JP2017172786A - ガス燃料供給ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】流量調整弁の作動回数を低減して、作動音や圧力脈動に起因する騒音を抑制することができるガス燃料供給ユニットを提供すること。
【解決手段】水素ガスが導入される導入通路５６を備える導入ブロック４４と、水素ガスが導出される導出通路７２を備える導出ブロック４６と、水素ガスの流量を調節するための少なくとも１つのインジェクタ５２とを備え、インジェクタ５２の入口側が導入通路５６に接続され、インジェクタ５２の出口側が導出通路７２に接続されている水素供給ユニット２４において、導入通路５６と導出通路７２との間に、インジェクタ５２に対して並列配置された低流量供給弁８０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料容器から供給先へ供給される燃料ガスの流量を調節するために使用されるガス燃料供給ユニットに関するものである。

ガス燃料供給ユニットとして、例えば、特許文献１に記載された燃料供給ユニットがある。この燃料供給ユニットは、燃料電池車に搭載された燃料電池に燃料ガスを供給するものであり、燃料ガスが導入される導入通路を備える導入ブロックと、燃料ガスが導出される導出通路を備える導出ブロックと、燃料ガスの流量を調節するためのインジェクタとを有している。そして、インジェクタをデューティ制御で開閉することにより、導入通路に導入された燃料ガスの流量を調整しながら導出通路へ噴射することで、必要流量の燃料ガスを燃料電池へ供給するようになっている。

特開２０１６−１５２７１号公報

しかしながら、上記の燃料供給ユニットでは、インジェクタがデューティ制御で開閉されるため作動回数が多くなる。そのため、例えば騒音の発生が少ない車両停止時の低負荷運転時において、インジェクタの作動音や導入通路内における圧力の脈動に起因する騒音が目立って問題となる。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、流量調整弁の作動回数を低減して、作動音や圧力脈動に起因する騒音を抑制することができるガス燃料供給ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の一形態は、燃料ガスが導入される導入通路を備える導入ブロックと、燃料ガスが導出される導出通路を備える導出ブロックと、燃料ガスの流量を調節するための少なくとも１つの流量調整弁とを備え、前記流量調整弁の入口側が前記導入通路に接続され、前記流量調整弁の出口側が前記導出通路に接続されているガス燃料供給ユニットにおいて、前記導入通路と前記導出通路との間に、前記流量調整弁に対して並列配置された低流量供給弁を有することを特徴とする。

このガス燃料供給ユニットでは、流量調整弁に対して並列配置された低流量供給弁を有するので、燃料ガスの供給先における負荷が低く必要流量が少ない場合には、低流量供給弁から必要流量の燃料ガスを供給することができる。つまり、流量調整弁を作動させることなく、必要流量の燃料ガスを供給することができるため、流量調整弁の作動音や導入通路内における圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

また、低流量供給弁が流量調整弁に対して並列配置されているため、ガス燃料供給ユニット内に簡単に組み込むことができる。さらに、ガス燃料供給ユニットにおける最大流量が、低流量供給弁の最大流量分だけ増えるため、流量調整弁を小型化することができる。

上記課題を解決するためになされた本発明の別形態は、燃料ガスが導入される導入通路を備える導入ブロックと、燃料ガスが導出される導出通路を備える導出ブロックと、燃料ガスの流量を調節するための少なくとも１つの流量調整弁とを備え、前記流量調整弁の入口側が前記導入通路に接続され、前記流量調整弁の出口側が前記導出通路に接続されているガス燃料供給ユニットにおいて、前記流量調整弁に対して直列配置された低流量供給弁を有することを特徴とする。

このガス燃料供給ユニットでは、流量調整弁に対して直列配置された低流量供給弁を有するので、燃料ガスの供給先における負荷が低く必要流量が少ない場合には、低流量供給弁と直列配置されている流量調整弁を開弁させることにより、低流量供給弁から必要流量の燃料ガスを供給することができる。つまり、低流量供給弁と直列配置されている流量調整弁を開弁するだけで（つまり作動回数を大幅に低減して）、必要流量の燃料ガスを供給することができるため、流量調整弁の作動音や導入通路内における圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。特に、流量調整弁が複数設けられている場合には、低流量供給弁と直列配置されている流量調整弁だけを開弁し、その他の流量調整弁を作動させないので騒音の低減効果が大きい。

また、低流量供給弁が流量調整弁に対して直列配置されているため、燃料ガスの供給停止時に流量調整弁が燃料ガスを封止するので、低流量供給弁にシール性能が要求されない。さらに、流量調整弁により、低流量供給弁から供給される燃料ガスの流量を制御することができ、低流量供給時においても精度良く流量調整を行うことができる。

上記したガス燃料供給ユニットにおいて、前記低流量供給弁は、前記導入通路内の圧力と前記導出通路の圧力との圧力差が所定値以上になると開弁して燃料ガスを供給するものであればよい。

