JP2013089307A - インジェクタ付き減圧弁およびこれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタ付き減圧弁の小型・軽量化を図る。
【解決手段】インジェクタ付き減圧弁５は、バルブ室１２を有するボディ１１と、高圧流体をバルブ室１２に導入する導入口１７と、減圧された流体をバルブ室１２から第２水素供給流路３ｂに送り出す送出口１５と、バルブ室１２内に収容されるシャトル弁体１３と、送出口１５の一端に設けられシャトル弁体１３が離接可能な弁座１８と、シャトル弁体１３の背面２２とバルブ室１２の壁面１２ａにより囲繞されシャトル弁体１３とバルブ室１２の壁面１２ａとの隙間２０を介して導入口１７に連通する背圧室２５と、背圧室２５に連通し背圧室２５の流体を排出する背圧流路２６と、シャトル弁体１３を弁座１８に接近する方向に付勢するスプリング１４と、背圧流路２６を介して排出された背圧室２５の流体を断続時間間隔を調整して第２水素供給流路３ｂに送出するインジェクタ３０と、を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、インジェクタ付き減圧弁およびこれを備えた燃料電池システムに関するものである。

高圧の燃料タンクから燃料電池に燃料を供給して発電を行う燃料電池システムでは、一般に、燃料タンクの下流に遮断弁と減圧弁を設け、燃料タンクから流出した高圧の燃料ガスを減圧弁で減圧して燃料電池に供給している。
また、燃料電池から排出される燃料オフガスを再び燃料電池に燃料として供給する燃料循環型の燃料電池システムがあり、この燃料オフガスを循環させるデバイスとしてエゼクタが多く用いられている。

さらに、減圧弁の下流であってエゼクタの上流に、エゼクタに直結してインジェクタを設置し、インジェクタ作動時に発生する負圧によってエゼクタの吸引能力を増大させるようにした燃料電池システムも知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１９６４０１号公報

しかしながら、減圧弁の下流にエゼクタと直結のインジェクタを設置した前記従来の燃料電池システムでは、インジェクタの比較的に狭い供給圧力範囲内に調圧するために、高精度な減圧弁が必要になり、コストアップになるという課題がある。
また、インジェクタの作動圧力を高くすると、耐圧の関係からインジェクタの開口面積を大きくすることが困難となり、開口面積を小さくせざるを得ない。ところが、開口面積の小さいインジェクタでは流量が少なくなるため、大流量を流すためには多数のインジェクタを並列的に配置しなければならず、システムのコストアップ、容積増大、重量増大という課題が生じる。

そこで、この発明は、小型・軽量化、コストダウンを図ることができるインジェクタ付き減圧弁およびこれを備えた燃料電池システムを提供するものである。

この発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、上流に高圧流体源（例えば、後述する実施例における水素タンク２）と遮断弁（例えば、後述する実施例における主止弁４）とが配置され、前記遮断弁を通過した高圧流体（例えば、後述する実施例における水素ガス）を導入して減圧し、下流に送る減圧弁であって、内部空間（例えば、後述する実施例におけるバルブ室１２）を有するボディ（例えば、後述する実施例におけるボディ１１）と、前記ボディに設けられ前記高圧流体を前記内部空間に導入する導入流路（例えば、後述する実施例における導入口１７）と、前記ボディに設けられ減圧された流体を前記内部空間から送り出す送出流路（例えば、後述する実施例における送出口１５）と、前記ボディの前記内部空間にて前記導入流路と前記送出流路との間に配置されるシャトル弁体（例えば、後述する実施例におけるシャトル弁体１３）と、前記送出流路における前記内部空間側の一端に設けられ、前記シャトル弁体が離接可能なシャトル弁座（例えば、後述する実施例における弁座１８）と、前記シャトル弁体の背面（例えば、後述する実施例における背面２２）と前記ボディの前記内部空間の壁面（例えば、後述する実施例における壁面１２ａ）により囲繞され、前記シャトル弁体と前記内部空間の壁面との隙間（例えば、後述する実施例における隙間２０）を介して前記導入流路に連通する背圧室（例えば、後述する実施例における背圧室２５）と、前記背圧室に連通し該背圧室の流体を排出する背圧流路（例えば、後述する実施例における背圧流路２６）と、前記シャトル弁体を前記シャトル弁座に接近する方向に付勢する付勢手段（例えば、後述する実施例におけるスプリング１４）と、前記背圧流路を介して排出された前記背圧室の流体を断続時間間隔を調整して前記送出流路または該送出流路に連通する流路に送出するインジェクタ（例えば、後述する実施例におけるインジェクタ３０）と、を備えることを特徴とするインジェクタ付き減圧弁（例えば、後述する実施例における減圧弁５）である。

