水素ガスを貯蔵する水素タンク２２と、水素タンク２２に水素ガスを充填するための配管と、水素タンク２２が放出した水素ガスを燃料電池に導くための配管、および、制御部３８を備えている。本実施例は、水素タンク２２が放出した水素ガスを燃料電池に導くための配管に設けられたパイロット式電磁弁の制御に特徴があるが、まず、燃料供給装置１０の全体構成について説明する。

本実施例の燃料供給装置１０は、図１に示すように、４本の水素タンク２２を備えている。燃料供給装置１０が備える水素タンク２２の数は、１本以上の任意の数とすることができる。また、各々の水素タンク２２には、水素タンク２２の内部温度を検出するための温度センサ２３が設けられている。

水素タンク２２に対して水素ガスを充填するための配管として、第１の水素充填流路３１、充填流路集合部３２、および、第２の水素充填流路３３が設けられている。第１の水素充填流路３１の一端に設けられた開口部は、充填口３０を構成する。充填口３０は、外部から電気自動車へと水素ガスを補給する際のインターフェイスとして機能する。

第１の水素充填流路３１の他端は、充填流路集合部３２に接続する。充填流路集合部３２には、さらに、４本の第２の水素充填流路３３が接続する。各々の第２の水素充填流路３３は、いずれかの水素タンク２２に接続している。なお、各々の第２の水素充填流路３３には、逆止弁２４が設けられている。逆止弁２４を設けることにより、水素タンク２２から充填口３０側への水素ガスの流れが妨げられている。また、各々の第２の水素充填流路３３において、逆止弁２４と水素タンク２２との間には、第１圧力センサ２１が設けられている。第１圧力センサ２１は、水素タンク２２内の水素圧を検出するためのセンサである。なお、第１圧力センサ２１は、水素タンク２２に取り付けても良く、後述する第１の水素放出流路３４において、後述する主止弁２０の上流側に設けても良い。

水素タンク２２内の水素ガスを燃料電池に導くための配管として、第１の水素放出流路３４、放出流路集合部３５、および、第２の水素放出流路３６が設けられている。第１の水素放出流路３４は、４本の水素タンク２２の各々に対応して設けられており、一端が水素タンク２２に接続されると共に、他端が放出流路集合部３５に接続されている。放出流路集合部３５には、さらに、第２の水素放出流路３６の一端が接続されている。第２の水素放出流路３６の他端は、燃料電池に接続されている（図示せず）。

各々の第１の水素放出流路３４には、主止弁２０が設けられている。主止弁２０は、主弁とパイロット弁とを備えるパイロット式の電磁弁であり、発電時に燃料電池に対して水素ガスを供給する際には開弁され、発電停止時に燃料電池に対する水素ガスの供給を停止する際には閉弁される。

第２の水素放出流路３６には、水素流れの上流側から順に、レギュレータ２５およびインジェクタ２６が設けられている。レギュレータ２５は、導入された水素ガスの一次圧を、レギュレータ２５よりも下流側では所定の２次圧に減圧させるための減圧弁である。より具体的には、レギュレータ２５は、ダイヤフラムタイプの減圧弁とすることができる。

インジェクタ２６は、電磁駆動式の開閉弁を内部に備え、この開閉弁の駆動周期や開弁時間（デューティー比）を制御することによって、燃料電池に供給される水素量を制御する。なお、本実施例では単一のレギュレータ２５を設けたが、インジェクタ２６に先だって充分に水素圧力を低減するために、減圧弁を複数設けることとしても良い。

放出流路集合部３５には、第２圧力センサ２７が設けられており、水素タンク２２から放出された水素ガスの圧力を検出可能となっている。また、第２の水素放出流路３６において、レギュレータ２５とインジェクタ２６の間には、第３圧力センサ２８が設けられており、インジェクタ２６の下流側には、第４圧力センサ２９が設けられている。インジェクタ２６における既述した駆動周期や開弁時間の制御は、インジェクタ２６の上流側と下流側の水素圧力として検出される、第３圧力センサ２８および第４圧力センサ２９の検出信号に基づいて行なわれる。

制御部３８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。制御部３８は、温度センサ２３、あるいは第１ないし第４圧力センサの検出信号を取得する。また、制御部３８は、主止弁２０やインジェクタ２６に対して駆動信号を出力する。なお、制御部３８は、燃料供給装置１０を含む燃料電池システムおよび電気自動車の運転状態に係る種々の情報も取得する。このようにして取得した情報に基づいて、制御部３８は、燃料電池システムおよび電気自動車の運転状態や、燃料電池に対して供給すべき水素量を判断し、主止弁２０やインジェクタ２６に対して駆動信号を出力する。

