JP7115857B2 - 高圧ガス供給システム - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガス供給システムに関する。

高圧ガス供給システムには、高圧ガスを貯蔵するタンクと、タンクから供給される高圧ガスを送る供給流路と、供給流路に設けられてソレノイドによるプランジャの吸引に応じて供給流路の開閉を切り替える電磁弁と、を備えたものがある。ソレノイドは供給される電流の大きさに応じてプランジャを吸引する。電磁弁が開弁する際には、プランジャがソレノイドに吸引されて電磁弁の内部に衝突することにより音が発生することがある。

特開２００８－７１６６９号公報

特許文献１の燃料電池システムは、上述の高圧ガス供給システムを含んだものである。このような燃料電池システムでは、電磁弁の開弁を常に保証しようとした場合、以下のような態様が考えられる。すなわち、電磁弁を挟んだ一方の側と他方の側との差圧が想定される比較的大きな値である場合、例えば、タンクに高圧ガスが充填されてから電磁弁が未だ開弁されていないような場合であっても、電磁弁の開弁が常に保証されるよう、高圧ガスの供給が実行されるたびに、かかる差圧に抗して開弁可能な比較的大きな電流をソレノイドに供給させる態様が考えられる。よって、このような燃料電池システムでは、タンクに高圧ガスが充填されてから２回目以降の開弁において差圧が比較的小さな値であるにもかかわらず、該電流がソレノイドに供給される。しかし、プランジャが電磁弁の内部に衝突する音は供給される電流の大きさに伴って大きくなることから、タンクに高圧ガスが充填されてから初回の開弁時と同様の大きさの衝突音が、２回目以降の開弁時にも発生するという問題が生じる。このような問題を解決するために、高圧ガス供給システムにおいて、電磁弁の開弁を保証しつつ、タンクに高圧ガスが充填されてから２回目以降の電磁弁の開弁時に発生する衝突音を抑制できる技術が望まれている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］高圧ガスを供給する高圧ガス供給システムであって、前記高圧ガスを貯蔵するタンクと、前記タンクから供給される前記高圧ガスを送る供給流路と、前記供給流路に設けられ、ソレノイドによるプランジャの吸引に応じて前記供給流路の開閉を切り替える電磁弁と、前記ソレノイドに供給する電流を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記高圧ガスの供給を実行するとき、前記電磁弁を挟んだ一方の側と他方の側との差圧について予め設定された第１差圧に抗して前記電磁弁を開弁させる第１電流を前記ソレノイドに設定時間供給させたのち、前記第１差圧より大きい第２差圧に抗して前記電磁弁を開弁させる第２電流を前記ソレノイドに供給させ、前記設定時間は、前記第１電流が前記電磁弁に供給されてから前記電磁弁が開弁するまでに要する時間以上の長さの時間であり、前記第１差圧は、前記タンクに前記高圧ガスが充填されてから、２回目以降の前記電磁弁の開弁時に想定される前記差圧の最大値に基づき決定され、前記第２差圧は、前記タンクに前記高圧ガスが充填されてから、前記電磁弁が未だ開弁されていない状況において想定される前記差圧の最大値に基づき決定されている、高圧ガス供給システム。

（１）本発明の一形態によれば、高圧ガス供給システムが提供される。この高圧ガス供給システムは、高圧ガスを供給する高圧ガス供給システムであって、前記高圧ガスを貯蔵するタンクと、前記タンクから供給される前記高圧ガスを送る供給流路と、前記供給流路に設けられ、ソレノイドによるプランジャの吸引に応じて前記供給流路の開閉を切り替える電磁弁と、前記ソレノイドに供給する電流を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記高圧ガスの供給を実行するとき、前記電磁弁を挟んだ一方の側と他方の側との差圧について予め設定された第１差圧に抗して前記電磁弁を開弁させる第１電流を前記ソレノイドに設定時間供給させたのち、前記第１差圧より大きい第２差圧に抗して前記電磁弁を開弁させる第２電流を前記ソレノイドに供給させる。このような形態とすれば、タンクに高圧ガスが充填されてから２回目以降に電磁弁が開弁する際、第１電流を設定時間供給することによって電磁弁が開弁できる場合には、かかる第１電流の供給を行わずに常に第２電流のみを供給して電磁弁を開弁させる構成と比べて、電磁弁の開弁時に発生する衝突音を抑制できる。また、第１電流の供給によって電磁弁が開弁できない場合には、第２電流を供給することによって電磁弁を開弁させるため、電磁弁の開弁を保証することができる。よって、上記形態によれば、電磁弁の開弁を保証しつつ、タンクに高圧ガスが充填されてから２回目以降の電磁弁の開弁時に発生する衝突音を抑制できる。