請求項２に係る発明は、燃料供給路から燃料が供給され酸化剤供給系から酸化剤が供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを再び前記燃料電池に燃料として供給するための燃料循環路（例えば、後述する実施例における循環流路４０）と、を備え、前記燃料供給路は、上流側から順に、高圧流体源（例えば、後述する実施例における水素タンク２）と、遮断弁（例えば、後述する実施例における主止弁４）と、請求項１に記載のインジェクタ付き減圧弁（例えば、後述する実施例における減圧弁５）と、燃料循環用のエゼクタ（例えば、後述する実施例におけるエゼクタ７）を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

請求項１に係る発明によれば、インジェクタの作動によりシャトル弁体がシャトル弁座から離反する方向（開弁方向）へ移動し、要求流量の流通を確保することができる。ここで、インジェクタの作動目的はインジェクタ自身で要求流量を確保するのではなく、背圧室の圧力を調圧してシャトル弁体を開弁させることにあるので、高圧の流体圧力で作動するインジェクタが１つで済む。しかも、インジェクタは背圧室の圧力を調圧することにより、結果的に送出流路内の圧力を調整する機能がある。
また、減圧弁は構造が簡単であること、および、インジェクタが１つで済むことから、減圧弁の小型・軽量化およびコストダウンを図ることができる。
さらに、減圧弁の上流に遮断弁が設けられており、遮断弁によって高圧流体を遮断することができるので安全性が高く、インジェクタに完全なシールが必ずしも必要でなくなる。

請求項２に係る発明によれば、減圧弁の小型・軽量化により、燃料電池システムを軽量、コンパクトにすることができ、コストダウンを図ることができる。また、インジェクタのデューティ比制御により、要求発電量に応じた燃料ガスの供給を実現することができる。
また、減圧弁の上流に遮断弁が設けられており、遮断弁によって高圧流体を遮断することができるので、燃料電池システムの安全性が高い。また、インジェクタに完全なシールが必ずしも必要でなくなり、燃料電池システムを簡素化することができる。

この発明に係る燃料電池システムの実施例における概略構成図である。 この発明に係るインジェクタ付き減圧弁の実施例における構成図であり、一部を断面にして示す図である。 タンク圧とインジェクタの出口圧とガス流量の関係を示す図である。 インジェクタの流量特性図である。 インジェクタのデューティ比マップの一例である。 インジェクタのデューティ比のフィードバック制御を示すフローチャートである。 インジェクタのデューティ比をフィードバック制御した場合の効果を説明する図である。

以下、この発明に係るインジェクタ付き減圧弁とこれを備えた燃料電池システムの実施例を図１から図７の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池システムの概略構成図であり、この実施例における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載されて駆動源としてのモータ等に電力を供給する態様である。
図１において符号１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック（燃料電池）を示している。燃料電池スタック１は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。

燃料電池スタック１には、高圧の水素ガス（高圧流体）を貯蔵する水素タンク（高圧流体源）２から水素供給流路３を介して所定圧力および所定流量の水素ガスが供給されるとともに、図示しない空気供給系（酸化剤供給系）を介して酸素を含む空気が所定圧力および所定流量で供給される。
水素タンク２は、長手方向の両端が略半球状の筒状をなし、その長手方向の一端が開口し、この開口部２ａは主止弁（遮断弁）４が取り付けられることで塞がれている。主止弁４は水素タンク２の内部と水素供給流路３とを連通・遮断する遮断弁である。