Ｂ．パイロット式電磁弁の基本動作：
主止弁２０は、主弁とパイロット弁とを備えるパイロット式の電磁弁である。本実施例のパイロット式電磁弁は、アクチュエータである電磁石によってパイロット弁の開閉を行ない、パイロット弁を開弁することで下流側の流体圧力と上流側の流体圧力との差圧を小さくして、小さな動力で主弁の開弁を行なう。以下に、主止弁２０の開閉に係る基本動作を説明する。

図２、図３、および、図４は、主止弁２０の開閉メカニズムを説明するための図である。主止弁２０は、主に、コイル３１０と、主弁３００と、パイロット弁３３３とから構成される。主弁３００は、主弁弁座３４０を含む主弁弁座部材３４１と、主弁弁体３３０と、主弁弁体３３０に設けられる主弁シート部３４５とを備える。図２〜図４では、主弁弁体３３０にはハッチングを施している。

主弁弁体３３０には、後述するパイロットピン３８０が挿入される主弁第１孔３８５と、主弁弁体３３０内に水素を流入させるための主弁第２孔３３５が形成されている。主弁３００は、主弁シート部３４５が主弁弁座３４０に着座することにより閉弁され、主弁シート部３４５が主弁弁座３４０から離れることにより開弁される。図２では、主弁３００の開口部３９９の径を、径ｂとして示している。

パイロット弁３３３は、主弁弁体３３０の中に形成され、パイロット弁弁座３６０を含むパイロット弁弁座部材３６１と、パイロット弁弁体３５０と、パイロット弁弁体３５０に設けられるパイロット弁シート部３６５と、リターンスプリング３２０とを備える。リターンスプリング３２０は、パイロット弁弁体３５０に対して、図２〜４においてｙ方向（閉弁方向）と示す方向に、力Ｆｓ（以下では、リターンスプリング力Ｆｓと呼ぶ）を加える。パイロット弁弁体３５０には、既述した主弁第１孔３８５に挿入されるパイロットピン３８０が設けられている。パイロット弁３３３は、パイロット弁シート部３６５がパイロット弁弁座３６０に着座することにより閉弁され、パイロット弁シート部３６５が主弁弁座３４０から離れることにより開弁される。図２では、パイロット弁３３３の開口部３７０の径を、径ａとして示している。

コイル３１０は、制御部３８からの駆動信号により通電されると、パイロット弁弁体３５０を図２〜４においてｘ方向（開弁方向）と示す方向に吸引する吸引力Ｆｒを生じさせる。吸引力Ｆｒは、コイルに対する通電量を調節することによって制御可能である。

主弁弁座部材３４１と主弁弁体３３０との間には、水素タンク２２からの水素ガスが流入する主弁流路３９０が形成される。また、パイロット弁弁座部材３６１とパイロット弁弁体３５０との間には、既述した主弁第２孔３３５を介して主弁流路３９０からの水素ガスが流入するパイロット流路３９５が形成される。なお、主弁流路３９０には、所定の圧力損失が生じると考えられるが、本実施例では、主弁流路３９０内の水素ガスの圧力を、主止弁２０の入口圧力（１次圧）であるタンク圧値Ｐｍとみなす。また、主止弁２０の出口圧力（２次圧）を、Ｐｋとする。

図２は、コイル３１０に電流を流していない場合、すなわち、吸引力Ｆｒが生じていない主止弁２０を示す。この場合、パイロット弁３３３においては、パイロット弁弁体３５０がパイロット弁弁座３６０をｙ方向（閉弁方向）に押圧する力として、リターンスプリング力Ｆｓが加えられる。また、パイロット弁３３３においては、開口部３７０の径ａにおける圧力差により生じる力、すなわち、１次圧である圧力Ｐｍと２次圧である圧力Ｐｋとの差により生じる力が加えられる。このとき、タンク圧力Ｐｍは下流側の圧力Ｐｋよりも高くなるため、上記圧力差により生じる力は、ｙ方向の力となる。このように、非通電時には、パイロット弁３３３に対してはｙ方向の力のみが働くため、パイロット弁３３３は閉弁状態となる。

主弁３００においても同様に、ｙ方向（閉弁方向）の力として、リターンスプリング力Ｆｓと、開口部３９９の径ｂにおける圧力差（１次圧と２次圧の差）により生じる力が加えられる。したがって、主弁３００も閉弁状態となる。

図３は、コイル３１０に電流を流した直後の主止弁２０を示す。コイル３１０への通電が行なわれると、コイル３１０によってパイロット弁弁体３５０は、吸引力Ｆｒで吸引される。既述したように、パイロット弁３３３においては、ｙ方向（閉弁方向）の力として、リターンスプリング力Ｆｓと、開口部３７０の径ａにおける圧力差（１次圧と２次圧の差）により生じる力が加えられている。そのため、コイル３１０への通電によって、ｘ方向（開弁方向）の力である吸引力Ｆｒとして、上記ｙ方向の力よりも充分に大きな力を発生させることにより、パイロット弁弁体３５０がｘ方向に引き上げられて、パイロット弁３３３が開弁される。このとき、パイロット弁弁体３５０は、パイロットピン３８０が、主弁第１孔３８５の内壁面に当接するまで、ｘ方向に引き上げられる。

