JP4648278B2 - 背圧弁制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、一次側の被制御ガスを所定圧力に制御するダイアフラム式背圧弁を用いた背圧弁制御装置に関し、例えば燃料電池から排出される未反応の燃料と空気による背圧を制御するのに適した背圧弁制御装置に関するものである。

燃料電池は、触媒を含む燃料極（負極）及び空気極（正極）と、これらの間に設けられ、所定のイオンの移動を許容する電解質層とからなる発電部を具備した構造を有している。この燃料電池においては、負極に燃料ないし水素を供給するとともに、正極に空気ないし酸素を供給すると、電極に含まれる触媒の作用により各電極において電気化学的な反応が起こり、燃料を供給源として電子による直流電流を取り出すことができる。このようなメカニズムで発電する燃料電池においては、負極に燃料を補給するとともに正極に酸素を補給することにより、長時間にわたって連続発電が可能となり、二次電池と同様に使用することができ、携帯型電子機器類の電源への応用が期待されている。

そして、特に固体高分子型燃料電池では、排出される未反応の燃料と空気による背圧の制御が重要な問題であり、固体高分子型燃料電池から排出される排出燃料等に対して背圧制御弁が設けられているのが一般的である。これにより、固体高分子型燃料電池のカソード側に対するアノード側の圧力を所定圧に設定して所定の発電効率を確保するとともに、固体高分子型燃料電池に供給される燃料の流量を制御することで所定の出力が得られるようになっている。

ところで、上記背圧制御弁としては、一次側の被制御ガスを所定圧力に制御するダイアフラム式背圧弁が知られている。そして、この種のダイアフラム式背圧弁を用いた従来の背圧弁制御装置としては、例えば下記特許文献１に開示される燃料電池の背圧弁制御装置が知られている。この背圧弁制御装置に用いられるダイアフラム式背圧弁は、例えばステンレス、ニッケルーコバルト合金などからなるダイアフラム（金属円板）の屈曲により開閉を行うバルブで構成される。

さらに、ダイアフラム式背圧弁の構成について図３を参照しながら説明する。図３はダイアフラム式背圧弁の概略構成の一例を示す断面図である。このダイアフラム式背圧弁２は、図３に示すように、一対の管体２１（２１Ａ，２１Ｂ）に形成された一次側流路（背圧弁の入口側流路）２２と二次側流路（背圧弁の出口側流路）２３に臨むようにして弁２４が配置されている。弁２４は、上部が可動中心軸２５を介して金属円板からなるダイアフラム２６の中心と連結されている。ダイアフラム２６の上部には、付勢手段としてのコイルスプリング２７が介挿された筒体２８が設けられている。筒体２８は、外周部が一対の管体２１Ａ，２１Ｂに固定され、調整手段として外周部分にネジ２９ａが切られたボルト２９が上部に取り付けられている。このダイアフラム式背圧弁２では、ネジ２９ａが切られたボルト２９を手動により上下移動させることにより、コイルスプリング２７を介してダイアフラム２６に上から加わる圧力（設定圧力）が調整できるようになっている。そして、上記構成によるダイアフラム式背圧弁２では、ダイアフラム２６を境界面として、設定圧力がダイアフラム２６の上から印加され、一次側流路２２の制御プロセス圧力がダイアフラム２６の下から印加されるようになっている。
特開２００６−９２８５５号公報

ところで、上述したダイアフラム式背圧弁２を燃料電池の背圧制御に用いるにあたっては、ダイアフラム２６として、通常よりも厚さの薄い０．１〜０．２ｍｍ程度のものを使用することで背圧制御時の応答性の向上を図っている。

そして、上記ダイアフラム式背圧弁２を用いた一般的に知られている背圧弁制御装置では、ダイアフラム２６を境界面として、予めユーザによって設定される設定圧力（ダイアフラム２６を押し下げる圧力）と、一次側流路２２の制御プロセス圧力（ダイアフラム２６を押し上げる圧力）とがダイアフラム２６に印加される。

ところが、燃料電池の背圧制御時に、設定圧力と一次側の制御プロセス圧力との圧力差が大きくになると、ダイアフラム２６に過大な応力が加わってダイアフラム２６が変形し、正常に動作しないおそれがあった。特に、一次側の制御プロセス圧力よりも設定圧力が高く、極端な差圧が発生した場合には、ダイアフラム２６に必要以上の負荷が加わり、そのまま使用を続けると、ダイアフラム２６に亀裂が生じて破損を招き、その破損部分から水素漏れ事故が発生するおそれがあった。