水素供給流路３には、その上流側から、インジェクタ付き減圧弁（以下、減圧弁と略す）５とエゼクタ７が設けられている。なお、以下の説明では、水素供給流路３において、主止弁４と減圧弁５とを接続する流路を第１水素供給流路３ａ、減圧弁５とエゼクタ７とを接続する流路を第２水素供給流路３ｂ、エゼクタ７と燃料電池スタック１とを接続する流路を第３水素供給流路３ｃと称す。
水素タンク２から放出される高圧（例えば、３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａ等）の水素ガスは、減圧弁５によって所定の圧力（例えば、１ＭＰａ以下）に減圧されてエゼクタ７に供給される。減圧弁５については後で詳述する。エゼクタ７は、燃料電池スタック１から排出される水素オフガスを循環させることにより、未利用の水素を利用するために、水素オフガスを再び水素供給流路３に戻すデバイスである。燃料電池スタック１から排出された水素オフガスは、循環流路（燃料循環路）４０を介してエゼクタ７に供給される。
ここで、水素タンク２、主止弁４、水素供給流路３、減圧弁５、エゼクタ７は燃料供給路を構成する。したがって、燃料供給路は、上流側から順に、水素タンク（高圧流体源）２、主止弁（遮断弁）４、インジェクタ付き減圧弁５、燃料循環用のエゼクタ７を備えている。

第１水素供給流路３ａには圧力計８が設けられ、第３水素供給流路３ｃには流量センサ６と圧力センサ９が設けられている。圧力センサ８は、水素タンク２から供給される水素ガスの圧力を検出しており、ほぼ水素タンク２内の圧力と一致する。圧力センサ９は、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力を検出し、流量センサ６は、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの流量を計測する。
これらセンサ６，８，９は検出値に応じた電気信号を制御装置５０に出力する。この制御装置５０は後述するように減圧弁５のインジェクタ３０のデューティ比制御を行い、燃料電池スタック１に供給する水素ガスの流量または圧力を制御する。

次に、図２を参照して減圧弁５について詳述する。減圧弁５は、高圧仕様のシャトル弁１０とインジェクタ３０とを備えて構成されている。
シャトル弁１０は、内部に円筒状のバルブ室（内部空間）１２が形成されたボディ１１と、バルブ室１２内に軸方向へ移動可能に収容されたシャトル弁体１３と、シャトル弁体１３を閉弁方向に付勢するスプリング（付勢手段）１４と、を備えている。

ボディ１１の軸方向一端側（図２において右端）には、バルブ室１２に連通する送出口（送出流路）１５が設けられ、ボディ１１の軸方向他端側（図２において左端）には、バルブ室１２に連通する背圧導出口１６が設けられ、ボディ１１の外周部であって送出口１５に近い部位には、バルブ室１２に連通する導入口（導入流路）１７が設けられている。導入口１７は第１水素供給流路３ａに接続され、水素タンク２から供給される水素ガスをバルブ室１２内に導入する。送出口１５は第２水素供給流路３ｂに接続され、送出口１５から送出される水素ガスが燃料電池スタック１に供給される。
送出口１５においてバルブ室１２側の端部は、シャトル弁体１３が離接可能な弁座（シャトル弁座）１８となっている。

バルブ室１２に収容されているシャトル弁体１３は略円柱状をなし、弁座１８と対向する主面１９が球殻の一部をなす凸曲面に形成されている。シャトル弁体１３の外周部には、バルブ室１２の壁面（壁面）１２ａとの間にリング状の隙間２０を形成するオリフィスリング２１が取り付けられている。オリフィスリング２１は、バルブ室１２の壁面１２ａとの間にリング状の隙間２０を保持しながら、シャトル弁体１３と一体となってバルブ室１２内を軸方向（図２において左右方向）に移動する。