このようにすることにより、供給先で燃料ガスが消費されると導出通路の圧力が低下して、導入通路内の圧力と導出通路の圧力との圧力差が所定値以上になるため、供給先での燃料ガスの消費量に応じて低流量供給弁から燃料ガスを供給することができる。また、低流量供給弁を非常に簡単な構成にすることができる。

そして、上記したガス燃料供給ユニットにおいて、前記流量調整弁の開閉動作を制御する制御部を有し、前記制御部は、前記低流量供給弁が開弁しているときに、前記低流量供給弁から供給されている燃料ガスの流量が必要流量に満たない場合、前記流量調整弁を開弁させて不足流量分の燃料ガスを供給することが望ましい。

このようにすることにより、流量調整弁の作動回数を必要最小限にして必要流量の燃料ガスを供給することができる。この場合にも、流量調整弁の作動回数が低減されるため、作動音や圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

また、上記したガス燃料供給ユニットにおいて、前記低流量供給弁は、前記導入通路に導入される燃料ガスの圧力を低下させて所定の圧力に調圧する減圧弁であってもよい。

このようにすることにより、燃料ガスの供給先における負荷が低く必要流量が少ない場合には、減圧弁から必要流量の燃料ガスを供給することができる。これにより、流量調整弁を作動させることなく、必要流量の燃料ガスを供給することができるため、流量調整弁の作動音や導入通路内における圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。そして、減圧弁では、燃料ガスの供給先における負荷が低く必要流量が少ない場合に、導出通路における燃料ガスの圧力を一定にすることができるので、低流量供給弁のように導入通路と導出通路との差圧の変動に影響されることなく、安定して一定流量の燃料ガスを供給することができる。

この場合には、スプリングで前記減圧弁の閉弁方向へ付勢され、前記減圧弁の弁体とともに移動するプランジャを、コイルへの通電によりステータコアに発生する電磁吸引力により、前記減圧弁の開弁方向へ移動させるソレノイド部を有することが好ましい。

このようなソレノイド部を有することにより、燃料ガスの供給を停止する場合には、コイルへの通電を止めれば、スプリングの付勢力により減圧弁を閉弁することができる。つまり、減圧弁の入口が完全に遮断される。従って、低流量供給弁として減圧弁を使用しても、ソレノイド部によって燃料ガスの供給停止時に減圧弁を強制的に閉弁させるので、燃料ガスを無駄に消費することを防止することができる。

本発明に係るガス燃料供給ユニットによれば、流量調整弁の作動回数を低減して、作動音や圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

第１実施形態における燃料電池システムの概略構成である。 第１実施形態における水素供給ユニットの断面図である。 低流量供給弁の断面図である。 水素供給ユニットの変形例を示す図である。 第１実施形態における水素供給ユニットの動作フローチャートである。 水素供給ユニットの動作の一例を示すタイムチャートである。 第２実施形態における燃料電池システムの概略構成である。 第２実施形態における水素供給ユニットの断面図である。 第２実施形態における水素供給ユニットの動作フローチャートである。 第３実施形態における燃料電池システムの概略構成である。 第３実施形態における水素供給ユニットの断面図である。 第２実施形態における水素供給ユニットの変形例の断面図である。 減圧弁の断面図である。 第３実施形態における水素供給ユニットの動作フローチャートである。

＜第１実施形態＞
本実施形態では、本発明のガス燃料供給ユニットを燃料電池システムの水素供給ユニットに適用した場合について説明する。そこで、まず、第１実施形態について説明する。

まず、燃料電池システム１について、図１を参照しながら詳細に説明する。燃料電池システム１は、燃料電池１０、水素ボンベ１２、水素供給通路１４、水素排出通路１６、主止弁１８、第１切換弁２０、高圧レギュレータ２２、水素供給ユニット２４、エア供給通路２６、エア排出通路２８、エアポンプ３０、第２切換弁３２、１次圧センサ３４、２次圧センサ３６、３次圧センサ３８、エア圧センサ４０、コントローラ４２などを有している。

この燃料電池システム１は、燃料電池車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するために使用される。燃料電池（燃料電池スタック）１０は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしてのエアの供給を受けて発電を行う。燃料電池１０で発電した電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給される。水素ボンベ１２には、高圧の水素ガスが蓄えられる。

燃料電池１０のアノード側には、水素供給システムが設けられている。この水素供給システムは、水素ボンベ１２から供給先の燃料電池１０へ水素ガスを供給するための水素供給通路１４と、燃料電池１０から導出される水素オフガスを排出するための水素排出通路１６とを備えている。水素ボンベ１２の直下流の水素供給通路１４には、水素ボンベ１２から水素供給通路１４への水素ガスの供給と遮断を切り換える電磁弁よりなる主止弁１８が設けられる。水素排出通路１６には、電磁弁よりなる第１切換弁２０が設けられる。

主止弁１８より下流の水素供給通路１４には、水素ガスの圧力を減圧するための高圧レギュレータ２２が設けられる。主止弁１８と高圧レギュレータ２２との間の水素供給通路１４には、その中の圧力を１次圧Ｐ１として検出するための１次圧センサ３４が設けられる。

