JP6868371B2 - 高圧流体制御弁および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧流体に適した高圧流体制御弁およびこれを備える燃料電池システムに関する。

特許文献１には、水素タンク２と、水素タンク２に貯蔵されている高圧の水素ガスを燃料電池１のアノード極に供給するための水素供給通路３と、水素供給通路３に介装された制御弁４と、を備える燃料電池システムが開示されている。制御弁４は、燃料電池１に供給される水素ガスの圧力を調整するためのものである。さらに、この燃料電池システムは、燃料電池１の発電停止時（電源オフ時）に水素タンク２の内部と水素供給通路３との連通を遮断する開閉弁５を備える（段落００１３、００１４）。

特開２０１３−１３４６８７号公報

しかし、特許文献１では、制御弁４が水素供給通路３の途中、換言すれば、高圧配管３Ａと低圧配管３Ｂとの間に配置される一方、開閉弁５が水素タンク２のガス取出部、換言すれば、水素タンク２と水素供給通路３の高圧配管３Ａとの接続部に配置されており、制御弁４と開閉弁５とが個別に設けられている。ここで、開閉弁の機能と圧力制御弁の機能とを一体の制御弁に統合することができれば、配管等のレイアウト性が向上するとともに、部品数および製造コストの削減に繋がる。

そこで、本発明は、開閉機能と調圧機能とを兼ね備える高圧流体制御弁およびそのような制御弁をアノード系に備える燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一形態では、高圧側の第１ポートと低圧側の第２ポートとを有するハウジングに、第１ポートと連通する高圧室と、第２ポートと連通する低圧室と、高圧室および低圧室の間の中間室と、を形成するとともに、高圧室と中間室との間に遮断シート部を、中間室と低圧室との間に調圧シート部を、夫々形成する。弁体を高圧室から中間室にかけて延在させるようにハウジングに収容するとともに、ハウジングの弁体案内孔に摺動可能に挿入し、高圧室を外部に対して密封するための摺動シール部を形成する。さらに、弁体において、全閉時に遮断シート部と当接して高圧室と中間室との連通を遮断する遮断部と、全閉時に調圧シート部と当接して中間室と低圧室との連通を遮断する調圧部と、を形成する。調圧シート部は、全閉からの開弁動作時に弁体の移動に対して所定の距離だけ追従して変位または変形可能である。遮断シート部は、そのシート径である遮断シート径を、調圧シート部のシート径である調圧シート径よりも大きく、摺動シール部における弁体の外径よりも大きな値に設定する。

さらに、別の形態では、燃料電池システムにおいて、上記高圧流体制御弁を、燃料タンクに貯蔵されている燃料を第１ポートを通じて導入し、減圧後の燃料を第２ポートから送出するように配置する。

本発明によれば、開閉機能と調圧機能とを統合した高圧流体制御弁が提供され、配管等のレイアウト性が向上するとともに、部品数および製造コストを削減することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る高圧流体制御弁を適用した燃料電池システムの全体構成図である。 図２は、同上高圧流体制御弁の全体構成を示す概略断面図である。 図３は、同上高圧流体制御弁の要部構成を示す拡大断面図である。 図４は、同上高圧流体制御弁の全閉からの開弁時の動作を概略的に示す説明図である。 図５は、弁体の開方向位置に応じたシート面圧の変化を示す説明図である。 図６は、開弁動作時にソレノイドに供給する駆動エネルギの変化を示す説明図である。 図７は、本発明の他の実施形態に係る遮断シート部の構成を示す説明図である。 図８は、本発明のさらに別の実施形態に係る遮断シート部の構成を示す説明図である。 図９は、本発明のさらに別の実施形態に係る調圧シート部の構成を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（燃料電池システムの全体構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る高圧流体制御弁５を適用した燃料電池システム１の構成を、アノード系を中心に示している。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、大別すると、燃料電池１０と、カソードガス給排機構１２と、アノードガス給排機構１４と、を備える。燃料電池１０は、発電装置を構成する。カソードガス給排機構１２は、燃料電池１０のカソード極に酸化剤を供給し、発電反応後のカソードオフガスを燃料電池１０から排出する機構である。アノードガス給排機構１４は、燃料電池１０のアノード極に燃料を供給し、発電反応後のアノードオフガスをアノード極に再度供給するとともに、アノードオフガスの一部を必要に応じて燃料電池システム１の外部に排出する機構である。

燃料電池システム１は、さらに、図示しない負荷装置を備えるとともに、加熱／冷却機構等の燃料電池１０の運転に必要な設備を適宜備える。本実施形態において、燃料電池システム１は、車両に搭載され、負荷装置は、具体的には、車両走行用の電動モータである。燃料電池１０は、この燃料電池自動車の駆動源を構成し、電動モータに供給される電力のほか、車両の走行に必要な電力を発電する。

燃料電池１０は、膜電極接合体を一対のセパレータにより挟持して構成される燃料電池セルを積層して構成され、カソードガス給排機構１２を介して空気の供給を受けるとともに、アノードガス給排機構１４を介して水素ガスの供給を受け、空気中の酸素と水素との化学反応により発電する。本実施形態では、水素が燃料であり、空気中の酸素が酸化剤である。水素ガスは、後に述べる高圧水素タンク１４１から供給され、空気は、大気中から図示しないコンプレッサ等を介して取り込まれる。発電により生じた電気は、車両走行用の電動モータに供給され、この電動モータの駆動に用いられる。