このオリフィスリング２１によってバルブ室１２は左右二室に区画されることとなり、導入口１７および送出口１５に連なる部屋は高圧室２４、背圧導出口１６に連なる部屋は背圧室２５となっていて、高圧室２４と背圧室２５はリング状の隙間２０によって連通している。
なお、導入口１７は、シャトル弁体１３の軸方向移動に関わらず常に高圧室２４と直接連通する位置に配置されており、導入口１７が背圧室２５に直接連通することはない。
つまり、背圧室２５は、シャトル弁体１３の背面２２とバルブ室１２の壁面１２ａとにより囲繞されて形成されており、オリフィスリング２１とバルブ室１２の壁面１２ａとの間の隙間２０を介して導入口１７に連通している。

スプリング１４は背圧室２５に収容されており、バルブ室１２の背圧導出口１６側の端面とシャトル弁体１３の背面２２との間に介装され、シャトル弁体１３を弁座１８に接近する方向（すなわち、閉弁方向）に付勢している。
このシャトル弁１０では、シャトル弁体１３が弁座１８から離反したときに、高圧室２４を介して導入口１７と送出口１５が連通する。したがって、シャトル弁体１３は、バルブ室１２において導入口１７と送出口１５との間に配置されていると言える。

シャトル弁１０の背圧導出口１６は、背圧流路２６を介してインジェクタ３０の流入部３１に接続され、インジェクタ３０の出口ノズル３２は排出流路３３を介して、シャトル弁１０の送出口１５に接続された第２水素供給流路３ｂに接続されている。インジェクタ３０は、背圧室２５の水素ガスを断続時間間隔を調整して第２水素供給流路３ｂに送出する。

インジェクタ３０は周知技術であるので、その構成の詳細説明を省略し、以下に概略説明を記す。
インジェクタ３０は、出口ノズル３２の上流側に開閉駆動部３３を有する。開閉駆動部３３は、制御装置５０に電気的に接続され、制御装置５０からの出力信号により流路の開閉を制御される。開閉駆動部３３は、例えば、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離反させることで、二次側である出口ノズル３２への水素ガスの流量や圧力を調整可能な電磁駆動式の開閉弁の構成を有している。開閉駆動部３３を制御することにより、出口ノズル３２への水素ガスの供給を遮断できると共に、出口ノズル３２に主流ガスを間欠的に供給できるようになっている。

開閉駆動部３３は、例えば、弁体および弁座からなる主弁部分と、コイル、鉄心、およびプランジャを有するソレノイド部分と、で構成されている。開閉駆動部３３は、前記コイルに給電する電流のオン・オフにより、基本的に「開」および「閉」の二位置で用いられる。つまり、インジェクタ３０は、開閉駆動部３３での開時間及び開閉タイミングを変える（すなわち、断続時間間隔を調整する）ことで、出口ノズル３２への水素ガスの供給流量を制御する。この制御方法としては、開閉駆動部３３の前記コイルに給電するパルス状励磁電流のデューティ比を変化させるデューティ制御を用いると好適である。ここで、デューティ比とは、パルス状励磁電流のＯＮ時間を、パルス状励磁電流のＯＮ時間とＯＦＦ時間とを加算したスイッチング周期で除したものである。

このように構成された減圧弁５の開弁動作を説明する。
閉弁時の減圧弁５は、インジェクタ３０の開閉駆動部３３のコイルに電流が流れていないのでインジェクタ３０は閉弁しており、シャトル弁体１３もスプリング１４によって付勢されたシャトル弁体１３が弁座１８に着座して閉じている。このとき、水素タンク２内の圧力が、第１水素供給流路３ａ、導入口１７、高圧室２４、リング状の隙間２０を介して背圧室２５に加わり、背圧流路２６を介してインジェクタ３０の流入部３１に加わるので、これらの領域は水素タンク２内の圧力とほぼ同圧の高圧となっている。一方、シャトル弁１０とインジェクタ３０が閉弁しているので、送出口１５と排出流路３３には水素タンク２内の圧力が印加せず、低圧となっている。