高圧レギュレータ２２より下流の水素供給通路１４には、２次圧センサ３６が設けられる。２次圧センサ３６は、高圧レギュレータ２２と水素供給ユニット２４との間の水素供給通路１４の中の圧力を２次圧Ｐ２として検出する。この２次圧Ｐ２は、水素供給ユニット２４の導入ブロック４４内に設けられた導入通路５６内の圧力となる。２次圧センサ３６と高圧レギュレータ２２との間に中圧リリーフ弁３７が設けられる。

２次圧センサ３６より下流の水素供給通路１４には、燃料電池１０へ供給される水素ガスの流量を調節するための水素供給ユニット２４が設けられる。水素供給ユニット２４は、本発明のガス燃料供給ユニットの一例に相当する。なお、水素供給ユニット２４の詳細は、後述する。

水素供給ユニット２４より下流の水素供給通路１４には、３次圧センサ３８が設けられる。３次圧センサ３８は、水素供給ユニット２４と燃料電池１０との間の水素供給通路１４の中の圧力を３次圧Ｐ３として検出する。この３次圧Ｐ３は、水素供給ユニット２４の導出ブロック４６内に設けられた導出通路７２内の圧力となる。３次圧センサ３８と燃料電池１０との間に低圧リリーフ弁３９が設けられる。

一方、燃料電池１０のカソード側には、燃料電池１０にエアを供給するためのエア供給通路２６と、燃料電池１０から導出されるエアオフガスを排出するためのエア排出通路２８とが設けられている。エア供給通路２６には、燃料電池１０に供給されるエア流量を調節するためのエアポンプ３０が設けられている。エアポンプ３０より下流のエア供給通路２６には、エア圧力Ｐ４を検出するためのエア圧センサ４０が設けられる。エア排出通路２８には、電磁弁よりなる第２切換弁３２が設けられる。

上記構成において、水素ボンベ１２から導出される水素ガスは、水素供給通路１４を通り、主止弁１８、高圧レギュレータ２２、水素供給ユニット２４を介して燃料電池１０に供給される。燃料電池１０に供給された水素ガスは、燃料電池１０にて発電に使用された後、燃料電池１０から水素オフガスとして水素排出通路１６及び第１切換弁２０を介して排出される。

また、上記構成において、エアポンプ３０によりエア供給通路２６へ吐出されたエアは燃料電池１０に供給される。燃料電池１０に供給されたエアは、燃料電池１０にて発電に使用された後、燃料電池１０からエアオフガスとしてエア排出通路２８及び第２切換弁３２を介して排出される。

この燃料電池システム１は、システムの制御を司るコントローラ（制御部）４２を更に備える。コントローラ４２は、燃料電池１０へ供給される水素ガスの流量を制御するために、１次圧センサ３４、２次圧センサ３６及び３次圧センサ３８の検出値に基づき、主止弁１８、水素供給ユニット２４に備わるインジェクタ５２を制御する。インジェクタ５２は、本発明の流量調整弁の一例に相当する。また、コントローラ４２は、水素排出通路１６の水素オフガスの流れを制御するために、第１切換弁２０を制御する。一方、コントローラ４２は、燃料電池１０へ供給されるエアの流れを制御するために、エア圧センサ４０の検出値に基づきエアポンプ３０を制御する。

また、コントローラ４２は、エア排出通路２８のエアオフガスの流れを制御するために、第２切換弁３２を制御する。また、コントローラ４２は、燃料電池１０の発電に係る電圧値及び電流値をそれぞれ入力するようになっている。コントローラ４２は、中央処理装置（ＣＰＵ）及びメモリを備え、燃料電池１０へ供給される水素ガス量及びエア量を制御するために、メモリに記憶された所定の制御プログラムに基づいてインジェクタ５２及びエアポンプ３０等を制御する。

次に、水素供給ユニット２４について、図１〜図３を参照しながら説明する。水素供給ユニット２４は、図１及び図２に示すように、導入ブロック４４と、導出ブロック４６と、低流量供給弁８０と、インジェクタ５２と、ボルト５４などを備えている。インジェクタ５２は、本発明の流量調整弁の一例に相当する。

導入ブロック４４は、水素供給通路１４の水素ガスをインジェクタ５２及び低流量供給弁８０へ分配する部材である。導入ブロック４４は、導入通路５６と、導入孔６０と、凹部６６と、導入孔６８と、雌ネジ穴７０などを備えている。

導入通路５６は、水素供給通路１４から水素ガスが導入される通路である。この導入通路５６に、導入孔６０，６８が接続されている。

凹部６６は、導入ブロック４４の一面に対して凹んで形成されている。この凹部６６は、導入孔６０，６８を介して導入通路５６に接続している。凹部６６の内部には、低流量供給弁８０及びインジェクタ５２が配置されている。導入孔６０には、低流量供給弁８０の入口８２ａが配置されている。導入孔６８には、インジェクタ５２の入口側にある入口パイプ５２ｂが嵌め込まれている。そして、このようにして、図２に示す例において、導入通路５６に、１つの低流量供給弁８０の入口８２ａと３つのインジェクタ５２の入口パイプ５２ｂが並列に並んで接続されている。なお、凹部６６の内側は、図２の紙面奥側および紙面手前側について空洞になっており、水素供給ユニット２４の外部（大気）に連通している。なお、雌ネジ穴７０には、ボルト５４が締結されている。