カソードガス給排機構１２は、カソードガス供給通路１２１と、カソードガス排出通路１２２と、を備える。カソードガス供給通路１２１は、燃料電池１０のカソード極に供給される空気が流れる通路であり、カソードガス排出通路１２２は、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス供給通路１２１を介して大気中の空気が燃料電池１０のカソード極に供給され、カソードガス排出通路１２２を介してカソードオフガスが燃料電池システム１の外部に放出される。

アノードガス給排機構１４は、高圧水素タンク１４１と、アノードガス供給通路１４２と、アノードオフガス循環通路１４３と、を備える。高圧水素タンク１４１は、燃料電池１０のアノード極に供給される水素ガスを高圧状態に保って貯蔵する高圧ガス容器であり、本実施形態に係る「燃料タンク」を構成する。アノードガス供給通路１４２は、燃料電池１０のアノード極に供給される水素ガスが流れる通路であり、高圧水素タンク１４１のガス取出口と、燃料電池１０のアノード極のガス流入口と、の間に接続されている。アノードガス供給通路１４２は、本実施形態に係る「燃料供給管」を構成し、後に述べるエゼクタ１４５よりも上流側の第１燃料供給管１４２ａと、エゼクタ１４５よりも下流側の第２燃料供給管１４２ｂと、からなる。アノードオフガス循環通路１４３は、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスをアノード極に再度供給するための通路であり、燃料電池１０のアノード極のガス流出口と、アノードガス供給通路１４２と、の間に接続されている。

高圧水素タンク１４１のガス取出口には、本実施形態に係る「高圧流体制御弁」である統合主止弁５が取り付けられている。統合主止弁５は、高圧水素タンク１４１の内部とアノードガス供給通路１４２との連通を遮断する開閉機能と、アノードガス供給通路１４２に送り出す水素ガスの圧力を制御する減圧ないし調圧機能とを兼ね備えるものである。高圧水素タンク１４１に貯蔵されている水素ガスは、統合主止弁５の開放中に、統合主止弁５による制御を受けてアノードガス供給通路１４２に送出され、アノードガス供給通路１４２を介して燃料電池１０のアノード極に供給される。

さらに、アノードガス供給通路１４２とアノードオフガス循環通路１４３との接続部にエゼクタ１４５が設置されており、アノードガス供給通路１４２に送出された水素ガスは、エゼクタ１４５のノズル部に供給される。他方で、燃料電池１０のアノード極における発電反応に寄与せずに残った水素と、発電反応に際してカソード極からアノード極に漏洩した水分および窒素等の不純物と、を含んだアノードオフガスが、アノードオフガス循環通路１４３を介してエゼクタ１４５に供給される。アノードオフガスは、エゼクタ１４５の内部でノズル部を通じた水素ガスの噴流により形成される負圧の作用を受けてアノードガス供給通路１４２に吸入され、この水素ガスとともに燃料電池１０のアノード極に循環される。

本実施形態では、アノードオフガス循環通路１４３にアノードオフガス排出通路１４４が接続されている。アノードオフガスの一部は、燃料電池システム１からの不純物の排出等の必要に応じ、アノードオフガス循環通路１４３からアノードオフガス排出通路１４４に流入し、アノードオフガス排出通路１４４を介して燃料電池システム１の外部に排出される。

（制御システムの基本構成）
本実施形態において、燃料電池１０の運転は、コントロールユニット１０１により制御される。コントロールユニット１０１は、中央演算装置、記憶装置および入出力インターフェース等を備えた電子制御ユニットとして構成され、燃料電池１０の運転制御のため、燃料電池システム１に対する運転要求および燃料電池１０の実際の運転状態を検出する各種センサ１１１〜１１７等から信号を入力する。

アクセルセンサ１１１は、当該車両の運転者によるアクセルペダルの踏込量を示す信号を出力する。ＨＦＲ測定装置１１２は、燃料電池１０のセルを構成する電解質膜の湿潤度（ＨＦＲ測定値）を示す信号を出力する。スタック電流センサ１１３は、燃料電池１０が実際に生じさせている電流を示す信号を出力する。さらに、起動スイッチ１１４は、運転者のキー操作に応じて燃料電池システム１に対する起動および停止指令を示す信号を出力する。

タンク圧力センサ１１５は、高圧水素タンク１４１に設置され、高圧水素タンク１４１内部の圧力、換言すれば、高圧水素タンク１４１に貯蔵されている水素ガスの圧力を検出する。上流側圧力センサ１１６は、アノードガス供給通路１４２の第１燃料供給管１４２ａに設置され、エゼクタ１４５に供給される水素ガスの圧力を検出する。下流側圧力センサ１１７は、アノードガス供給通路１４２の第２燃料供給管１４２ｂに設置され、エゼクタ１４５から送出されたアノードガス、換言すれば、水素ガスとアノードオフガスとの混合ガスの圧力を検出する。

コントロールユニット１０１は、入力した各種信号をもとに燃料電池１０の運転制御に関する所定の演算を実行する。具体的には、燃料電池システム１に対する起動および停止指令を検出するとともに、燃料電池１０の目標発電電力を算出し、統合主止弁５に駆動信号を出力する。

（高圧流体制御弁の全体構成）
図２は、本実施形態に係る高圧流体制御弁である統合主止弁５の全体構成を示す断面図である。統合主止弁５は、開閉機能と調圧機能とを兼ね備えており、高圧水素タンク１４１のガス取出口に取り付けられる。図２を参照して、統合主止弁５の全体的な構成について説明する。