この閉弁状態の減圧弁５を開弁するときには、インジェクタ３０の開閉駆動部３３のコイルに電流を流し、インジェクタ３０を開弁する。すると、シャトル弁１０の背圧室２５の水素ガスが、送出口１５から背圧流路２６を通ってインジェクタ３に供給され、出口ノズル３２から送出された水素ガスが排出流路３３を通って第２水素供給流路３ｂに排出される。その結果、第２水素供給流路３ｂに接続されているシャトル弁１０の送出口１５内の圧力が上昇する。一方、背圧室２５内の圧力は背圧流路２６への水素ガス流出により低下するが、背圧室２５は、オリフィスリング２１とバルブ室１２の壁面１２ａとの間のリング状の隙間２０を介して高圧室２４に連通しているので、水素タンク２に連なる第１水素供給流路３ａの水素ガスが、導入口１７、高圧室２４、隙間２０を通って背圧室２５に流れ込み、背圧室２５内の圧力を上昇させる。しかしながら、隙間２０の開口面積は小さいので、背圧室２５の圧力低下分の全てを補充することはできない。その結果、背圧室２５内の圧力Ｐ２は、水素タンク２内の圧力とほぼ同等の高圧室２４内の圧力Ｐ１よりも小さく、且つ、送出口１５内の圧力Ｐ３よりも大きい値となる（Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３）。

そして、この圧力差に基づきシャトル弁体１３には、シャトル弁体１３を開弁方向（図２において左方）へ押す力が作用し、この力がスプリング１４による閉弁方向（図２において右方）への付勢力に勝ると、シャトル弁体１３が弁座１８から離反し、シャトル弁１０が開弁する。
シャトル弁１０が開弁すると、第１水素供給流路３ａ内の水素ガスは導入口１７から高圧室２４を介して送出口１５へと流れ、さらに第２水素供給流路３ｂへと流れていく。なお、シャトル弁１０が開弁したときにシャトル弁１０を流れる水素ガスの流量は、インジェクタ３０を通って背圧室２５から第２水素供給流路３ｂへ流れていく水素ガスの流量よりも極めて大きい。

シャトル弁１０の作動原理について詳述すると、図２に示すように、シャトル弁体１３の背面２２における受圧面積をＳ１、シャトル弁体１３の送出口１５内における受圧面積をＳ２とすると、次の式（１）の不等式が成立したときに、シャトル弁１０が開弁する。なお、ＦＳはスプリング１４の弾性力である。
（Ｓ１−Ｓ２）・Ｐ１＋Ｓ２・Ｐ３＞Ｓ１・Ｐ２＋ＦＳ ・・・ 式（１）

そして、シャトル弁体１３が弁座１８から離反した後、次の式（２）が成立したところで、シャトル弁体１３の開弁方向への移動が停止し、シャトル弁体１３のストローク量が決まる。
（Ｓ１−Ｓ２）・Ｐ１＋Ｓ２・Ｐ３＝Ｓ１・Ｐ２＋ＦＳ ・・・ 式（２）
したがって、第１水素供給流路３ａ内の圧力Ｐ１と、背圧室２５内の圧力Ｐ２と、送出口１５内の圧力Ｐ３によってシャトル弁１０の弁開時のストローク量が決まり、その結果、シャトル弁１０の弁開時の開口面積が決まって、シャトル弁１０を流通する水素ガスの流量が決まることとなる。なお、第１水素供給流路３ａ内の圧力Ｐ１は水素タンク２内の圧力とほぼ等しいので、以下の説明では、Ｐ１を水素タンク２内の圧力という場合もある。

ところで、この減圧弁５では、インジェクタ３０の開閉駆動部３３のコイルへの通電をデューティ比制御することによって、背圧室２５の圧力を調整することができる。したがって、インジェクタ３０の開閉駆動部３３のコイルへの通電をデューティ比制御することによって、燃料電池スタック１への水素ガスの供給量を制御することが可能となる。
例えば、燃料電池スタック１への水素ガスの供給量が少なくてよい場合、換言すると水素ガスの消費量が小さい場合には、インジェクタ３０のデューティ比を低く制御することで、背圧室２５の圧力Ｐ２を水素タンク２内の圧力Ｐ１に近い値とし、メインバルブ１８の開弁ストロークを小さくして（ゼロも含む）、シャトル弁１０の開口面積を小さくする。
一方、燃料電池スタック１への水素ガスの供給量が多い場合、換言すると水素ガスの消費量が大きい場合には、インジェクタ３０のデューティ比を高く制御することで、背圧室２５の圧力Ｐ２を水素タンク２内の圧力Ｐ１よりも十分に低い値とし、シャトル弁１０の開弁ストロークを大きくして、必要な開口面積を確保する。