さらに具体的数値を示して説明すると、例えば一次側の制御プロセス圧力を仮に４００Ｋｐａに設定したい場合には、直接ダイアフラム２６に４００Ｋｐａが印加される。ところが、一次側の制御プロセス圧力が０Ｋｐａの場合では、ダイアフラム２６の片側にのみ４００Ｋｐａの圧力（ダイアフラム２６を押し下げる圧力）が印加され、これにより過度な差圧が生じ、このような状況が長期に渡ると、ダイアフラム２６が差圧に耐えられなくなって破損してしまう。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、ダイアフラムに過大な負荷を加えて破損させることなく耐久性を向上させて長寿命化を図ることができる背圧弁制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明に係る請求項１の発明に記載された背圧弁制御装置は、一次側の被制御ガスを所定圧力に制御するダイアフラム式背圧弁を用いた背圧弁制御装置において、
圧力を設定する設定手段と、
前記一次側のプロセス制御圧力と、指定可能な固定圧力とを加算する加算手段と、
前記設定手段で設定された設定圧力と、前記加算手段で加算された加算圧力とを比較し、圧力の低い方を選択圧力とする圧力選択手段と、
前記圧力選択手段による選択圧力に応じた空気圧を前記ダイアフラム式背圧弁のダイアフラムに印加する電空変換器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る背圧弁制御装置によれば、従来のようにダイアフラムに設定圧力を直接印加するのではなく、一次側の制御プロセス圧力と固定圧力（例えば１００Ｋｐａ）との加算圧力と、設定圧力とを比較し、常に圧力の低い方を選択圧力としてダイアフラムに印加するので、ダイアフラムに必要以上の過大な負荷を加えることなく、背圧弁の耐久性を向上させて長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係る背圧弁制御装置の概略構成図、図２は本発明に係る背圧弁制御装置において設定圧力を４００Ｋｐａから１００Ｋｐａに変更した場合の一次側の制御プロセス圧力、加算圧力、電空変換器への制御出力の関係を示す図である。

本発明に係る背圧弁制御装置は、例えば燃料電池から排出される未反応の燃料と空気による背圧を制御するもので、燃料電池の排出口に配管を介して接続される。

図１に示すように、本例の背圧弁制御装置１は、ダイアフラム式背圧弁（以下、単に背圧弁とも言う）２、設定器３、圧力計４、加算器５、セレクタ６、空気圧源７、電空変換器８を備えて概略構成される。

本例では、背圧弁２として、図３に示す構造のものを使用しており、筒体２８には筒体２８内に臨む貫通穴３０が形成されている。そして、ダイアフラム２６に上から印加される圧力を自動的に制御するため、セレクタ６によって選択される選択圧力の空気が、空気圧源７から電空変換器８を介して貫通穴３０から出し入れされるようになっている。

尚、背圧弁２としては、ダイアフラム２６を上から所定の圧力（ダイアフラム２６を押し下げる圧力）を自動的に可変して印加できる構造であれば良く、特に図３の構造に限定されるものではない。

設定手段としての設定器３は、一次側流路２２で所望のプロセス制御圧力が得られるようにユーザの手動操作によって設定圧力ＰＡを入力設定しており、この設定圧力ＰＡをセレクタ６に入力している。

圧力計４は、一次側流路２２の圧力を計測するもので、この計測した圧力を一次側のプロセス制御圧力ＰＢとして加算器５に入力している。

加算手段としての加算器５は、予め指定される固定圧力ＰＣと、圧力計４から入力される一次側のプロセス制御圧力ＰＢとを加算し、この加算圧力ＰＤをセレクタ６に入力している。尚、プロセス制御圧力ＰＢと加算される固定圧力ＰＣは、所定範囲内で指定可能であり、例えばダイアフラム２６が十分に耐え得る差圧（ダイアフラム２６を押し下げる圧力と、ダイアフラム２６を押し下げる圧力との差）をダイアフラム２６の外径や厚さに応じて予め実験的に求めておき、実際に使用されるダイアフラム２６の外径や厚さに応じて最適値が指定される。

圧力選択手段としてのセレクタ６は、設定器３で設定された設定圧力ＰＡと、加算器５で加算された加算圧力ＰＤとを比較し、常に圧力の低い方を選択圧力ＰＥとし、この選択圧力ＰＥに応じた電気信号を電空変換器８に入力している。