統合主止弁５は、大別すると、ハウジング５１と、弁体５２と、ソレノイド５３と、を備える。

ハウジング５１は、高圧側の第１ポートｐ１と、低圧側の第２ポートｐ２と、を有し、第１ポートｐ１は、高圧水素タンク１４１の内部に、第２ポートｐ２は、アノードガス供給通路１４２に、夫々流体接続される。高圧水素タンク１４１に貯蔵されている水素ガスは、第１ポートｐ１から統合主止弁５に導入され、ハウジング５１の内部で弁体５２の位置に応じた減圧ないし調圧作用を受けた後、第２ポートｐ２からアノードガス供給通路１４２に送出される。本実施形態において、高圧水素タンク１４１に貯蔵されている水素ガスの圧力は、数ＭＰａから数十ＭＰａ（例えば、１〜７０ＭＰａ）に設定され、調圧の結果、第２ポートｐ２では、数ｋＰａから１ＭＰａ程度（エゼクタ１４５がない場合は、例えば、０．００５〜０．２ＭＰａ）にまで減圧される。第１ポートｐ１における水素ガスの圧力を「一次圧」といい、第２ポートｐ２における圧力を「二次圧」という。

ハウジング５１の内部には、統合主止弁５の動作に関して異なる圧力を規定する空間として、水素ガスが流れる方向に対して上流側から順に、高圧室Ｃｈ、中間室Ｃｍおよび低圧室Ｃｌが形成されている。高圧室Ｃｈは、第１ポートｐ１と連通し、一次圧Ｐ１の水素ガスが導入される空間である。ここで、高圧室Ｃｈの圧力を、一次圧に等しい圧力Ｐ１とする。低圧室Ｃｌは、第２ポートｐ２と連通し、減圧後の二次圧Ｐ２の水素ガスを通過させる空間であり、低圧室Ｃｌの圧力を、二次圧に等しい圧力Ｐ３とする。中間室Ｃｍは、高圧室Ｃｈと低圧室Ｃｌとの間に介在する空間である。ハウジング５１の内部には、さらに、高圧室Ｃｈと中間室Ｃｍとの間に遮断シート部５１１が、中間室Ｃｍと低圧室Ｃｌとの間に調圧シート部５１２が、夫々形成されている。

弁体５２は、第１ポートｐ１から第２ポートｐ２へ向かう水素ガスの流れを規制するものであり、ハウジング５１の内部に、軸方向に往復移動可能に収容されている。本実施形態において、弁体５２は、軸方向に摺動するスプール状の弁体として具現され、図２に示す全閉時の状態で、高圧室Ｃｈと中間室Ｃｍとの連通を遮断するとともに、中間室Ｃｍと低圧室Ｃｌとの連通を遮断する。

弁体５２は、円筒状に形成された主軸部５２１と、主軸部５２１の一端から軸方向に延設された第１棒状部５２２と、主軸部５２１の他端から第１棒状部５２２とは逆方向に延設された第２棒状部５２３と、を有する。弁体５２は、さらに、主軸部５２１の中間部付近から径方向に延設された遮断部５２４と、主軸部５２１の基端部付近から径方向に延設された調圧部５２５と、を備える。

主軸部５２１は、一端側で高圧室Ｃｈから中間室Ｃｍにかけて延在するとともに、他端側でハウジング５１の弁体案内孔５１ａに延伸する長さに設定されている。第１棒状部５２２は、主軸部５２１の一端から先端側に延び、ハウジング５１の一方の側壁を貫通する長さに設定され、第２棒状部５２３は、主軸部５２１の他端から基端側に延び、ハウジング５１の他方の側壁を貫通する長さに設定されている。第１棒状部５２２および第２棒状部５２３がハウジング５１の内壁に設置された環状シール部材に対して摺動自在に支持されることで、弁体５２全体がハウジング５１に対して支持されている。さらに、弁体案内孔５１ａを形成するハウジング５１の内壁に環状シール部材５２６が設置されており、この環状シール部材５２６に対して主軸部５２１が摺動自在に支持されることで、ハウジング５１に対する追加の支持部が弁体５２に形成される。ここで、環状シール部材５２６とこれに摺接する主軸部５２１とにより、高圧室Ｃｈをハウジング５１の外部に対して密封する「摺動シール部」が形成される。

遮断部５２４は、弁体５２の中心軸に垂直な断面において円環状に形成されており、ハウジング５１に対して全閉時に遮断シート部５１１に当接する関係にある。調圧部５２５は、遮断部５２４よりも基端側に設けられ、弁体５２の中心軸に垂直な断面で遮断部５２４よりも幅の狭い円環状に形成されている。そして、調圧部５２５は、ハウジング５１に対して全閉時に調圧シート部５１２に当接する関係にある。遮断部５２４が遮断シート部５１１と当接することで、高圧室Ｃｈと中間室Ｃｍとの連通が遮断され、調圧部５２５が調圧シート部５１２と当接することで、中間室Ｃｍと低圧室Ｃｌとの連通が遮断される。

ソレノイド５３は、弁体５２を電磁的に駆動するものであり、ハウジング５１に対し、弁体５２の基端側に隣接して配置されている。

ソレノイド５３は、電磁コイル５３１と、電磁コイル５３１と内側で、同心に配置されたプランジャ５３２と、を備え、プランジャ５３２は、電磁コイル５３１が生じさせる電磁力を受けて直線的に移動する。電磁コイル５３１およびプランジャ５３２は、ソレノイドケース５３３に収容され、ソレノイドケース５３３は、ホルダ５３４を介してハウジング５１に固定されている。ソレノイド５３は、電磁コイル５３１への通電がオンされることで電磁力を生じ、プランジャ５３２を駆動する。プランジャ５３２の運動が第２棒状部５２３を介して弁体５２に伝達され、弁体５２を開方向に駆動する。そして、弁体５２の移動量、換言すれば、弁体５２の開方向位置に応じて遮断シート部５１１および調圧シート部５１２が開放される。