なお、燃料電池スタック１に要求される水素ガス流量（以下、要求流量という）は、燃料電池スタック１に対する要求発電量から決定することができるが、これに燃料電池スタック１から系外に排出される水素ガスのパージ量を加算すると、水素ガスの要求流量をより正確に決定することができる。

次に、水素ガスの要求流量と、水素タンク２内の圧力（以下、タンク圧と略す）Ｐ１と、インジェクタ３０のデューティ比との関係を予めマップに記憶しておき、このマップを用いてインジェクタ３０のデューティ比を決定する方法を説明する。
まず、実験により、タンク圧Ｐ１毎に、送出口１５内の圧力（以下、出口圧と略す）Ｐ３と、減圧弁５０を流通するガス流量の関係を求める。図３は、タンク圧Ｐ１と出口圧Ｐ３とガス流量の関係の一例を示したものである。同じガス流量で比較すると、タンク圧Ｐ１が高いほど出口圧Ｐ３を高圧にすることができる。

ところで、減圧弁５の下流にはエゼクタ７などのデバイスが設けられているため、出口圧Ｐ３はこれら下流のデバイスの圧力条件の制約を受ける。つまり、出口圧Ｐ３は下流のデバイスの下限圧力から上限圧力の間になければならない。そこで、この圧力範囲から外れないように、タンク圧Ｐ１毎にインジェクタ３０のデューティ比の範囲を決定する。
例えば、タンク圧Ｐ１が高いときであって、ガス流量を小さくしていくと出口圧Ｐ３が前記上限圧力を越えてしまうときがある場合には、そのタンク圧Ｐ１では出口圧Ｐ３が上限圧力を超えない範囲でガス流量を制御することとし、出口圧Ｐ３が上限圧力と等圧となったときのガス流量を該タンク圧Ｐ１での最少流量として、そのときのインジェクタ３０のデューティ比をデューティ比の下限値とする。
同様に、タンク圧Ｐ１が低いときであって、ガス流量を大きくしていくと出口圧Ｐ３が前記下限圧力を下回ってしまうときがある場合には、そのタンク圧Ｐ１では出口圧Ｐ３が下限圧力を下回らない範囲でガス流量を制御することとし、出口圧Ｐ３が下限圧力と等圧となったときのガス流量を該タンク圧Ｐ１での最大流量として、そのときのインジェクタ３０のデューティ比をデューティ比の上限値とする。

次に、このようにしてタンク圧Ｐ１毎に決定したインジェクタ３０のデューティ比範囲内で、図４に示すように、タンク圧Ｐ１毎に、ガス流量を変化させたときの各ガス流量に対応するインジェクタ３０のデューティ比を測定する。図４は、タンク圧Ｐ１毎に求めたガス流量とデューティ比との関係の一例を示している。
次に、この測定結果に基づいて、図５に示されるように、タンク圧Ｐ１と、ガス流量と、インジェクタ３０のデューティ比とを対応させたデューティ比マップを作成する。

このようなデューティ比マップを制御装置５０に記憶させておくと、圧力センサ８により検出したタンク圧Ｐ１と、燃料電池スタック１の要求発電量から算出される水素ガスの要求流量に基づいて、インジェクタ３０のデューティ比を決定することができる。なお、要求流量が、図５に示されるデューティ比マップに記載されているガス流量値とガス流量値の間である場合には、補間法等を用いてデューティ比を決定する。また、この実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様であることから、要求発電量はアクセルペダル（図示略）の踏み込み量等に基づいて制御装置５０によって算出される。