本発明は、高圧ガス供給システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、高圧ガス供給システムを含む燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体などの形態で実現することができる。

第１実施形態の高圧ガス供給システムの構成を示した説明図である。 電磁弁の詳細構成を示す説明図である。 制御部が実行する開弁処理を示すフローである。 ソレノイドに供給される電流の変動を示した説明図である。 ソレノイドに供給される電流の変動を示した説明図である。 ソレノイドに供給される電流の変動を示した説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．装置構成：
図１は、本発明の第１実施形態の高圧ガス供給システム１０の構成を示した説明図である。高圧ガス供給システム１０は、高圧ガスである水素ガスを燃料電池スタック２００に供給する。高圧ガス供給システム１０は、レセプタクル１００と、充填流路１１０と、逆止弁１２０と、タンク１３０と、供給流路１４０と、電磁弁１５０と、減圧弁１６０と、インジェクタ１７０と、燃料電池スタック２００と、制御部３００と、を備える。

レセプタクル１００は、水素ガスの充填口である。レセプタクル１００には、燃料ガスの充填時に、水素ステーションの水素供給装置から延びるノズルが装着される。

充填流路１１０は、レセプタクル１００から充填される水素ガスをタンク１３０に向けて送る。逆止弁１２０は、充填流路１１０に設けられている。逆止弁１２０は、タンク１３０に充填された水素ガスがレセプタクル１００の側へ逆流することを防止する。タンク１３０は、燃料電池スタック２００の発電に用いられる水素ガスを貯蔵する。

供給流路１４０は、タンク１３０から燃料電池スタック２００までを接続し、タンク１３０から供給される水素ガスを燃料電池スタック２００に送る。供給流路１４０ａは、供給流路１４０のうち後述する電磁弁１５０からタンク１３０の側を示す。供給流路１４０ｂは、供給流路１４０のうち電磁弁１５０から燃料電池スタック２００の側を示す。

電磁弁１５０は、供給流路１４０に設けられている。図２は、電磁弁１５０の詳細構成を示す説明図である。電磁弁１５０は、コア１５２と、ソレノイド１５４と、スプリング１５６と、プランジャ１５８と、を備える。図２に示された電磁弁１５０は、ソレノイド１５４によるプランジャ１５８の吸引に応じて供給流路１４０の開閉を切り替える。

ソレノイド１５４に電力が供給されていない場合、プランジャ１５８は、コア１５２から離れる方向に向かって、スプリング１５６から付勢されている状態である。また、プランジャ１５８は、スプリング１５６に加えて、供給流路１４０ａと供給流路１４０ｂとの差圧によっても、コア１５２から離れる方向に向かって付勢されている。

ソレノイド１５４に電力が供給される場合、プランジャ１５８は、ソレノイド１５４に吸引されて、コア１５２に近づく方向に向かって移動しようとする。このとき、ソレノイド１５４による吸引力が、上述のスプリング１５６および差圧による付勢力を上回った場合には、プランジャ１５８は、コア１５２に向けて移動することによって、電磁弁１５０が開弁される。そして、プランジャ１５８がコア１５２と接触する位置まで移動したとき、プランジャ１５８とコア１５２とが衝突して音が発生する。供給される電流の大きさが大きいほどソレノイド１５４による吸引力は上昇することから、プランジャ１５８がコア１５２に衝突する音は、供給される電流の大きさが大きいほど大きくなる。

図１に示す減圧弁１６０は、供給流路１４０のうち電磁弁１５０から燃料電池スタック２００の側に設けられている。減圧弁１６０は、タンク１３０から供給された水素ガスの圧力を所定の圧力に減圧して下流に供給する。

インジェクタ１７０は、供給流路１４０のうち減圧弁１６０から燃料電池スタック２００の側に設けられている。インジェクタ１７０は、燃料電池スタック２００への水素ガスの供給量を調整する。

燃料電池スタック２００は、単セルを複数積層させたスタック構造を有している。各単セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノードおよびカソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。燃料電池スタック２００は、水素ガスおよび空気の供給を受けて、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。