このようにパイロット弁３３３が開弁すると、水素タンク２２内の水素ガスは、主弁流路３９０、パイロット流路３９５、および、開口部３７０を介して、２次側（第１の水素放出流路３４の下流側）へ供給される。そして、主止弁２０において、パイロット弁３３３が開くことにより２次側に水素ガスが供給されると、２次圧が次第に上昇する。

図４は、図３の状態からさらに続けてコイル３１０に電流を流した主止弁２０を示す。主弁３００においては、ｙ方向（閉弁方向）の力として、リターンスプリング力Ｆｓと、開口部３９９の径ｂにおける圧力差（１次圧と２次圧の差）により生じる力が加えられている。また、ｘ方向（開弁方向）の力として、吸引力Ｆｒが加えられている。主止弁２０において、通電によりパイロット弁３３３が開き、２次圧が上昇すると、開口部３９９の径ｂにおける圧力差により生じる力が次第に低下して、主弁３００に加えられるｙ方向の力が減少する。このようにｙ方向の力が減少することでｘ方向の力がｙ方向の力以上となり、主弁弁体３３０を持ち上げることができる程度にｘ方向の力が上回ると、図４のごとく、主弁弁体３３０がｘ方向に押し上げられる。これにより、主弁３００は開弁し、水素タンク２２内の水素ガスが開口部３９９を介して、第１の水素放出流路３４の下流側へ供給される。

なお、主弁３００が開弁した状態で、コイル３１０への通電を停止すると、吸引力Ｆｒが消失する。これにより、ｘ方向（開弁方向）の力が消失し、主弁弁体３３０が主弁弁座３４０に着座すると共に、パイロット弁弁体３５０がパイロット弁弁座３６０に着座し、主止弁２０は閉弁する。

Ｃ．温度に基づくパイロット式電磁弁の制御：
本実施例の燃料供給装置１０は、水素タンク２２からの水素取り出し時に、水素タンク２２内で水素ガスが断熱膨張することにより水素タンク内の温度が低下すると、主止弁２０の制御を変更して、水素タンク内の温度低下を抑制する。以下に、このような主止弁２０の制御変更に係る動作について説明する。

図５は、燃料供給装置１０を含む燃料電池システムの稼働時に、制御部３８において実行される低温回避制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システムが起動されたときに起動され、燃料電池システムが停止されるまで繰り返し実行される。

本ルーチンが起動されると、制御部３８は、燃料電池の発電要求が有るか否か、すなわち、燃料電池に対する水素ガスの供給が行なわれる状態であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。燃料電池の発電要求が有るか否かの判断は、例えば、燃料電池システムを搭載する電気自動車におけるアクセル開度に基づき、アクセル開度が正の値であるときに、発電要求が有ると判断することができる。あるいは、燃料電池が発電する電力を、車両の駆動エネルギとして用いる他に、例えば、空気調整設備や照明設備などの車両補機にも供給する場合には、車両全体として燃料電池に対する発電要求が有るか否かを判断すればよい。

ステップＳ１００において、燃料電池の発電要求が有ると判断したときには、制御部３８は、水素タンク２２内の水素ガス温度が、第１の基準温度以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。ここで、第１の基準温度とは、水素タンク２２内の水素ガス温度がそれ以上低下することのないように、主止弁２０における制御変更を開始すべき温度として、予め設定して制御部３８内に記憶した値である。第１の基準温度は、主止弁２０よりも下流側に配置される部材の耐冷温度に基づいて定めれば良い。例えば、レギュレータ２５が備えるシール部材を、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）によって構成する場合に、第１の基準温度を−３０℃に設定することができる。配管に設けられる各部材では、下流側ほど水素ガスが周囲と熱交換して昇温することにより、低温の水素ガスの影響を受け難くなる。そのため、主止弁２０よりも下流側に配置される各部材における耐冷温度と、各部材が水素タンク２２から放出される水素ガスの低温の影響を受ける程度（主止弁２０からの距離等）とを考慮して、各部材が各々の耐冷温度を下回ることのないように、第１の基準温度を定めればよい。