ところで、このようにタンク圧Ｐ１と水素ガスの要求流量に基づき図５のデューティ比マップを用いてインジェクタ３０のデューティ比を決定し、インジェクタ３０のデューティ比制御を行うと、図７（ａ）に示すように水素ガスの要求流量が急激に変化した場合に、減圧弁５の応答遅れにより、図７（ｂ）に示すように減圧弁５を実際に流通する水素ガスの実流量と要求流量との間に大きな誤差が生じることがある。特に、車両に搭載された燃料電池システムでは、要求発電量の急激な変化は車両の加減速要求などにより多いに起こり得る事象である。なお、図７（ａ）は要求流量と実流量の変化を示す図であり、図７（ｂ）は要求流量と実流量との差の時間的変化を示す図であり、図７（ｂ）において破線は差が０を示し、一点鎖線は許容上下限を示す。
そこで、要求流量と実流量との間の差分に基づいてインジェクタ３０のデューティ比の補正を行いフィードバック制御を行うと、要求流量に対する応答性を向上させることができる。

次に、インジェクタ３０のデューティ比のフィードバック制御を図６に示すフローチャートにしたがって説明する。このデューティ比のフィードバック制御は、制御装置５０により一定時間毎に繰り返し行われる。

まず、ステップＳ１０１において、圧力センサ８により検出された水素タンク２のタンク圧Ｐ１と、燃料電池スタック１に要求される水素ガスの要求流量に基づき、図５に示すデューティ比マップを用いてインジェクタ３０のデューティ比指令値を決定する。なお、水素ガスの要求流量は燃料電池スタック１に対する要求発電量に基づいて算出する。

次に、ステップＳ１０２に進み、流量センサ６により計測された実流量と要求流量との差の絶対値が所定値（許容範囲）を越えているか否かを判定する。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（差が許容範囲内）である場合には、デューティ比は適正であるので補正を行わず、リターンする。

一方、ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（差が許容範囲外）である場合には、ステップＳ１０３に進み、デューティ比の補正量を算出し、ステップＳ１０１において設定したデューティ比指令値に対してこの補正量分だけ補正して、補正後のデューティ比指令値（デューティ比補正指令値）を決定し、リターンする。
なお、デューティ比の補正量は、次の式（３）に示すように、実流量と要求流量との差に、減圧弁５から燃料電池スタック１までの配管容積やインジェクタ３０の応答性能等によって決まる定数Ａを乗じて算出することができる。
デューティ比補正量＝Ａ・（実流量−要求流量） ・・・式（３）

図７（ｃ）は、インジェクタ３０のデューティ比の時間的変化を補正前後で比較した図であり、図７（ｄ）は要求流量と実流量との差の時間的変化を示す図であり、図７（ｄ）において破線は差が０を示し、一点鎖線は許容上下限を示す。このようにデューティ比を補正すると、水素ガスの要求流量が急激に変化した場合にも、要求流量と実流量との差を許容範囲内に収めることができる。

なお、図３からも明らかなように、減圧弁５を流通するガス流量と出口圧（送出口１５内の圧力）Ｐ３との間には、ガス流量が大きくなるほど出口圧Ｐ３が小さくなり、ガス流量が小さくなるほど出口圧Ｐ３が大きくなるという相関関係がある。そこで、要求流量を目標出口圧と置き換え、実流量を実出口圧と置き換えて、目標出口圧と実出口圧の差分に基づいてインジェクタ３０のデューティ比の補正を行いフィードバック制御を行うことも可能である。その場合には、ステップＳ１０２における処理を、目標出口圧と実出口圧の差の絶対値が所定値（許容範囲）を越えているか否かに置き換えればよい。

この減圧弁５においては、インジェクタ３０の作動によりシャトル弁１０を開弁し、シャトル弁１０で要求流量の流通を確保することができる。ここで、インジェクタ３０の作動目的はインジェクタ３０自身で要求流量を確保するのではなく、シャトル弁１０の背圧室２５の圧力を調圧してシャトル弁１０を開弁させることにあるので、高圧の流体圧力で作動するインジェクタ３０が１つで済む。しかも、インジェクタ３０は背圧室２５の圧力を調圧することにより、結果的に送出口１５および第２水素供給流路３ｂ内の圧力を調整する機能がある。