本実施形態では、ハウジング５１に対し、弁体５２の先端側に隣接して弁戻し機構５４が設けられている。弁戻し機構５４は、弁体５２をソレノイド５３とは反対側から弾性的に付勢するものであり、電磁コイル５３１への通電がオフされた場合に、弁体５２を閉方向に駆動し、全閉時の位置に復帰させる。

弁戻し機構５４は、スプリング５４１と、弁体５２の先端部に取り付けられたリテーナ５４２と、リテーナ５４２に対してスプリング５４１の反対側に設置されたホルダ５４３と、を備える。スプリング５４１は、リテーナ５４２およびホルダ５４３とともにスプリングケース５４４に収容され、スプリングケース５４４は、ハウジング５１に対して直に固定されている。スプリングケース５４４がハウジング５１に固定された状態で、スプリング５４１は、リテーナ５４２およびホルダ５４３の間で圧縮状態にある。さらに、弁体５２とリテーナ５４２とで挟み込むようにして円盤状のダイヤフラム５４５が設置されており、ダイヤフラム５４５は、ハウジング５１とスプリングケース５４３とによりその外周部が挟持されている。低圧室Ｃｌの圧力Ｐ３ないし二次圧が圧力帰還通路５１３を介して弁戻し機構５４の圧力室Ｃｐに導入され、この帰還圧がダイヤフラム５４５を介して弁体５２に作用することで、弁体５２に対する閉方向の駆動力が補助される。本実施形態では、弁体５２を全閉時の位置に復帰させる駆動力の発生源としてスプリング５４１を採用したが、スプリング５４１に代えてゴム等、他の弾性体を採用してもよく、弾性体ばかりでなく、永久磁石を採用することも可能である。

電磁コイル５３１に対する通電のオンおよびオフは、コントロールユニット１０１により制御される。

（高圧流体制御弁の要部構成）
図３は、統合主止弁５の要部構成を弁体５２の中心軸に平行な断面で示しており、図４は、統合主止弁５の全閉からの開弁動作を、図３と同じ断面により概略的に示している。図３および４を参照して、本実施形態で採用する遮断シート部５１１および調圧シート部５１２についてさらに説明する。

先に述べたように、本実施形態では、スプール状の１つの弁体５２に、開閉機能を実現するための遮断部５２４と、調圧機能を実現するための調圧部５２５と、を形成する一方、ハウジング５１に、遮断部５２４を受ける遮断シート部５１１と、調圧部５２５を受ける調圧シート部５１２と、を形成する。

遮断シート部５１１は、摺動シール部における弁体５２の外径、換言すれば、先に述べた摺動シール部を形成する主軸部５２１の直径（以下「摺動シール径」という）ｄ１よりも大きなシート径（以下「遮断シート径」という）ｄ３を有する。ここで、「遮断シート径」とは、弁体５２の遮断部５２４と遮断シート部５１１との当接部の直径をいい、弁体５２に対して一次圧Ｐ１が作用する受圧面を定める際の基準となる寸法である。よって、遮断部５２４と遮断シート部５１１とが線ではなく、実質的に面で接触する場合は、「遮断シート径」とは、接触面の外縁部の直径、換言すれば、最大径をいう。

遮断シート部５１１は、例えば、所定の遮断面圧を確保し得る硬質な樹脂材から形成することができ、本実施形態では、そのような樹脂材を円環状に成形し、これをハウジング５１の内壁に形成した凹状部に嵌合させ、固定ないし固着させることで設けられている。

調圧シート部５１２は、遮断シート径ｄ３よりも小さなシート径（以下「調圧シート径」という）ｄ２を有する。換言すれば、遮断シート径ｄ３は、調圧シート径ｄ２よりも大きな値に設定されている。本実施形態において、調圧シート部５１２は、ハウジング５１自体ではなく、ハウジング５１の付帯部品、具体的には、「可動体」である円筒状のスライド体５１５と、スライド体５１５とハウジング５１の内壁との間に圧縮状態で設置されたバネ体５１６と、により形成される。バネ体５１６は、「弾性体」を構成するものであり、所定の閉弁面圧を達成し得る弾性を呈するように設定されている。

スライド体５１５がバネ体５１６により開方向に付勢されて、その先端部が弁体５２の調圧部５１２に当接し、このスライド体５１５と調圧部５１２との当接部として調圧シート部５１２が形成されている。当接部におけるスライド体５１５の直径ｄ２を遮断シート径ｄ３よりも小さな値に設定することで、上記関係（ｄ３＞ｄ２）を規定する調圧シート径ｄ２を設定することが可能である。低圧室Ｃｌを画成するハウジング５１の内壁に凹状案内部を形成し、スライド体５１５の基端側に設けられた拡径部をこの凹状案内部に収容することで、スライド体５１５が弁体５２の開方向に移動自在な状態で低圧室Ｃｌに設置されている。スライド体５１５とハウジング５１の内壁との間には、全閉時の状態で所定の間隔ｇが形成されている。ここで、スライド体５１５は、バネ体５１６により弁体５２の開方向に付勢されているため、開弁動作時における弁体５２の移動に対し、この所定の間隔ｇに相当する距離だけ、弁体５２に追従して移動可能である。