また、導出ブロック４６は、インジェクタ５２から噴射される水素ガス、及び低流量供給弁８０から吐出される水素ガスを合流させる部材である。導出ブロック４６は、導出通路７２と、ノズル孔７８と、導出孔７９と、ボルト穴９０などを備えている。導出通路７２は、インジェクタ５２及び低流量供給弁８０から水素ガスが導出される通路である。

ノズル孔７８には、インジェクタ５２の出口側にあるノズルパイプ５２ｃが嵌め込まれている。導出孔７９には、低流量供給弁８０の出口８２ｂが配置されている。そして、このようにして、図２に示す例において、導出通路７２に、１つの低流量供給弁８０の出口８２ｂと３つのインジェクタ５２のノズルパイプ５２ｃが並列に並んで接続されている。なお、ボルト穴９０には、ボルト５４が挿入されている。

そして、低流量供給弁８０は、燃料電池システム１の低負荷時、例えばアイドル運転時に必要な低流量の水素ガスを供給するものである。なお、アイドル運転時とは、燃料電池車の車速が所定値未満であって燃料電池の発電電流が所定値未満である時である。すなわち、アイドル運転時とは、燃料電池車の停止時などにおいて、燃料電池１０が最小限度の反応ガス消費で待機動作を行っている時である。

この低流量供給弁８０は、図３に示すように、弁本体８１と、弁本体８１の内部に設けられた燃料流路８２と、燃料流路８２の入口８２ａに対応して設けられた弁座８３と、弁座８３へ向かって往復動可能に設けられたピストン８４と、ピストン８４の端部に設けられてピストン８４とともに移動する弁体８５と、弁体８５（ピストン８４）を弁座８３へ押し付ける方向（閉弁方向）へ付勢するスプリング８６とを備えている。なお、図３は、弁体８５がスプリング８６により弁座８３に押し付けられた閉弁状態を示す。低流量供給弁８０では、２次圧Ｐ２と３次圧Ｐ３との差圧（Ｐ２−Ｐ３）が所定値以上になってスプリング８６の付勢力よりも大きくなると、弁体８５が弁座８３から離間して開弁するようになっている。

これにより、低流量供給弁８０では、燃料電池１０で水素ガスが消費されると３次圧Ｐ３が低下して、２次圧Ｐ２と３次圧Ｐ３との差圧が所定値以上になるため、燃料電池１０での水素ガスの消費量に応じて水素ガスを供給することができる。また、低流量供給弁８０を非常に簡単な構成にすることができる。

そして、低流量供給弁８０は、インジェクタ５２に対して並列配置されているため、水素供給ユニット２４内に簡単に組み込むことができる。また、水素供給ユニット２４における最大流量が、低流量供給弁８０の最大流量分だけ増えるため、インジェクタ５２を小型化することができる。

また、インジェクタ５２は、水素ガスの流量及び圧力を調節する。インジェクタ５２は、本体５２ａと、入口パイプ５２ｂと、ノズルパイプ５２ｃとを備えている。本体５２ａは、円筒形に形成されている。入口パイプ５２ｂは、本体５２ａの一端から突出し、本体５２ａよりも小径な円筒形に形成されている。ノズルパイプ５２ｃは、本体５２ａの他端から突出し、本体５２ａより小径な円筒形に形成されている。そして、水素ガスは、入口パイプ５２ｂから入って、ノズルパイプ５２ｃから吐出される。図２に示す例において、水素供給ユニット２４は、インジェクタ５２を３つ有している。なお、インジェクタ５２の数は、特に限定されず、１つであっても２つであっても４つ以上であってもよい。

このような構成の水素供給ユニット２４では、導入通路５６に導入された水素ガスを、アイドル運転時には主として低流量供給弁８０から導出通路７２へ吐出することで必要流量の水素ガスを燃料電池１０に供給する。また、アイドル運転時以外には主としてインジェクタ５２により導出通路７２へ噴射することで、必要流量の水素ガスを燃料電池１０に供給する。

ここで、低流量供給弁８０は、インジェクタ５２に対して並列配置されていればよく、必ずしも凹部６６に配置されていなくてもよい。例えば、図４に示すように、導入通路５６と導出通路７２とを連通する連通路９５ａ，９５ｂを設けて、連通路９５ａ又は連通路９５ｂの途中に低流量供給弁８０を配置することもできる。図４では、導入ブロック４４に設けた連通路９５ａに低流量供給弁８０を設けた場合を例示している。