制御部３００は、高圧ガス供給システム１０の各部の動作を制御する。制御部３００は、ソレノイド１５４に供給する電流を制御する。

Ａ２．開弁処理：
図３は、制御部３００が実行する開弁処理を示すフローである。開弁処理は、燃料電池スタック２００による発電が開始されるときに実行される処理である。

図３に示すように、開弁処理が開始されると、制御部３００は、第１差圧に抗して電磁弁１５０を開弁させる第１電流をソレノイド１５４に第１設定時間供給する（ステップＳ１１０）。ここでいう第１差圧とは、電磁弁１５０を挟んだ一方の側である供給流路１４０ａと他方の側である供給流路１４０ｂとの差圧について予め設定された差圧のことである。本実施形態では、第１差圧は、１０ＭＰａである。この第１差圧の値は、タンク１３０に水素ガスが充填されてから２回目以降の開弁時に、供給流路１４０ａと供給流路１４０ｂとの間の差圧において想定される最大値に基づいて決定される。したがって、第１電力は、１０ＭＰａの差圧に抗して電磁弁１５０を開弁させることができる電力である。また、第１設定時間とは、電磁弁１５０に第１電流が供給されてから開弁するまでに要する時間以上の長さの時間のことである。第１差圧および第１設定時間は、予め実験等により特定しておいてもよい。

制御部３００は、第２差圧に抗して電磁弁１５０を開弁させる第２電流をソレノイド１５４に第２設定時間供給する（ステップＳ１２０）。第２差圧は、第１差圧より大きい差圧である。本実施形態では、第２差圧は、７０ＭＰａである。したがって、第２電流は、７０ＭＰａの差圧に抗して電磁弁１５０を開弁させることができる電力である。７０ＭＰａという値は、タンク１３０に水素ガスが充填されてから電磁弁１５０が未だ開弁されていない状況において想定される差圧の最大値である。また、第２設定時間とは、電磁弁１５０に第２電流が供給されてから開弁するまでに要する時間以上の長さの時間のことである。第２差圧および第２設定時間は、予め実験等により特定しておいてもよい。

供給流路１４０ａと供給流路１４０ｂとの差圧が第１差圧以下である場合、ステップＳ１１０において、第１電流がソレノイド１５４に供給されることによって、電磁弁１５０は開弁される。このとき、電磁弁１５０の開弁時に発生する衝突音は、第２電流がソレノイド１５４に供給されることによって電磁弁１５０が開弁するときの衝突音と比べて小さい。

供給流路１４０ａにおける圧力と供給流路１４０ｂにおける圧力との差圧が第１差圧より大きく第２差圧以下である場合、ステップＳ１２０において、第２電流がソレノイド１５４に供給されることによって、電磁弁１５０は開弁される。

制御部３００は、第１電流より小さい第３電流をソレノイド１５４に供給する（ステップＳ１３０）。第３電流は、電磁弁１５０が開弁した状態を維持するために供給される電流である。第３電流は、第１電流および第２電流より小さい。その後、制御部３００は、開弁処理を終了する。

図４は、第１実施形態の開弁処理においてソレノイド１５４に供給される電流の変動を示した説明図である。図４においては、横軸に時間を表し、縦軸に電流値を表す。

タイミングｔ０において、開弁処理が開始されると、図３で説明した開弁処理のステップＳ１１０が実行されることにより、ソレノイド１５４への第１電流の供給が開始される。縦軸におけるＸ２は、第１電流を示す。タイミングｔ１において、供給される電流値が第１電流の値に到達すると、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間、第１電流の供給が継続される。タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間の時間は、第１設定時間にあたる。

タイミングｔ２において、図３で説明した開弁処理のステップＳ１２０が実行されることにより、ソレノイド１５４への第２電流の供給が開始される。縦軸におけるＸ１は、第２電流を示す。タイミングｔ３において、供給される電流値が第２電流の値に到達すると、タイミングｔ３からタイミングｔ４までの間、第２電流の供給が継続される。タイミングｔ３からタイミングｔ４までの間の時間は、第２設定時間にあたる。

タイミングｔ４において、図３で説明した開弁処理のステップＳ１３０が実行されることにより、ソレノイド１５４への第３電流の供給が開始される。縦軸におけるＸ３は、第３電流を示す。タイミングｔ３において、供給される電流値が第３電流の値に到達すると、タイミングｔ５以降、第３電流の供給が継続される。