さらに、本実施形態では、調圧シート径ｄ２が摺動シール径ｄ１と等しい値に設定されている。

図４の説明に移り、図４（Ａ）は、統合主止弁５の「全閉時」における状態を、図４（Ｂ）は、全閉からの開弁動作の過程において、遮断シート部５１１が開放されたものの、調圧シート部５１２が遮断されたままである「閉弁時」における状態を、図４（Ｃ）は、開弁動作がさらに進み、遮断シート部５１１および調圧シート部５１２の双方が開放された「開弁時」における状態を、夫々示している。

統合主止弁５は、ソレノイド５３に供給する電気エネルギ（以下「駆動エネルギ」という）を制御することで弁体５２を開方向および閉方向に移動させ、高圧室Ｃｈと中間室Ｃｍとの間の流路面積（以下「遮断シート部の開度」という）を制御するとともに、中間室Ｃｍと低圧室Ｃｌとの間の流路面積（以下「調圧シート部の開度」という）を制御する。弁体５２の開方向の駆動は、電磁コイル５３１の電磁力により、閉方向の駆動は、スプリング５４１の弾性に基づく復元力による。

図４（Ａ）に示す全閉時では、弁体５２の遮断部５２４が遮断シート部５１１に、調圧部５２５が調圧シート部５１２（スライド体５１５の先端部）に夫々当接することで、遮断シート部５１１および調圧シート部５１２が閉塞された状態にあり、これらの開度は、いずれも０（ゼロ）である。高圧室Ｃｈには、第１ポートｐ１を通じて高圧水素タンク１４１内部の圧力が導入され、高い圧力（一次圧）Ｐ１が作用する。これに対し、低圧室Ｃｌに作用する圧力（二次圧）Ｐ３は、第２ポートｐ２がアノードガス供給通路１４２に接続されていることで、一次圧に比べて極めて低い。中間室Ｃｍには、一次圧Ｐ１および二次圧Ｐ３の間の圧力Ｐ２が作用する。遮断シート部５１１には、全閉時に完全な流体遮断が求められるのに対し、調圧シート部５１２には、全閉時であっても安全性の観点から支障のない範囲で僅かな漏れが許容される。よって、システム１の前回停止時から充分な時間が経過している場合に、中間室Ｃｍの圧力Ｐ２は、停止直後の圧力から大幅に低下し、一次圧Ｐ１よりも寧ろ二次圧Ｐ３に近い状態にある。遮断シート径ｄ３が摺動シール径ｄ１よりも大きいことで、弁体５２には、一次圧Ｐ１に基づき、遮断シート径ｄ３と摺動シール径ｄ１との差分に応じた力が閉方向に作用する（以下、弁体５２に対して閉方向に作用する力を「閉弁力」といい、反対に、開方向に作用する力を「開弁力」という）。全閉状態にある弁体５２を開方向に移動させるには、一次圧Ｐ１に基づく閉弁力に打ち勝つだけの電磁力を電磁コイル５３１により生じさせる必要がある。

図４（Ｂ）に示す閉弁時では、弁体５２の遮断部５２４が遮断シート部５１１から離間し、遮断シート部５１１が開放される一方、調圧部５２５が調圧シート部５１２に当接したままであることで、調圧シート部５１２の開度は、依然として０である。遮断シート部５１１が開放されることで、高圧室Ｃｈから中間室Ｃｍへの流れ生じ、高圧室Ｃｈと中間室Ｃｍとで圧力Ｐ１、Ｐ２が均衡する（Ｐ１＝Ｐ２）。調圧シート径（スライド体５１５の外径）ｄ２が摺動シール径ｄ１と等しいことで、弁体５２に対する一次圧Ｐ１の影響が相殺される。閉弁時では、スライド体５１５の拡径部がハウジング５１の内壁に当接した状態にあり、弁体５２には、バネ体５１６の弾性力も働いておらず、弁体５２に作用する閉弁力は、実質的にスプリング５４１の弾性力のみである。よって、弁体５２を開方向にさらに移動させるには、この比較的小さな閉弁力に打ち勝つ程度の電磁力を生じさせればよい。

図４（Ｃ）に示す開弁時では、閉弁時の状態からさらに調圧部５２５が調圧シート部５１２から離間し、遮断シート部５１１および調圧シート部５１２の双方が開放される。これにより、中間室Ｃｍから低圧室Ｃｌに水素ガスが流入し、統合主止弁５の下流側に備わる部品（例えば、エゼクタ１４５）への水素ガスの供給が開始される。調圧シート部５１２の開度を調節することで、下流部品に供給される水素ガスの圧力を制御する。遮断シート部５１１の開放後、弁体５２に対する一次圧Ｐ１の影響が相殺されているため、比較的小さな駆動エネルギで弁体５２を移動させることが可能である。

図５は、全閉からの開弁動作時に遮断シート部５１１および調圧シート部５１２に作用する面圧の変化を示している。

本実施形態では、開弁動作時に、スライド体５１５が弁体５２の移動に対して間隔ｇに相当する所定の距離だけ追従するので、図５に示すように、弁体５２が移動を開始した後、遮断シート部５１１がまず開放され、その後、スライド体５１５の拡径部がハウジング５１の内壁に当接した時点で、調圧シート部５１２が開放される。弁体５２の遮断部５２４および調圧部５２５が遮断シート部５１１、調圧シート部５１２から離間する弁位置を、夫々「着座点」として示している。