続いて、上記構成の水素供給ユニット２４の動作について、図５に示す動作フローチャートを参照しながら説明する。車両が起動されると、燃料電池１０で水素ガスが消費されて３次圧Ｐ３が必要圧力以下になり（ステップＳ１：ＹＥＳ）、２次圧Ｐ２と３次圧Ｐ３と差圧が規定以上、つまり２次圧Ｐ２と３次圧Ｐ３と差圧が低流量供給弁８０のスプリング８６の付勢力よりも大きくなると（ステップＳ２：ＹＥＳ）、その差圧に応じた開度で低流量供給弁８０が開弁し、その開度が保持される（ステップＳ３〜Ｓ５）。これにより、アイドル運転時に必要な水素ガスをインジェクタ５２を作動させることなく、水素供給ユニット２４から供給することができる。従って、アイドル運転時において、インジェクタ５２の作動音や導入通路５６内における圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

ここで、アイドル運転時において、低流量供給弁８０から供給する水素ガスの流量では必要流量に満たない場合には（ステップＳ４：ＮＯ）、コントローラ４２がインジェクタ５２を作動させて不足分の水素ガスを供給する（ステップＳ６）。これにより、インジェクタ５２の作動回数を必要最小限にして必要流量の水素ガスを供給することができる。この場合でも、インジェクタの作動回数が低減されるため、作動音や圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

そして、負荷が増加すると（ステップＳ７：ＹＥＳ）、コントローラ４２により、負荷に応じた必要流量を供給するために必要なインジェクタ５２の作動本数及び開弁時間が決定され、その決定に従ってインジェクタ５２が作動させられる。このようなインジェクタ５２の制御は、アイドル運転になるまで継続される（ステップＳ９：ＮＯ）。その後、アイドル運転になると（ステップＳ９：ＹＥＳ）、ステップＳ１〜Ｓ８の動作が繰り返される。

一方、負荷が増加せずに（ステップＳ７：ＮＯ）、停止時になると（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、コントローラ４２は、２次圧Ｐ２が規定圧力以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１）。この判断処理を行うのは、２次圧Ｐ２が高いと低流量供給弁８０が閉弁しなくなるからである。このとき、２次圧Ｐ２が規定圧力以上である場合には（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、低流量供給弁８０が閉弁しなくなるおそれがあるため、コントローラ４２はインジェクタ５２を作動させて２次圧Ｐ２を下げる（ステップＳ１２）。そうすると、差圧により低流量供給弁８０が閉弁する（ステップＳ１３）。一方、２次圧Ｐ２が規定圧力より小さい場合には（ステップＳ１１：ＮＯ）、差圧により低流量供給弁８０が閉弁する（ステップＳ１３）。

上記のフローチャートのように水素供給ユニット２４が動作することにより、例えば、図６に示すようなタイムチャートで表される圧力変化等が生じる。図６に示すように、時刻Ｔ１にて、２次圧Ｐ２と３次圧Ｐ３の差圧により低流量供給弁８０が開弁して燃料電池１０に水素ガスが供給されて発電が開始する。これにより、アイドル運転が開始する。その後、時刻Ｔ２まで低流量供給弁８０の開弁が保持されてアイドル運転が継続される。このとき、低流量供給弁８０からの供給する水素ガスの流量では必要流量に満たない場合には、インジェクタ５２が作動して不足分が補われる。そして、時刻Ｔ２にて運転が停止されると、低流量供給弁８０が閉弁して燃料電池１０への水素ガスの供給が停止して、燃料電池１０の発電が終了する。

以上、詳細に説明したように本実施形態に係る水素供給ユニット２４によれば、インジェクタ５２に対して並列配置された低流量供給弁８０を有するので、必要流量が少ないアイドル運転時に、低流量供給弁８０から必要流量の水素ガスを供給することができる。これにより、アイドル運転時において、インジェクタ５２を作動させることなく、必要流量の水素ガスを供給することができるため、インジェクタ５２の作動音や導入通路５６内における圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について、図７〜図９を参照しながら説明するが、第１実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に述べる。

本実施形態では、図７に示すように、水素供給ユニット２４ａの構成が第１実施形態とは異なっており、低流量供給弁８０がインジェクタ５２に対して直列配置されている。具体的には、図８に示すように、導出通路７２に低流量供給弁８０が配置されている。これにより、３つのインジェクタ５２のうちの１つに対して低流量供給弁８０が直列配置される。なお、低流量供給弁８０を導入通路５６に配置しても、インジェクタ５２に対して低流量供給弁８０を直列配置することができる。

このように低流量供給弁８０がインジェクタ５２に対して直列配置されているため、水素ガスの供給停止時にインジェクタ５２が水素ガスを封止するので、低流量供給弁８０にシール性能が要求されない。また、インジェクタ５２により、低流量供給弁８０から供給される水素ガスの流量を制御することができ、低流量供給時においても精度良く流量調整を行うことができる。

そして、水素供給ユニット２４ａでは、導入通路５６に導入された水素ガスを、アイドル運転時には主として１つのインジェクタ５２と低流量供給弁８０を介して導出通路７２へ吐出することで必要流量の水素ガスを燃料電池１０に供給する。また、アイドル運転時以外には主としてインジェクタ５２により導出通路７２へ噴射することで、必要流量の水素ガスを燃料電池１０に供給する。