Ｂ．比較例：
図５は、比較例の高圧ガス供給システムの開弁処理において、ソレノイド１５４に供給される電流の変動を示した説明図である。図５における横軸および縦軸は、図４における横軸および縦軸と同様である。比較例の高圧ガス供給システムでは、開弁処理の処理内容が第１実施形態と異なる。比較例の開弁処理は、第１実施形態の開弁処理（ステップＳ１１０～ステップＳ１３０）に対して、ステップＳ１１０を省いたものである。

タイミングｔ０において、開弁処理が開始されると、比較例における開弁処理のステップＳ１２０が実行されることにより、ソレノイド１５４への第２電流の供給が開始される。縦軸におけるＸ１は、第２電流を示す。タイミングｔ１において、供給される電流値が第２電流の値に到達すると、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間、第２電流の供給が継続される。タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間、第２電流の供給が継続されることにより、比較例の高圧ガス供給システムにおける電磁弁１５０は開弁される。

タイミングｔ２において、比較例における開弁処理のステップＳ１３０が実行されることにより、ソレノイド１５４への第３電流の供給が開始される。縦軸におけるＸ３は、第３電流を示す。タイミングｔ３において、供給される電流値が第３電流の値に到達すると、タイミングｔ３以降、第３電流の供給が継続される。

以上説明した比較例では、開弁処理が行われるたびに、第２電流の供給によって電磁弁１５０を開弁させる。したがって、このような高圧ガス供給システムでは、タンク１３０に水素ガスが充填されてから２回目以降の開弁においても、第２電流の供給によって電磁弁１５０を開弁させる。よって、タンク１３０に水素ガスが充填されてから初回の開弁時と同様の大きさの衝突音が、２回目以降の開弁時にも発生する可能性が高い。

これに対して、第１実施形態の高圧ガス供給システム１０は、開弁処理において、電磁弁１５０に対して、第１電流を第１設定時間供給してから、第２電流を第２設定時間供給する。したがって、第１電流の供給によって電磁弁１５０を開弁させることができる場合には、第２電流を供給して電磁弁１５０を開弁させるときの衝突音に比べて、小さい衝突音しか発生しないことから、電磁弁１５０の開弁時に発生する衝突音を抑制できる。

以上説明した実施形態によれば、タンク１３０に水素ガスが充填されてから２回目以降に電磁弁１５０が開弁する際、第１電流を設定時間供給することによって電磁弁が開弁できる場合には、かかる第１電流の供給を行わずに常に第２電流のみを供給して電磁弁を開弁させる構成と比べて、電磁弁１５０の開弁時に発生する衝突音を抑制できる。また、第１電流の供給によって電磁弁１５０が開弁できない場合には、第２電流を供給することによって電磁弁１５０を開弁させるため、電磁弁１５０の開弁を保証することができる。よって、第１実施形態によれば、電磁弁１５０の開弁を保証しつつ、タンク１３０に水素ガスが充填されてから２回目以降の電磁弁１５０の開弁時に発生する衝突音を抑制できる。

Ｃ．第２実施形態：
図６は、第２実施形態の高圧ガス供給システムの開弁処理においてソレノイド１５４に供給される電流の変動を示した説明図である。図６においては、横軸に時間を表し、左側の縦軸に電流値を表す。図６の右側の縦軸には、対応した電流値によって開弁させることができる差圧を示す。第２実施形態の高圧ガス供給システムの構成は、第１実施形態の高圧ガス供給システム１０の装置構成と同じである。第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。第２実施形態の高圧ガス供給システムでは、制御部３００が実行する開弁処理の処理内容が異なる。

第１実施形態の制御部３００が実行する開弁処理では、第１電流および第２電流という２種類の電流をソレノイド１５４に供給してから第３電流をソレノイド１５４に供給するのに対して、第２実施形態の制御部３００が実行する開弁処理では、第１電流および第２電流を含んだ複数の互いに大きさの異なる電流をソレノイド１５４に供給してから第３電流をソレノイド１５４に供給する。図６に示すように、具体的には、第２実施形態の高圧ガス供給システムでは、９種類の電流をソレノイド１５４に供給してから第３電流をソレノイド１５４に供給する。９種類の電流は、それぞれの電流が電磁弁１５０に供給されてから開弁するまでに要する時間以上の長さの時間だけ、継続して電磁弁１５０に供給される。