遮断シート部５１１は、硬質の樹脂材から形成されており、全閉時には、一次圧Ｐ１に基づく閉弁力が弁体５２の遮断部５２４に作用して、所定の遮断面圧を上回る面圧をもって遮断部５２４と当接した状態にある。電磁コイル５３１に対する通電がオンされ、弁体５２に作用する開弁力が一次圧Ｐ１に基づく閉弁力を超えると、弁体５２が移動を開始し、これに伴い、遮断シート部５１１の面圧が急激に減少する。着座点以降、遮断シート部５１１の面圧は、０（ゼロ）となる。

調圧シート部５１２は、スライド体５１５およびバネ体５１６により構成され、バネ体５１６は、所定の閉弁面圧を達成し得る弾性を呈するように設定されている。よって、全閉時には、スライド体５１５は、バネ体５１６の弾性力により、所定の閉弁面圧を上回る面圧をもって弁体５２の調圧部５２５に押し付けられた状態にある。弁体５２に追従してスライド体５１５が移動するのに伴い、バネ体５１６の変位量が減少し、弾性力が減少するため、調圧シート部５１２の面圧も減少する。調圧シート部５１２の面圧の減少は、遮断シート部５１１よりも緩やかである。着座点以降、調圧シート部５１２の面圧も、遮断シート部５１１と同様に０となる。本実施形態では、弁体５２の調圧部５２５が調圧シート部５１２に着座した直後または離間する直前の面圧を閉弁面圧とする。

開弁からの閉弁動作時では、遮断シート部５１１および調圧シート部５１２の面圧は、開弁動作時とは逆の変化を示す。ただし、弁戻し機構５４のスプリング５４１によっては遮断シート部５１１の反発力に抗するだけの閉弁力を生じさせることができないので、遮断部５２４が遮断シート部５１１に着座した後の面圧の上昇は、高圧室Ｃｈと中間室Ｃｍとの差圧の増大に応じたものとなる。

図６は、全閉からの開弁動作時にソレノイド５３に供給する駆動エネルギの変化を示している。

本実施形態では、動作開始後の期間Ａ（時間ｔ０〜ｔ１）において、一次圧Ｐ１に基づく閉弁力に打ち勝つだけの大きな開弁力を生じさせるため、駆動エネルギを急減に増大させ、ソレノイド５３に対して大きな開弁エネルギＥ１を供給する。開弁エネルギＥ１の大きさは、一次圧Ｐ１、換言すれば、高圧水素タンク１４１内部の圧力に応じて変更する。具体的には、高圧水素タンク１４１の貯蔵量ないし残容量が多く、一次圧Ｐ１が高いときほど、開弁エネルギＥ１を増大させる。

弁体５２が移動を開始し、遮断部５２４と遮断シート部５１１との間に僅かな隙間が生じると、高圧室Ｃｈから中間室Ｃｍへの流れが生じ、中間室Ｃｍの圧力Ｐ２が上昇する。高圧室Ｃｈと中間室Ｃｍとの差圧が減少するのに従い、閉弁力が減少する。高圧室Ｃｈと中間室Ｃｍとで圧力が均衡した状態（Ｐ１＝Ｐ２）では、弁体５２に対する一次圧Ｐ１の影響が相殺され、弁体５２は、スプリング５４１の弾性力に打ち勝つ程度の比較的小さな開弁力で移動させることが可能である。よって、本実施形態では、弁体５２が移動を開始し、遮断部５２４が遮断シート部５１１から離間し始めたのに合わせて駆動エネルギを減少させ、開弁エネルギＥ１よりも大幅に低い調圧エネルギＥ２に切り換える（時間ｔ２）。

切換後、調圧エネルギＥ２を増大させたり（時間ｔ３、ｔ５）、減少させたりすることで（時間ｔ４、ｔ６）、燃料電池１０に対する水素ガスの供給流量を制御する。燃料電池システム１を停止する場合は、駆動エネルギを０として、電磁コイル５３１に対する通電を停止する（時間ｔ７）。

（作用効果の説明）
以上が統合主止弁５に関する説明であり、以下、本実施形態により得られる効果をまとめる。

第１に、開閉機能と調圧機能とを１つの制御弁（統合主止弁５）に統合することができる。

遮断シート部５１１のシート径（遮断シート径）ｄ３を摺動シール部における弁体５２の外径（摺動シール径）ｄ１よりも大きくしたことで、これらの差分に相当する面を一次圧の受圧面として機能させ、この受圧面に作用する圧力（一次圧）Ｐ１により、全閉時の遮断機能を確保することができる。

さらに、遮断シート径ｄ３を調圧シート部５１２のシート径（調圧シート径）ｄ２よりも大きく、換言すれば、調圧シート径ｄ２を遮断シート径ｄ３よりも小さくしたことで、遮断シート部５１１の開放後、弁体５２に対する一次圧Ｐ１の影響を低減し、比較的小さな開弁力（ソレノイド５３の電磁力）で弁体５２を駆動することが可能となる。これにより、調圧時における弁体５２の制御性を確保するとともに、電力の消費を抑制することができる。

そして、開閉機能と調圧機能との統合を通じて配管等のレイアウト性が向上するとともに、部品数および製造コストを削減することが可能となる。

第２に、調圧シート径ｄ２が摺動シール径ｄ１と等しいことで、遮断シート部５１１が開放されたものの、調圧シート部５１２が依然として閉塞されたままの状態にある閉弁時に（図４（Ｂ））、高圧室Ｃｈの圧力Ｐ１と中間室Ｃｍの圧力Ｐ２（＝Ｐ１）とが弁体５２に対して閉方向に作用させる力と、開方向に作用させる力と、が互いに均衡する。このように、遮断シート部５１１の開放後、一次圧Ｐ１の影響を相殺することが可能となり、調圧時における弁体５２の制御性をさらに高めることができる。