ステップＳ１１０では、水素タンク２２内の水素ガス温度として、温度センサ２３の検出信号を取得し、上記第１の基準温度との比較を行なう。ステップＳ１１０が実行されるときには、ステップＳ１００において燃料電池の発電要求が有ると判断されているため、水素タンク２２から燃料電池へと水素ガスが供給されている。水素タンク２２から水素ガスを取り出す際には、水素タンク２２内で水素ガスが断熱膨張することにより、水素タンク２２内の水素ガス温度が低下する。水素タンク２２からの水素ガスの取り出し量が多いほど、水素タンク２２内の水素ガス温度の低下の程度は大きくなる。また、水素の取り出しを継続して行なえば、水素タンク２２内の水素ガス温度は低下を続け、水素タンク２２内の水素ガス温度が、第１の基準温度以下になる場合がある。

ステップＳ１１０において、水素タンク２２内の水素ガス温度が第１の基準温度以下であると判断すると、制御部３８は、パイロット弁開弁制御を実行する（ステップＳ１２０）。このパイロット弁開弁制御は、水素タンク２２から放出される水素ガスの温度低下を抑制するために、主止弁２０において、主弁３００は閉弁した状態で、パイロット弁３３３のみを開弁させる制御である。ステップＳ１２０におけるパイロット弁開弁制御処理については、後に詳しく説明する。

ステップＳ１２０におけるパイロット弁開弁制御処理を開始すると、制御部３８は、タンクガス温度が第２の基準温度以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。第２の基準温度とは、第１の基準温度よりも高く、主止弁２０よりも下流側の部材に対する低温の影響を考慮する必要が無いと判断できる温度として、予め設定して制御部３８内に記憶した値である。

制御部３８は、ステップＳ１３０においてタンクガス温度が第２の基準温度以上であると判断するまで、温度センサ２３の検出信号の取得と、取得したタンクガス温度と第２の基準温度との比較の処理を繰り返し、ステップＳ１２０で開始したパイロット弁開弁制御処理を実行し続ける。すなわち、水素タンク２２内の水素ガス温度が第２の基準値以上に昇温するまで、パイロット弁開弁制御が継続される。

ステップＳ１３０において、タンクガス温度が第２の基準温度以上であると判断すると、制御部３８は、ステップＳ１２０で開始したパイロット弁開弁制御処理を終了し、主止弁２０の開弁制御を通常の制御に変更して（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。このとき、制御部３８は、水素タンク２２から燃料電池へと水素ガスを供給するために、主弁３００が開弁されるように、コイル３１０に通電する制御を行なう。

なお、ステップＳ１１０において、水素タンク２２内の水素ガス温度が第１の基準温度を超える場合には、低温の水素ガスが供給される影響を考慮する必要がない。そのため、制御部３８は、主止弁２０に対して通常の制御を行ない（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。このとき、制御部３８は、主弁３００が開弁されるように、コイル３１０に通電する制御を行なう。

また、ステップＳ１００において、燃料電池の発電要求が無いと判断されるときには、燃料電池に対して水素タンク２２から水素ガスの供給が行なわれない。したがって、水素ガスの放出に起因する水素タンク内のさらなる温度低下は起こらない。このような場合には、制御部３８は、主止弁２０に対して通常の制御を行ない（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ１４０では、制御部３８は、主止弁２０の閉弁処理を行なう場合がある。

以下に、ステップＳ１２０で実行されるパイロット弁開弁制御について説明する。図６は、パイロット弁開弁制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが起動されると、制御部３８は、主止弁２０のコイル３１０への通電を停止して、主止弁２０を閉弁させる。（ステップＳ２００）。すなわち、コイル３１０への通電が停止されることにより、ｘ方向（開弁方向）の吸引力Ｆｒが消失して、主止弁２０が閉弁する。主止弁２０が閉弁すると、水素タンク２２から燃料電池に対する水素放出が停止される。このとき、ステップＳ１００では燃料電池の発電要求有りと判断されているため、燃料電池における発電は継続している。そのため、主止弁２０が閉弁された後も、燃料電池における水素消費が継続することにより、主止弁２０の下流側における水素ガス圧Ｐｋは、次第に低下する。

ステップＳ２００においてコイル３１０への通電を停止して主止弁２０を閉弁させると、制御部３８は、主止弁２０における入口圧力（１次圧）と出口圧力（２次圧）との差圧が、主弁３００を閉弁状態に維持できる値であるか否かを判断する（ステップＳ２１０）。以下に、このステップＳ２１０における動作について詳しく説明する。

ステップＳ２１０では、制御部３８は、１次圧として、第１圧力センサ２１が検出する水素タンク内水素圧Ｐｍを取得し、２次圧として、第２圧力センサ２７が検出する放出流路集合部３５における水素圧Ｐｋを取得する。そして、取得した１次圧と２次圧の差圧を算出する。