縦軸におけるＸ２は、第１電流を示すとともに、縦軸におけるＰ２は、第１差圧を示す。縦軸におけるＸ１は、第２電流を示すとともに、縦軸におけるＰ１は、第２差圧を示す。第１差圧Ｐ２の値は、タンク１３０に水素ガスが充填されてから２回目以降の開弁時に、供給流路１４０ａと供給流路１４０ｂとの間の差圧において想定される最大値に基づいて決定されるが、第２実施形態の高圧ガス供給システムでは、２回目以降の開弁時に供給流路１４０ａと供給流路１４０ｂとの間の差圧が第１差圧Ｐ２より高くなる場合、もしくは、２回目以降の開弁時に第１差圧Ｐ２より低くなる場合といった想定される差圧とは異なる差圧の状況に対しても対応できるよう設計された開弁処理が実行される。

例えば、２回目以降の開弁時に、供給流路１４０ａと供給流路１４０ｂとの間の差圧が第１差圧Ｐ２より高い差圧Ｐ２ａ（図６に図示）になっていたとしても、第２実施形態の高圧ガス供給システムでは、差圧Ｐ２ａに抗して電磁弁１５０を開弁させる電流Ｘ２ａ（図６に図示）がソレノイド１５４に供給されるため、電磁弁１５０を開弁させることができる。第２実施形態の高圧ガス供給システムでは、多くの種類の電流が多段階的にソレノイド１５４に供給されるため、多くの種類の差圧に抗して電磁弁１５０を開弁させる機会が設けられることから、タンク１３０に高圧ガスが充填されてから２回目以降の電磁弁１５０の開弁時に発生する衝突音を一層抑制できる。

また、タンク１３０に水素ガスが充填されてから初回の開弁時に、供給流路１４０ａと供給流路１４０ｂとの間の差圧が第２差圧Ｐ１より高い差圧Ｐ１ａ（図６に図示）になっていたとしても、第２実施形態の高圧ガス供給システムでは、差圧Ｐ１ａに抗して電磁弁１５０を開弁させる電流Ｘ１ａ（図６に図示）がソレノイド１５４に供給されるため、電磁弁１５０を開弁させることができる。

Ｄ．他の実施形態：
上述した第１実施形態では、図２で示す電磁弁１５０を備えていたが、本発明はこれに限られない。例えば、電磁弁１５０は、ソレノイド１５４によるプランジャ１５８の吸引に応じて供給流路１４０の開閉を切り替える弁である限り、任意の型の電磁弁であってもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…高圧ガス供給システム
１００…レセプタクル
１１０…充填流路
１２０…逆止弁
１３０…タンク
１４０…供給流路
１４０ａ…供給流路
１４０ｂ…供給流路
１５０…電磁弁
１５２…コア
１５４…ソレノイド
１５６…スプリング
１５８…プランジャ
１６０…減圧弁
１７０…インジェクタ
２００…燃料電池スタック
３００…制御部

Claims (1)

1. 高圧ガスを供給する高圧ガス供給システムであって、
   前記高圧ガスを貯蔵するタンクと、
   前記タンクから供給される前記高圧ガスを送る供給流路と、
   前記供給流路に設けられ、ソレノイドによるプランジャの吸引に応じて前記供給流路の開閉を切り替える電磁弁と、
   前記ソレノイドに供給する電流を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記高圧ガスの供給を実行するとき、前記電磁弁を挟んだ一方の側と他方の側との差圧について予め設定された第１差圧に抗して前記電磁弁を開弁させる第１電流を前記ソレノイドに設定時間供給させたのち、前記第１差圧より大きい第２差圧に抗して前記電磁弁を開弁させる第２電流を前記ソレノイドに供給させ、
   前記設定時間は、前記第１電流が前記電磁弁に供給されてから前記電磁弁が開弁するまでに要する時間以上の長さの時間であり、
   前記第１差圧は、前記タンクに前記高圧ガスが充填されてから、２回目以降の前記電磁弁の開弁時に想定される前記差圧の最大値に基づき決定され、
   前記第２差圧は、前記タンクに前記高圧ガスが充填されてから、前記電磁弁が未だ開弁されていない状況において想定される前記差圧の最大値に基づき決定されている、高圧ガス供給システム。

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