第３に、スライド体５１５とバネ体５１６とを用いた簡易な構造により、調圧シート部５１２を実現することができる。そして、開弁動作時にスライド体５１５が弁体５２の移動に追従する間、バネ体５１６により調圧シート部５１２を通じた過大な漏れを抑えるのに必要な面圧を維持することが可能であるとともに、弾性力の調整により、漏れの抑制に必要な面圧を容易に設定し、確保することができる。

（他の実施形態の説明）
図７は、本発明の第２実施形態に係る統合主止弁５の構成を、遮断シート部５１１を中心に示している。

先に示した第１実施形態では、遮断シート部５１１を、弁体５２の遮断部５２４に対して線で接触させた（例えば、図３）。線接触による場合は、閉弁動作時に、弁体５２の遮断部５２４が遮断シート部５１１に当接した後、短時間のうちに弁体５２を再度開弁させる際に必要となる駆動エネルギを小さく抑えることができる。中間室Ｃｍの圧力Ｐ２がＰ１からそれほど減少していないため、一次圧Ｐ１に基づく閉弁力と開弁力とが依然として近い状態にあるからである。しかし、遮断シート部５１１と遮断部５２４とは、径方向に幅を有する面で接触させてもよい。

本実施形態において、弁体５２の遮断部５２４は、中心軸ないし開方向に対して傾斜して形成され、遮断シート部５１１は、全閉時にこの傾斜面に対して面接触する。遮断シート部５１１は、第１実施形態と同様に、所定の遮断面圧を確保し得るほどの硬質な樹脂材からなり、図７（ａ）に示す全閉時の状態において、最大径ｄ３ｍａｘおよび最小径ｄ３ｍｉｎを有する。同図から明らかなように、最大径ｄ３ｍａｘは、弁体５２に対して一次圧Ｐ１が作用する受圧面を定める際の基準となる寸法であることから、遮断シート径ｄ３に相当し、摺動シール径ｄ１および調圧シート径ｄ２よりも大きな値に設定されている。これに対し、最小径ｄ３ｍｉｎは、摺動シール径ｄ１および調圧シート径ｄ２に等しい値に設定されている。

このように、遮断シート部５１１が弁体５２の遮断部５２４に対して面接触するとともに、接触面の最大径ｄ３ｍａｘ（換言すれば、遮断シート径ｄ３）が摺動シール径ｄ１よりも大きいことで、全閉直後から一次圧Ｐ１による遮断機能を発揮させることが可能となる。仮に線接触によるならば、全閉直後は、中間室Ｃｍの圧力Ｐ２が一次圧Ｐ１に等しく、一次圧Ｐ１に基づく閉弁力と開弁力とが互いに均衡した状態となる。中間室Ｃｍの圧力Ｐ２が時間の経過とともに低下し、高圧室Ｃｈと中間室Ｃｍとの差圧が拡大するのに従い、閉弁力が開弁力に対して相対的に増大し、所望の遮断面圧が形成され、遮断機能が発揮されることとなる。これに対し、面接触を採用し、最大径ｄ３ｍａｘを摺動シール径ｄ１よりも大きくした場合は、接触面の分だけ一次圧Ｐ１の受圧面が閉弁側で大きくなり、その分だけ、開弁力よりも大きな閉弁力を確保することができる。

そして、接触面の最小径ｄ３ｍｉｎが調圧シート径ｄ２と等しいことで、全閉時に中間室Ｃｍの圧力Ｐ２の影響を相殺することができる。

図８は、本発明の第３実施形態に係る統合主止弁５の遮断シート部５１１の構成を示している。

本実施形態では、第２実施形態と同様に、遮断シート部５１１と弁体５２の遮断部５２４とを面接触させることに加え、遮断シート部５１１を所定の長さｌだけ開方向に突出させている。これにより、遮断シート部５１１は、所定の長さｌに亘って接触面と等しい開方向の投影面積を有し、最大径ｄ３ｍａｘがこの長さｌの範囲で一定となる。このようにすれば、遮断シート部５１１を形成する材料の摩耗に対し、最大径ｄ３ｍａｘの変化を抑制し、一次圧Ｐ１に基づく閉弁力を安定して生じさせることができる。

図９は、本発明の第４実施形態に係る統合主止弁５の構成を、調圧シート部５１２を中心に示している。

第１実施形態では、調圧シート部５１２を、ハウジング５１自体ではなく、ハウジング５１の付帯部品であるスライド体５１５およびバネ体５１６により構成した。しかし、調圧シート部５１２は、ハウジング５１自体により、換言すれば、ハウジング５１の一部として構成することも可能である。

本実施形態において、調圧シート部５１２は、例えば、所定の閉弁面圧を確保し得るだけの弾性を呈する樹脂材から形成され、遮断シート部５１１と同様に、そのような樹脂材を円環状に成形し、これをハウジング５１の内壁に形成した凹状部に固定ないし固着させることで設けられている。

調圧シート部５１２は、図９（ａ）に示す全閉時の状態で圧縮変形されており、弁体５２の調圧部５２５に面接触する。この接触面は、径方向に一定の幅を有し、外縁部により定められる最大径ｄ２ｍａｘが遮断シート径ｄ３と等しく、内縁部により定められる最小径ｄ２ｍｉｎが摺動シール径ｄ１と等しい。よって、本実施形態でも、遮断シート径ｄ３は、摺動シール径ｄ１よりも大きな値を有する。全閉からの開弁動作時に、調圧シート部５１２は、弁体５２の移動に伴って徐々に形状を復元し、調圧部５２５が調圧シート部５１２から離間する直前に（図９（ｂ））、調圧部５２５は、調圧シート部５１２に対してその内縁部で当接した状態にある。