続いて、上記構成の水素供給ユニット２４ａの動作について、図９に示す動作フローチャートを参照しながら説明する。車両が起動されると、コントローラ４２は、低流量供給弁８０に直列配置されているインジェクタ５２を開弁する（ステップＳ２０）。そうすると、２次圧Ｐ２と３次圧Ｐ３と差圧が規定以上、つまり２次圧Ｐ２と３次圧Ｐ３と差圧が低流量供給弁８０のスプリング８６の付勢力よりも大きくなると、その差圧に応じた開度で低流量供給弁８０が開弁し、その開度が保持される（ステップＳ２１）。これにより、アイドル運転時に必要な水素ガスを１つのインジェクタ５２のみを開弁させるだけで、水素供給ユニット２４から供給することができる。この場合の開弁は１回だけであり、しかも残りの２つのインジェクタ５２は作動しないので、従来のインジェクタの作動回数と比較すると大幅に低減される。従って、アイドル運転時において、インジェクタ５２の作動音や導入通路５６内における圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

なお、アイドル運転時において、低流量供給弁８０から供給する水素ガスの流量では必要流量に満たない場合には、第１実施形態と同様に、コントローラ４２が低流量供給弁８０に直列配置されていないインジェクタ５２を作動させて不足分の水素ガスを供給する。これにより、インジェクタ５２の作動回数を必要最小限にして必要流量の水素ガスを供給することができる。この場合でも、インジェクタの作動回数が低減されるため、作動音や圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

そして、負荷が増加すると（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、コントローラ４２により、負荷に応じた必要流量を供給するために必要なインジェクタ５２の作動本数及び開弁時間が決定され、その決定に従ってインジェクタ５２が作動させられる。このようなインジェクタ５２の制御は、アイドル運転になるまで継続される（ステップＳ２４：ＮＯ）。その後、アイドル運転になると（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、ステップＳ２０〜Ｓ２３の動作が繰り返される。

一方、負荷が増加せずに（ステップＳ２２：ＮＯ）、停止時になると（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、コントローラ４２は、低流量供給弁８０に直列配置されているインジェクタ５２を閉弁する（ステップＳ２６）。これにより、低流量供給弁８０が閉弁する。

上記のフローチャートのように水素供給ユニット２４ａが動作することにより、例えば、図６に示したタイムチャートと同様の圧力変化等が生じる。すなわち、本実施形態では時刻Ｔ１にて、低流量供給弁８０に直列配置されているインジェクタ５２が開弁するとともに低流量供給弁８０が開弁して燃料電池１０に水素ガスが供給されて発電が開始する。これにより、アイドル運転が開始する。その後、時刻Ｔ２まで、低流量供給弁８０に直列配置されているインジェクタ５２及び低流量供給弁８０の開弁が保持されてアイドル運転が継続される。このとき、低流量供給弁８０からの供給する水素ガスの流量では必要流量に満たない場合には、低流量供給弁８０に直列配置されていないインジェクタ５２が作動して不足分が補われる。そして、時刻Ｔ２にて運転が停止されると、低流量供給弁８０に直列配置されているインジェクタ５２が開弁して低流量供給弁８０が閉弁する。これにより、燃料電池１０への水素ガスの供給が停止して、燃料電池１０の発電が終了する。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について、図１０〜図１４を参照しながら説明するが、第１実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に述べる。

本実施形態では、図１０に示すように、水素供給ユニット２４ｂの構成が第１実施形態とは異なっており、低流量供給弁８０として低圧減圧弁１００がインジェクタ５２に対して並列配置されている。具体的には、図１１に示すように、２つのインジェクタ５２に対して低圧減圧弁１００が並列配置されている。低圧減圧弁１００は、導入ブロック４４に設けられており、入口１０２ａが導入通路５６に連通する導入孔６０に配置され、出口１０２ｂが導出通路７２に連通する導出孔７９に配置されている。なお、図１２に示すように、導入孔６０及び導出孔７９の位置を変更することにより、低圧減圧弁１００は、導出ブロック４６に設けることもできる。

低圧減圧弁１００は、図１３に示すように、減圧（調圧）を行う弁部１０１と、弁部１０１（減圧弁１００）における弁開閉（弁座１０３と弁体１０５の離間／当接）を行うソレノイド部１１０とで構成されている。弁部１０１は、導入ブロック４４に形成された燃料流路１０２と、燃料流路１０２の入口１０２ａに対応して設けられた弁座１０３と、弁座１０３へ向かって往復動可能に設けられたピストン１０４と、ピストン１０４の一端に設けられてピストン１０４とともに移動する弁体１０５と、弁体１０５（ピストン１０４）を弁座１０３から離れる方向（開弁方向）へ付勢するスプリング１０６と、ピストン１０４の他端に設けられた調圧室１０７と、ピストン１０４に形成されて燃料流路１０２と調圧室１０７とを連通する連通路１０８とを備えている。なお、図１３は、ソレノイド部１１０がオフ（コイル１１１へ通電していない）状態において、プランジャ１１４がスプリング１１５によって閉弁方向へ付勢されてピストン１０４を介して弁体１０５が弁座１０３に押し付けられた閉弁（遮断）状態を示す。