ここで、主止弁２０の主弁３００においては、ｙ方向（閉弁方向）の力として、リターンスプリング力Ｆｓと、開口部３９９の径ｂにおける圧力差（１次圧と２次圧の差）により生じる力と、が加えられる。その中で、リターンスプリング力Ｆｓは一定であるが、開口部３９９の径ｂにおける圧力差により生じる力は、次第に増加する。すなわち、ステップＳ２００において主止弁２０を閉弁した直後は、１次圧と２次圧とがほぼ同じであるため、上記差圧により生じる力は小さいが、燃料電池による水素消費によって２次圧が次第に低下して、上記差圧により生じるｙ方向の力は次第に強まる。

後述するように、制御部３８は、ステップＳ２１０の後にステップＳ２２０において、コイル３１０への通電を開始する。コイル３１０への通電により、図３に基づいて説明した吸引力Ｆｒが発生して、パイロット弁３３３が開弁する。パイロット弁３３３の開弁により、パイロットピン３８０を介して主弁３００に対しても、ｘ方向の力である吸引力Ｆｒが加えられる。上記ステップＳ２２０におけるコイル３１０に対する通電量は、パイロット弁３３３を開弁可能となる吸引力がコイル３１０で生じるように、所定値が予め設定されている。そのため、主弁３００におけるｙ方向の力（リターンスプリング力Ｆｓと、径ｂにおける圧力差により生じる力の合計）が、ｘ方向の力である吸引力Ｆｒよりも大きければ、コイル３１０への通電を行なっても、主弁３００を閉弁状態に維持できることになる。

したがって、ステップＳ２１０では、次のステップＳ２２０においてコイル３１０への通電を開始しても、主弁３００を閉弁状態に維持できるように、１次圧と２次圧の差圧が増加しているか否かを判断している。このような判断は、例えば、径ｂにおける圧力差により生じる力が、吸引力Ｆｒとリターンスプリング力Ｆｓとの差（Ｆｒ−Ｆｓ）よりも大きくなっているか否かに基づいて行なうことができる。より具体的には、吸引力Ｆｒとリターンスプリング力Ｆｓとは、予め定められた値であり、変動するのは、径ｂにおける圧力差により生じる力だけである。また、開口部３９９の径ｂも、予め定められた値である。よって、１次圧と２次圧の差が求められれば、径ｂにおける圧力差により生じる力を定めることができる。また、径ｂにおける圧力差により生じる力が（Ｆｒ−Ｆｓ）よりも大きくなるときの１次圧と２次圧の差の最小値を定めることができる。本実施例では、径ｂにおける圧力差により生じる力が、（Ｆｒ−Ｆｓ）よりも大きくなっていることを判断するための基準となる基準圧力差を、上記した１次圧と２次圧の差の最小値以上の値として予め設定して制御部３８内に記憶している。

ステップＳ２１０において制御部３８は、取得した１次圧と２次圧に基づいて算出した差圧が、上記した基準圧力差に達したか否かを判断する。差圧が基準圧力差に達しているときには、主弁３００を閉弁状態に維持できる圧力差となっていると判断する。制御部３８は、１次圧と２次圧の差圧が基準圧力差に達したと判断されるまで、上記処理を繰り返し実行する。

ステップＳ２１０において、主弁３００を閉弁状態に維持できる圧力差となっていると判断すると、制御部３８は、コイル３１０への通電を開始する（ステップＳ２２０）。ステップＳ２２０では、予め設定された通電量で、コイル３１０への通電が行なわれる。なお、ステップＳ２２０におけるコイル３１０への通電量は、通常の開弁操作時にパイロット弁３３３を開弁させるために通電される量と同じでも良く、異なっていても良い。例えば、通常の開弁操作時には、主弁３００の開弁までの反応時間を短くして開弁の動作の反応性を高めるために、ステップＳ２２０の通電量より大きな値を設定しても良い。

コイル３１０への通電を開始すると、所定の吸引力Ｆｒが生じ、パイロット弁３３３は開弁される。このとき、１次圧と２次圧の差圧が基準圧力差を超えているため、コイル３１０への通電を開始しても、主弁３００は閉弁状態を維持する。なお、パイロット弁３３３が開弁されることにより、パイロット弁３３３の開口部３７０を介した水素ガスの供給が開始される。これにより、主止弁２０の下流側の圧力である２次圧Ｐｋが次第に上昇を始める。

ステップＳ２２０において、コイル３１０への通電を開始すると、その後、制御部３８は、主弁３００が開弁しない電流値となるように、コイル３１０に対する通電量の制御を開始する（ステップＳ２３０）。既述したように、コイル３１０への通電開始によりパイロット弁３３３が開弁されると、主弁３００に対しては、ｙ方向の力（リターンスプリング力Ｆｓと、径ｂにおける圧力差により生じる力の合計）と、ｘ方向の力である吸引力Ｆｒとが加えられる。このとき、ｙ方向の力の方がｘ方向の力よりも大きい状態を維持できれば、主弁３００が開弁しない状態を維持することができる。ここで、ｙ方向の力の内、リターンスプリング力Ｆｓは一定値であるが、径ｂにおける圧力差により生じる力は、パイロット弁３３３が開弁されて２次圧が上昇するに従って小さくなる。そのため、ステップＳ２３０では、径ｂにおける圧力差により生じる力の減少に応じて、コイル３１０に対する通電量を減少させる制御を行ない、吸引力Ｆｒを減少させることによって、ｙ方向の力の方がｘ方向の力よりも大きい状態を維持している。