電空変換器８は、セレクタ６から入力される選択圧力ＰＥに応じた電気信号を圧力信号に変換し、この変換された圧力信号による圧力がダイアフラム２６に印加されるように、空気圧源７から貫通穴３０を介して筒体２８内に供給される空気圧を制御している。

次に、上記構成による背圧弁制御装置の動作について図２を参照しながら説明する。ここでは、設定器による設定圧力ＰＡを４００Ｋｐａから１００Ｋｐａに変更した場合を例にとって説明する。ここでは、加算器５でプロセス制御圧力ＰＢと加算される固定圧力ＰＣを１００Ｋｐａに指定している。

まず、設定器３からセレクタ６に設定圧力ＰＡ＝４００Ｋｐａが入力され、圧力計４が計測する一次側のプロセス制御圧力ＰＢが０Ｋｐａの状態（図２の（イ）の状態）では、この圧力計４が計測した圧力０Ｋｐａがプロセス制御圧力ＰＢとして加算器５に入力される。加算器５では、圧力計４からのプロセス制御圧力ＰＢ＝０Ｋｐａと固定圧力ＰＣ＝１００Ｋｐａとを加算し、この加算した圧力１００Ｋｐａを加算圧力ＰＤとしてセレクタ６に入力する。セレクタ６では、設定器３からの設定圧力ＰＡ＝４００Ｋｐａと、加算器５からの加算圧力ＰＤ＝１００Ｋｐａとを比較し、圧力の低い方、すなわち加算圧力ＰＤ＝１００Ｋｐａを選択圧力ＰＥとし、この選択圧力ＰＥに応じた電気信号を電空変換器８に入力する。電空変換器８では、選択圧力ＰＥに応じた電気信号を圧力信号（選択圧力ＰＥに相当）に変換し、この変換した圧力信号による圧力（選択圧力ＰＥ）がダイアフラム２６に印加されるように、空気圧源７から貫通穴３０を介して筒体２８内に供給される空気圧（供給空気圧）を制御する。

そして、上記制御により一次側のプロセス制御圧力ＰＢが０Ｋｐａから上昇し、このプロセス制御圧力ＰＢに固定圧力ＰＣ＝１００Ｋｐａを加算した加算圧力ＰＤが設定圧力ＰＡ＝４００Ｋｐａ以下の状態では、加算圧力ＰＤを選択圧力ＰＥとしてダイアフラム２６に印加される圧力が制御される。そして、この制御により一次側のプロセス制御圧力ＰＢが更に上昇し、加算圧力ＰＤが設定圧力ＰＡ＝４００Ｋｐａを超え、設定圧力ＰＡよりも加算圧力ＰＤが高い状態（図２の（ロ）の状態）になると、セレクタ６は、加算圧力ＰＤより圧力が低い設定圧力ＰＡを選択圧力ＰＥとし、この選択圧力ＰＥに応じた電気信号を電空変換器８に入力する。そして、電空変換器８は、上述したように、選択圧力ＰＥに応じた圧力がダイアフラム２６に印加されるように供給空気圧を制御する。

その後、設定器２による設定圧力ＰＡが４００Ｋｐａから１００Ｋｐａに変更されると（図２の（ハ）の状態）、セレクタ６は、プロセス制御圧力ＰＢに固定圧力ＰＣ＝１００Ｋｐａを加算した加算圧力ＰＤより圧力が低い設定圧力ＰＡ＝１００Ｋｐａを選択圧力ＰＥとし、この選択圧力ＰＥに応じた電気信号を電空変換器８に入力する。そして、電空変換器８は、上述したように、選択圧力ＰＥに応じた圧力がダイアフラム２６に印加されるように供給空気圧を制御する。

尚、図１では、設定圧力ＰＡが４００Ｋｐａに設定され、プロセス制御圧力ＰＢが５０Ｋｐａ、固定圧力ＰＣが１００Ｋｐａの場合の動作を示しており、この場合、選択圧力ＰＥとしては、設定圧力ＰＡ（＝４００Ｋｐａ）よりも圧力が低い加算圧力ＰＤ（プロセス制御圧力ＰＢ＋固定圧力ＰＣ＝１５０Ｋｐａ）が選択され、この選択圧力ＰＥがダイアフラムに印加される。これにより、ダイアフラム２６は、ＰＥ＝１５０Ｋｐａの圧力で押し下げられ、プロセス制御圧力ＰＢ＝５０Ｋｐａの圧力で押し上げられる。したがって、ダイアフラム２６に生じる差圧（ダイアフラムを押し下げる圧力と、ダイアフラムを押し上げる圧力との差）は１００Ｋｐａとなる。