ソレノイド部１１０は、中空円筒状のコイルボビン１１１ａと、コイルボビン１１１ａに導線が巻かれて形成されたコイル１１１と、コイルボビン１１１ａの中空部の一端に固定されたステータコア１１２と、コイルボビン１１１ａの中空部の他端に、非磁性体であるカラー１１３を介して、ピストン１０４の移動方向へ移動可能に設けられたプランジャ１１４と、ステータコア１１２とプランジャ１１４との間に配置されてプランジャ１１４をピストン１０４側（閉弁方向）へ付勢するスプリング１１５と、コイル１１１の外側に設けられたヨーク１１６と、これらの部材を覆うように形成されたカバー１１７と、カバー１１７に形成されてコイル１１１と外部電源とを接続するコネクタ１１８とを備えている。なお、スプリング１１５の付勢力は、弁部１０１のスプリング１０６の付勢力より大きく、コイル１１１への通電時においてステータコア１１２に発生する磁気吸引力より小さい。

このような構成を有する低圧減圧弁１００において、ソレノイド部１１０がオフ状態、つまりコイル１１１へ通電していない状態では、スプリング１１５の付勢力によって、プランジャ１１４が閉弁方向へ移動し、プランジャ１１４は、ピストン１０４の端部に形成された突起部１０４ａに当接する。このとき、スプリング１１５の付勢力がスプリング１０６の付勢力より大きいので、ピストン１０４がプランジャ１１４とともに閉弁方向（弁座１０３側）へ移動する。これにより、弁体１０５が弁座１０３に当接して入口１０２ａが遮断され、低圧減圧弁１００が閉弁する。この状態が低圧減圧弁１００の閉弁状態である。

一方、ソレノイド部１１０がオン状態、つまりコイル１１１へ通電している状態では、磁気吸引力によりプランジャ１１４がステータコア１１２に引き寄せられて当接する。そうすると、スプリング１０６の付勢力によりピストン１０４がプランジャ１１４側（開弁方向）へ移動する。これにより、弁体１０５が弁座１０３から離れて入口１０２ａが開放され、低圧減圧弁１００が開弁する。この状態が低圧減圧弁１００の開弁状態である。このようして、低圧減圧弁１００では、ソレノイド部１１０のコイル１１１への通電／非通電を切り替えることにより、開弁状態と閉弁状態とを切り替えている。

そして、低圧減圧弁１００が開弁状態になると、入口１０２ａから水素ガスが燃料流路１０２に導入される。燃料流路１０２に導入された水素ガスは、連通路１０８を介して調圧室１０７に供給される。このとき、調圧室１０７に供給された水素ガスの圧力によりピストン１０４を閉弁方向へ移動させる力が発生し、その力とスプリング１０６の付勢力との関係に応じて弁開度が調節されることにより、低圧減圧弁１００に供給された水素ガスが、所定の圧力に調圧（減圧）されて出口１０２ｂから導出される。なお、本実施形態では、例えば、１ＭＰａ程度で供給される水素ガスを、０．１〜０．２ＭＰａに減圧する。

これにより、低圧減圧弁１００では、３次圧Ｐ３を一定にすることができるので、低流量供給時において、低流量供給弁８０のように２次圧Ｐ２と３次圧Ｐ３との差圧の変動に影響されることなく、安定して一定流量の水素ガスを燃料電池１０に供給することができる。また、燃料電池１０への水素ガスの供給を停止する場合には、ソレノイド部１１０によって低圧減圧弁１００を強制的に閉弁させるので、水素ガスを無駄に消費することを防止することができる。

そして、水素供給ユニット２４ｂでは、導入通路５６に導入された水素ガスを、アイドル運転時には低圧減圧弁１００により導出通路７２へ吐出することで必要流量の水素ガスを燃料電池１０に供給する。そのため、アイドル運転時において、インジェクタ５２を作動させないので、インジェクタ５２の作動音や導入通路５６内における圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

続いて、上記構成の水素供給ユニット２４ｂの動作について、図１４に示す動作フローチャートを参照しながら説明する。車両が起動されると、コントローラ４２は、コイル１１１への通電を開始して低圧減圧弁１００を開弁する（ステップＳ３０）。そうすると、低圧減圧弁１００では、調圧値に応じた弁開度に保持される（ステップＳ３１）。これにより、アイドル運転時に必要な水素ガスをインジェクタ５２を作動させることなく、水素供給ユニット２４ｂから供給することができる。従って、アイドル運転時において、インジェクタ５２の作動音や導入通路５６内における圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。

なお、アイドル運転時において、低圧減圧弁１００から供給する水素ガスの流量では必要流量に満たない場合には、第１実施形態と同様に、コントローラ４２がインジェクタ５２を作動させて不足分の水素ガスを供給するようにしてもよい。