具体的には、ステップＳ２３０では、制御部３８は、第１圧力センサ２１および第２圧力センサ２７の検出信号に基づいて１次圧と２次圧の差圧を算出し、算出した差圧に基づいて、開口部３９９の径ｂにおける圧力差により生じる力を導出する。制御部３８では、例えば、導出した圧力差と、開口部３９９の径ｂにおける圧力差により生じる力と、の関係を表わすマップを予め記憶しておき、ステップＳ２３０において、当該マップを参照することとすれば良い。そして、上記のようにして求めた開口部３９９の径ｂにおける圧力差により生じる力とリターンスプリング力Ｆｓとの合計よりも小さい吸引力Ｆｒが発生するように、コイル３１０に対する通電量を設定すればよい。

燃料電池における発電量に応じて燃料電池が消費する水素量は変動し、燃料電池が消費する水素量が変動すれば、主止弁２０よりも下流側の水素ガス流路における水素ガス圧（２次圧）が変動する。また、水素タンク２２からの水素ガスの取り出しを継続することにより、水素タンク圧（１次圧）は次第に減少する。そのため、パイロット弁３３３の開口部３７０を介した水素ガスの供給を行なうときには、１次圧と２次圧の差圧は、常に変動し得る。本実施例の制御部３８は、ステップＳ２３０における制御を開始すると、パイロット弁開弁制御処理ルーチンを終了するまで、上記したコイル３１０に対する通電量の制御を継続する。すなわち、１次圧と２次圧の差圧を算出すると共に、主弁３００において、ｙ方向の力の方がｘ方向の力よりも大きい状態を維持できるように、コイル３１０に対する通電量を制御する動作を、繰り返し実行する。

ステップＳ２３０におけるコイル３１０に対する通電量の制御を開始した後に、図５に示した既述したステップＳ１３０において、タンクガス温度が第２の基準値以上であると判断すると（ステップＳ２４０）、制御部３８は、本ルーチンを終了する。本ルーチンの終了により、パイロット弁３３０のみが閉弁し、主弁３００が閉弁するように行なわれるコイル３１０に対する通電量の制御は停止され、制御部３８は、主止弁２０についての通常の制御を開始する（図５のステップＳ１４０）。

以上のように構成された本実施例の燃料供給装置１０によれば、水素供給を行なう際に、水素タンク２２内で水素ガスが断熱膨張することによる水素タンク内の温度低下に伴って、主止弁２０において、主弁３００を閉弁させてパイロット弁３３３のみを開弁させる制御を行なう。このようにパイロット弁３３３のみから水素ガスの供給を行なうことにより、水素ガスの供給量（放出量）および水素タンク２２内の圧力低下のスピードが抑制され、断熱膨張に起因する水素タンク内のさらなる温度低下を抑えることができる。そのため、主止弁２０よりも下流側に配置する各部材に供給される水素ガスの温度が低くなり過ぎることを抑制できる。その結果、主止弁２０よりも下流側に配置する各部材において、低温の水素ガスに対する方策が不要になる。

また、本実施例の燃料供給装置１０によれば、水素タンク２２内の温度が低下したときに、パイロット弁３３３の開口部３７０のみから水素ガスの供給を行なうことにより、温度低下している水素ガスの流量を抑制することができる。流量を抑制すると、水素ガスが下流側に流れる際に、ガス流路の外部との間の熱交換による温度上昇が起こりやすくなり、主弁３００の開口部３９９から、より大きな流量で水素ガスが供給される場合に比べて、下流側に配置される部材が受ける低温ガスからの影響を抑制することができる。

さらに、本実施例の燃料供給装置１０によれば、水素ガスの温度低下を抑制することができるため、主止弁２０よりも下流側に配置される部材を構成する材料として、耐冷温度がより高い材料を選択することが可能になる。すなわち、耐冷温度に関する要求を緩和することができる。そのため、主止弁２０よりも下流側に配置する部材において、構成材料の選択の自由度を増すことができ、コストの削減が可能になる。

また、本実施例の燃料供給装置１０では、従来から主止弁として水素タンク２２の近傍に設けられていたパイロット式電磁弁を利用して、水素タンク２２内の水素ガス温度が低下したときに下流側に供給する水素ガス量を抑制する制御を行なっている。そのため、供給水素ガス量を抑制するために、別途絞りを設ける必要が無く、システムの複雑化を抑制することができる。