このような構成によれば、遮断シート径ｄ３が摺動シール径ｄ１よりも大きいことで、これらの差分に相当する面を一次圧の受圧面として一次圧Ｐ１を閉方向に作用させ、全閉時の遮断機能を確保することができる。

さらに、調圧シート部５１２の最小径ｄ２ｍｉｎが遮断シート径ｄ３よりも小さいことで、遮断シート部５１１の開放後、弁体５２に対する一次圧Ｐ１の影響を低減し、調圧時における弁体５２の制御性を確保するとともに、電力の消費を抑制することができる。最小径ｄ２ｍｉｎが摺動シール径ｄ１と等しいことで、一次圧Ｐ１に基づく閉弁力と開弁力とが均衡し、より小さな電磁力で弁体５２を移動させることが可能となるので、弁体５２の制御性をさらに高めることができる。

このように、スライド体５１５等の付帯部品によらず、ハウジング５１自体によっても調圧シート部５１２を実現することが可能であり、開閉機能と調圧機能との統合を通じて配管等のレイアウト性を向上させ、部品数および製造コストを削減することができる。

以上の説明では、本発明を燃料電池自動車に適用した場合を例に説明したが、本発明は、これに限らず、天然ガス自動車に対し、調圧弁の機能を兼ね備えた統合主止弁として適用することも可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内において、様々な変更および修正が可能であることはいうまでもない。

１…燃料電池システム
５…統合主止弁（高圧流体制御弁）
５１…ハウジング
５１ａ…弁体案内孔
５１１…遮断シート部
５１２…調圧シート部
Ｃｈ…高圧室
Ｃｍ…中間室
Ｃｌ…低圧室
５２…弁体
５２１…主軸部
５２４…遮断部
５２５…調圧部
５２６…環状シール部材
５３…ソレノイド
５３１…電磁コイル
５３２…プランジャ
５４…弁戻し機構
ｐ１…第１ポート
ｐ２…第２ポート
１２…カソードガス給排機構
１２１…カソードガス供給通路
１２２…カソードオフガス排出通路
１４…アノードガス給排機構
１４１…高圧水素タンク（燃料タンク）
１４２…アノードガス供給通路
１４３…アノードオフガス循環通路
１０１…コントロールユニット

Claims (6)

1. 高圧側の第１ポートと、低圧側の第２ポートと、を有し、
   前記第１ポートを通じて導入した高圧流体を減圧して、前記第２ポートから送出する高圧流体制御弁であって、
   ハウジングと、前記ハウジングに収容され、前記第１ポートから前記第２ポートへ向かう前記高圧流体の流れを制御する弁体と、前記弁体を駆動するソレノイドと、を備え、
   前記ハウジングは、前記第１ポートと連通する高圧室と、前記第２ポートと連通する低圧室と、前記高圧室および前記低圧室の間の中間室と、が形成されるとともに、
   前記高圧室と前記中間室との間に形成された遮断シート部と、前記中間室と前記低圧室との間に形成された調圧シート部と、を有し、
   前記弁体は、前記高圧室から前記中間室にかけて延在する一方、前記ハウジングの弁体案内孔に摺動可能に挿入されて、前記高圧室を外部に対して密封するための摺動シール部を形成し、さらに、全閉時に前記遮断シート部と当接し、前記高圧室と前記中間室との連通を遮断する遮断部と、全閉時に前記調圧シート部と当接し、前記中間室と前記低圧室との連通を遮断する調圧部と、を有し、
   前記調圧シート部は、全閉からの開弁動作時に前記弁体の移動に対して所定の距離だけ追従して変位または変形可能であり、
   前記遮断シート部は、そのシート径である遮断シート径が、前記調圧シート部のシート径である調圧シート径よりも大きく、前記摺動シール部における前記弁体の外径よりも大きい、
   高圧流体制御弁。
2. 前記調圧シート径は、前記摺動シール部における前記弁体の外径と等しい、請求項１に記載の高圧流体制御弁。
3. 全閉時に前記弁体の調圧部に当接するとともに、前記ハウジングに対して前記所定の距離に相当する隙間が形成されるように、前記低圧室に配置された可動体と、前記可動体を前記弁体の開方向に付勢する弾性体と、をさらに備え、
   前記調圧シート部は、前記可動体の前記調圧部に対する当接部として形成される、請求項１または２に記載の高圧流体制御弁。
4. 前記弁体の遮断部は、開方向に対して傾斜して形成され、
   前記遮断シート部は、前記遮断部に対して全閉時に面接触し、
   前記遮断シート部の接触面は、最大径が前記摺動シール部における前記弁体の外径よりも大きく、最小径が前記調圧シート径に等しい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の高圧流体制御弁。
5. 前記遮断シート部は、開方向への投影面積が一定になるように開方向に突出する突出部を有する、請求項４に記載の高圧流体制御弁。
6. 燃料と酸化剤との供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料を貯蔵する燃料タンクと、
   前記燃料タンクと前記燃料電池との間に介装され、前記第１ポートを通じて前記燃料を導入し、減圧後の燃料を前記第２ポートから送出する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の高圧流体制御弁と、
   前記高圧流体制御弁の前記第２ポートと前記燃料電池のアノード極とを接続する燃料供給管と、
   前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態センサと、
   前記運転状態センサの出力信号を入力し、前記ソレノイドに対する駆動信号を出力する
   コントローラと、
   を備える、燃料電池システム。

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