そして、負荷が増加すると（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、コントローラ４２により、負荷に応じた必要流量を供給するために必要なインジェクタ５２の作動本数及び開弁時間が決定され、その決定に従ってインジェクタ５２が作動させられる。このようなインジェクタ５２の制御は、アイドル運転になるまで継続される（ステップＳ３４：ＮＯ）。その後、アイドル運転になると（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、コントローラ４２は、停止時か否か、つまり燃料電池１０の発電を停止するか否かを判断する（ステップＳ３５）。

一方、負荷が増加しない場合にも（ステップＳ３２：ＮＯ）、コントローラ４２は、停止時か否か判断する（ステップＳ３５）。そして、停止時である場合には（ステップＳ３５：ＹＥＳ）、コントローラ４２は、コイル１１１への通電を停止して低圧減圧弁１００を閉弁する（ステップＳ３６）。これにより、燃料電池１０への水素ガスの供給が停止して、燃料電池１０の発電が終了する。このように停止時には、低圧減圧弁１００は、ソレノイド部１１０によって強制的に閉弁されるので、水素ガスを無駄に消費することを防止することができる。なお、停止時でない場合には（ステップＳ３５：ＮＯ）、ステップＳ３１以降の処理が再度実施される。

このように、水素供給ユニット２４ｂによれば、インジェクタ５２に対して並列配置された低圧減圧弁１００を有するので、必要流量が少ないアイドル運転時に、低圧減圧弁１００から一定流量の水素ガスを燃料電池１０に安定して供給することができる。これにより、アイドル運転時において、インジェクタ５２を作動させることなく、必要流量の水素ガスを安定して供給することができるため、インジェクタ５２の作動音や導入通路５６内における圧力脈動に起因する騒音を抑制することができる。また、水素ガスの供給を停止する場合には、コイルへの通電を止めることにより、減圧弁を閉弁して減圧弁の入口を完全に遮断することができる。これにより、水素ガスを無駄に消費することを防止することができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、第３実施形態では、ソレノイド部１１０が低圧減圧弁１００に一体化された構成を例示したが、ソレノイド部１１０を低圧減圧弁１００と別体に構成することもできる。

１ 燃料電池システム
２４ 水素供給ユニット
３６ ２次圧センサ
３８ ３次圧センサ
４２ コントローラ
４４ 導入ブロック
４６ 導出ブロック
５２ インジェクタ
５６ 導入通路
７２ 導出通路
８０ 低流量供給弁
１００ 低圧減圧弁
１０１ 弁部
１１０ ソレノイド部
１１１ コイル
１１４ プランジャ
１１５ スプリング

Claims (6)

1. 燃料ガスが導入される導入通路を備える導入ブロックと、燃料ガスが導出される導出通路を備える導出ブロックと、燃料ガスの流量を調節するための少なくとも１つの流量調整弁とを備え、前記流量調整弁の入口側が前記導入通路に接続され、前記流量調整弁の出口側が前記導出通路に接続されているガス燃料供給ユニットにおいて、
   前記導入通路と前記導出通路との間に、前記流量調整弁に対して並列配置された低流量供給弁を有する
   ことを特徴とするガス燃料供給ユニット。
2. 燃料ガスが導入される導入通路を備える導入ブロックと、燃料ガスが導出される導出通路を備える導出ブロックと、燃料ガスの流量を調節するための少なくとも１つの流量調整弁とを備え、前記流量調整弁の入口側が前記導入通路に接続され、前記流量調整弁の出口側が前記導出通路に接続されているガス燃料供給ユニットにおいて、
   前記流量調整弁に対して直列配置された低流量供給弁を有する
   ことを特徴とするガス燃料供給ユニット。
3. 請求項１又は請求項２に記載するガス燃料供給ユニットにおいて、
   前記低流量供給弁は、前記導入通路内の圧力と前記導出通路の圧力との圧力差が所定値以上になると開弁して燃料ガスを供給する
   ことを特徴とするガス燃料供給ユニット。
4. 請求項１から請求項３に記載するいずれか１つのガス燃料供給ユニットにおいて、
   前記流量調整弁の開閉動作を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、前記低流量供給弁が開弁しているときに、前記低流量供給弁から供給されている燃料ガスの流量が必要流量に満たない場合、前記流量調整弁を開弁させて不足流量分の燃料ガスを供給する
   ことを特徴とするガス燃料供給ユニット。
5. 請求項１に記載するガス燃料供給ユニットにおいて、
   前記低流量供給弁は、前記導入通路に導入される燃料ガスの圧力を低下させて所定の圧力に調圧する減圧弁である
   ことを特徴とするガス燃料供給ユニット。
6. 請求項５に記載するガス燃料供給ユニットにおいて、
   スプリングで前記減圧弁の閉弁方向へ付勢され、前記減圧弁の弁体とともに移動するプランジャを、コイルへの通電によりステータコアに発生する電磁吸引力により、前記減圧弁の開弁方向へ移動させるソレノイド部を有する
   ことを特徴とするガス燃料供給ユニット。

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