また、本実施例の燃料供給装置１０では、水素タンク内の温度低下時に、パイロット弁３３３のみを用いることによって水素ガス温度の低下を抑制しているが、このように直ちに水素ガス温度の上昇を図ることにより、水素ガス供給の動作への影響を抑えることができる。すなわち、レギュレータ２５の上流側の方が下流側よりも充分に高圧である限り、燃料電池に対して、必要量の水素ガスを支障なく供給し続けることができるため、水素タンク２２からの放出水素ガス量を絞る制御を行なうにもかかわらず、しばらくの間は、燃料電池に対する必要な水素ガスの供給を継続することが可能になる。

なお、本実施例の燃料供給装置１０は、４本の水素タンク２２を備えており、全ての水素タンク２２から同時に水素ガスを取り出しても良いし、１本ずつ順次水素タンク２２を用いて水素ガスを取り出しても良い。いずれの場合であっても、水素ガスの取り出しを行なっている水素タンクについて内部の水素ガス温度を検出し、タンク内水素ガス温度が第１の基準温度以下になった水素タンクについて、既述した制御を行なえば、上記した効果を得ることができる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
実施例の燃料供給装置１０では、水素タンク２２内の水素ガス温度が低下して、主止弁２０における主弁３００が閉弁し、パイロット弁３３３のみが開弁する状態を維持するために、コイル３１０への通電量を調節する制御を行なっているが、異なる構成としても良い。例えば、主止弁２０における主弁３００が開弁しないように、パイロット弁３３３の開閉動作を繰り返すこととしても良い。以下に、このようにパイロット弁３３３の開閉を繰り返す制御について説明する。

例えば、図６のパイロット弁開閉制御処理において、ステップＳ２３０の処理に代えて、主弁３００が開弁しない状態を維持するようにコイル３１０への通電を入り切りする制御を行なえばよい。ここでは、コイル３１０に対する通電量は、常に一定値とすればよい。コイル３１０への通電量を一定値とすることにより、コイル３１０への通電が行なわれる際に発生する吸引力Ｆｒも一定値となる。

既述したように、主弁３００に対しては、ｙ方向の力（リターンスプリング力Ｆｓと、径ｂにおける圧力差により生じる力の合計）と、ｘ方向の力である吸引力Ｆｒとが加えられる。そのため、ステップＳ２２０においてコイル３１０への通電を開始してパイロット弁３３３のみを開弁させると、２次圧が上昇することにより径ｂにおける圧力差により生じる力が次第に小さくなり、主弁弁体３３０に加えられるｙ方向の力が減少する。このように、径ｂにおける圧力差により生じる力が小さくなって、主弁３００が開弁する可能性があると判断される状態になったときには、再びコイル３１０への通電を停止する。コイル３１０への通電を停止することにより、主弁３００は閉弁状態が維持されると共に、パイロット弁３３３も閉弁される。パイロット弁３３３が閉弁されると、燃料電池による水素消費によって、２次圧が再び低下し始め、主弁弁体３３０に加えられるｙ方向の力が増加し始める。その後は、ステップＳ２１０〜Ｓ２２０の動作を行なって、主弁３００のみを開弁状態に維持できる圧力差が生じていれば、コイル３１０への通電を行なって、パイロット弁３３３を開弁すればよい。

このように、ステップＳ１３０（Ｓ２４０）においてガスタンク圧が充分に昇温したと判断されるまで、１次圧と２次圧の圧力差に応じて、コイル３１０への通電の入り切りを繰り返せば、実施例と同様の効果を得ることができる。

Ｄ２．変形例２：
実施例では、主止弁２０を、パイロット式電磁弁によって構成したが、異なる構成としても良い。電磁石以外のアクチュエータ（例えばピエゾ素子）によってパイロット弁を開弁させることとしても良い。パイロット弁と、パイロット弁が開弁したときに主止弁の入口部と出口部の間に生じる燃料ガスの圧力差の変化を利用して開弁される主弁と、を備えるパイロット式弁を用いるならば、本発明を適用することにより同様の効果を得ることができる。

Ｄ３．変形例３：
実施例では、主弁３００の主弁弁体３３０内に、パイロット流路３９５と、パイロット流路３９５を開閉するパイロット弁３３３を設けたが、異なる構成としても良い。パイロット弁３３３は、主弁３００に先立って開弁され、主止弁２０の入口部と出口部の圧力差（一次圧と二次圧の圧力差）を減少させ、より小さな力で主弁３００を開弁可能にすることができればよい。そのため、主弁弁体３３０の内部以外、あるいは主弁３００の内部以外の場所に、パイロット流路３９５あるいはパイロット弁３３３を設けても良い。