このように、本例の背圧弁制御装置１では、設定器３による設定圧力ＰＡと、加算器５による加算圧力ＰＤ（一次側の制御プロセス圧力ＰＢと固定圧力ＰＣとを加算した圧力）とを比較し、常に圧力の低い方を選択圧力ＰＥとし、この選択圧力ＰＥにより電空変換器８を介してダイアフラム２６に圧力を印加している。これにより、ダイアフラム２６に過度な圧力が印加されず、ダイアフラム２６を過度な圧力から保護することができる。

具体的に、一次側の制御プロセス圧力ＰＢを０Ｋｐａから４００Ｋｐａに変更したい場合、特に一次側の制御プロセス圧力ＰＢが０Ｋｐａのとき、従来の構成ではダイアフラムに４００Ｋｐａの差圧を生じるが、本例の構成によればダイアフラムに生じる差圧を加算器５で加えられる固定圧力ＰＣ（例えば１００Ｋｐａ）に抑えることができ、従来に比べてダイアフラムに加わる負荷を大幅に軽減できる。

すなわち、本例の背圧弁制御装置１では、従来のようなダイアフラム式背圧弁に設定圧力を直接印加するのではなく、一次側の制御プロセス圧力ＰＢと固定圧力ＰＣ（例えば１００Ｋｐａ）との加算圧力ＰＤと、設定圧力ＰＡとを比較し、常に圧力の低い方を選択圧力ＰＥとしてダイアフラム２６に印加している。これにより、ダイアフラム２６に必要以上の過大な負荷を加えることなく、背圧弁２の耐久性を向上させて長寿命化を図ることができる。しかも、背圧制御結果に影響を与えることなく、ダイアフラム２６の保護が可能となる。

ところで、上述した実施形態では、加算器５とセレクタ６とをハード構成として備え、単純なハード構成の追加によって背圧弁２の耐久性を向上させて長寿命化を図っているが、これら加算器５とセレクタ６の機能をソフトウェアによるプログラムで構成し、このプログラムをＣＰＵ（制御部）により実行して電空変換器８を制御することもできる。

また、上述した実施形態では、燃料電池の排出口に接続し、燃料電池から排出される未反応の燃料と空気による背圧を制御するものとして説明したが、一次側の被制御ガスを所定圧力に制御するダイアフラム式背圧弁２を用いる構成であれば良く、特に燃料電池の背圧制御に限定されるものではない。

本発明に係る背圧弁制御装置の概略構成図である。 本発明に係る背圧弁制御装置において設定圧力を４００Ｋｐａから１００Ｋｐａに変更した場合の一次側の制御プロセス圧力、加算圧力、電空変換器への制御出力の関係を示す図である。 ダイアフラム式背圧弁の概略構成の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ 背圧弁制御装置
２ 背圧弁（ダイアフラム式背圧弁）
３ 設定器（設定手段）
４ 圧力計
５ 加算器（加算手段）
６ セレクタ（圧力選択手段）
７ 空気圧源
８ 電空変換器
２１（２１Ａ，２１Ｂ） 管体
２２ 一次側流路
２３ 二次側流路
２４ 弁
２５ 可動中心軸
２６ ダイアフラム
２７ コイルスプリング（付勢手段）
２８ 筒体
２９ ボルト
２９ａ ネジ
３０ 貫通穴

Claims (1)

1. 一次側の被制御ガスを所定圧力に制御するダイアフラム式背圧弁を用いた背圧弁制御装置において、
   圧力を設定する設定手段と、
   前記一次側のプロセス制御圧力と、指定可能な固定圧力とを加算する加算手段と、
   前記設定手段で設定された設定圧力と、前記加算手段で加算された加算圧力とを比較し、圧力の低い方を選択圧力とする圧力選択手段と、
   前記圧力選択手段による選択圧力に応じた空気圧を前記ダイアフラム式背圧弁のダイアフラムに印加する電空変換器とを備えたことを特徴とする背圧弁制御装置。

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