また、シャトル弁１０は構造が簡単であること、および、前述したようにインジェクタ３０が１つで済むことから、減圧弁５の小型・軽量化およびコストダウンを図ることができる。
また、減圧弁５の上流に遮断弁としての主止弁４が設けられており、主止弁４によって高圧の水素ガスを遮断することができるので、燃料電池システムの安全性が高い。また、減圧弁５の上流に主止弁４が設けられているので、インジェクタ３０に完全なシールが必ずしも必要でなくなり、燃料電池システムを簡素化することができる。

また、この燃料電池システムにおいては、減圧弁５の小型・軽量化により、燃料電池システムを軽量、コンパクトにすることができ、コストダウンを図ることができる。
さらに、インジェクタ３０のデューティ比制御により、要求発電量に応じた燃料ガスの供給を実現することができる。特に、要求流量と実流量との間の差分に基づいてインジェクタ３０のデューティ比の補正を行いフィードバック制御を行った場合には、要求流量に対する応答性を向上させることができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、高圧流体を高圧の水素ガスとし、この高圧の水素ガスを貯蔵する水素タンクを高圧流体源として、水素タンクの下流に設置された減圧弁としての態様で説明したが、高圧流体は水素ガスに限るものではなく他の種類の流体も適用可能であり、高圧流体源も貯蔵タンクに限るものではなく、高圧ポンプであってもよい。
また、燃料電池システムは車両用に限るものではなく、定置用であってもよい。

前述した実施例では、インジェクタ３０のデューティ比制御においてタイムインターバルを一定としているが、タイムインターバルを可変としてもよい。このタイムインターバルを短くすると、制御性を向上させることができるが、一方で作動回数が増大するため、耐久性に留意が必要となる。そこで、燃料電池の発電状態（発電モード）に応じて、例えば燃料電池の出力が大きく変動する場合はタイムインターバルを短くし、出力が安定している場合はタイムインターバルを長くすると、制御性と耐久性を両立した燃料電池システムを構成することができる。

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
２ 水素タンク（高圧流体源）
４ 主止弁（遮断弁）
５ 減圧弁
７ エゼクタ
１０ シャトル弁
１１ ボディ
１２ バルブ室（内部空間）
１２ａ 壁面
１３ シャトル弁体
１４ スプリング（付勢手段）
１５ 送出口（送出流路）
１７ 導入口（導入流路）
１８ 弁座（シャトル弁座）
２０ 隙間
２２ 背面
２５ 背圧室
２６ 背圧流路
３０ インジェクタ
４０ 循環流路（燃料循環路）

Claims (2)

1. 上流に高圧流体源と遮断弁とが配置され、前記遮断弁を通過した高圧流体を導入して減圧し、下流に送る減圧弁であって、
   内部空間を有するボディと、
   前記ボディに設けられ前記高圧流体を前記内部空間に導入する導入流路と、
   前記ボディに設けられ減圧された流体を前記内部空間から送り出す送出流路と、
   前記ボディの前記内部空間にて前記導入流路と前記送出流路との間に配置されるシャトル弁体と、
   前記送出流路における前記内部空間側の一端に設けられ、前記シャトル弁体が離接可能なシャトル弁座と、
   前記シャトル弁体の背面と前記ボディの前記内部空間の壁面により囲繞され、前記シャトル弁体と前記内部空間の壁面との隙間を介して前記導入流路に連通する背圧室と、
   前記背圧室に連通し該背圧室の流体を排出する背圧流路と、
   前記シャトル弁体を前記シャトル弁座に接近する方向に付勢する付勢手段と、
   前記背圧流路を介して排出された前記背圧室の流体を断続時間間隔を調整して前記送出流路または該送出流路に連通する流路に送出するインジェクタと、
   を備えることを特徴とするインジェクタ付き減圧弁。
2. 燃料供給路から燃料が供給され酸化剤供給系から酸化剤が供給されて発電をする燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを再び前記燃料電池に燃料として供給するための燃料循環路と、を備え、
   前記燃料供給路は、上流側から順に、高圧流体源と、遮断弁と、請求項１に記載のインジェクタ付き減圧弁と、燃料循環用のエゼクタを備えることを特徴とする燃料電池システム。

Images