また、実施例では、単一のアクチュエータである電磁石によって、パイロット弁３３３を開弁駆動すると共に、パイロット弁３３３を介して主弁３００を開弁駆動しているが、異なる構成としても良い。例えば、主弁３００の駆動のためのアクチュエータと、パイロット弁３３３の駆動のためのアクチュエータとは、別体で設けても良い。

いずれの場合であっても、主弁とパイロット弁とを異なるタイミングで開弁可能なアクチュエータを備え、通常は、主弁に先立ってパイロット弁を開弁可能であり、燃料ガスタンク温度の低下時には、パイロット弁のみを開弁可能であれば、同様の効果を得ることができる。

Ｄ４．変形例４：
実施例では、燃料供給装置１０を、燃料電池システムの構成要素として、燃料電池に対して水素ガスを供給するために用いたが、異なる構成としても良い。例えば、燃料電池に代えて、水素エンジンなど、他種の水素消費装置に対して水素ガスを供給するために用いることとしても良い。

Ｄ５．変形例５：
また、内部に高圧で充填された気体を取り出す際に、断熱膨張により温度低下する現象は、水素ガス以外であっても、気体燃料を蓄えるタンクにおいて同様に起こり得る。そのため、メタンガスやエタンガス、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）など、種々の気体燃料の供給装置において、本願発明を適用し、同様の効果を得ることができる。

１０…燃料供給装置
２０…主止弁
２１…第１圧力センサ
２２…水素タンク
２３…温度センサ
２４…逆止弁
２５…レギュレータ
２６…インジェクタ
２７…第２圧力センサ
２８…第３圧力センサ
２９…第４圧力センサ
３０…充填口
３１…第１の水素充填流路
３２…充填流路集合部
３３…第２の水素充填流路
３４…第１の水素放出流路
３５…放出流路集合部
３６…第２の水素放出流路
３８…制御部
３００…主弁
３１０…コイル
３２０…リターンスプリング
３３０…主弁弁体
３３３…パイロット弁
３３５…主弁第２孔
３４０…主弁弁座
３４１…主弁弁座部材
３４５…主弁シート部
３５０…パイロット弁弁体
３６０…パイロット弁弁座
３６１…パイロット弁弁座部材
３６５…パイロット弁シート部
３７０…開口部
３８０…パイロットピン
３８５…主弁第１孔
３９０…主弁流路
３９５…パイロット流路
３９９…開口部

Claims (7)

1. 燃料ガスを供給する燃料供給装置であって、
   前記燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料ガスタンクと、
   前記燃料ガスタンク内の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料ガスタンクに接続される燃料ガス放出流路と、
   前記燃料ガス放出流路に設けられるパイロット式弁と、
   前記パイロット式弁の開閉を制御する制御部と、を備え、
   前記パイロット式弁は、
   前記燃料ガスが流入する入口部及び前記燃料ガスが流出する出口部と、
   前記入口部及び前記出口部の間に配置され、前記燃料ガス放出流路を開閉する主弁と、
   前記入口部及び前記出口部を連通するように設けられたパイロット流路と、
   前記パイロット流路を開閉するパイロット弁と、
   前記主弁及び前記パイロット弁を別々のタイミングで開閉可能なアクチュエータと、を有し、
   前記制御部は、
   前記温度検出手段が検出する検出温度が基準温度以下になったときに、前記パイロット弁のみを開弁し、前記主弁の閉弁状態を維持する
   燃料供給装置。
2. 請求項１に記載の燃料供給装置であって、
   前記制御部は、前記温度検出手段が検出する前記検出温度が前記基準値以下になったときに、前記パイロット弁の開閉を繰り返し、前記主弁の開弁状態を維持する
   燃料供給装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料供給装置であって、
   前記パイロット弁は、前記主弁内に設けられている前記パイロット流路を開閉する
   燃料供給装置。
4. 請求項１ないし３いずれか記載の燃料供給装置であって、
   前記アクチュエータは、前記パイロット弁を駆動すると共に、前記パイロット弁を介して前記主弁を駆動する
   燃料供給装置。
5. 請求項１ないし４いずれか記載の燃料供給装置であって、
   前記アクチュエータは電磁石である
   燃料供給装置。
6. 請求項１ないし５いずれか記載の燃料供給装置であって、
   前記基準温度は、前記燃料ガス放出流路において、前記パイロット式弁よりも下流側に配置された部材における耐冷温度に基づいて設定される温度である
   燃料供給装置。
7. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   請求項１ないし６いずれか記載の燃料供給装置を備え、
   前記燃料ガスは水素ガスであり、
   前記燃料電池は、前記燃料供給装置から供給される水素ガスを用いて発電を行なう
   燃料電池システム。

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