(57)【要約】【課題】コストアップを抑制しつつも、高圧流路と低圧流路の間の流体の調圧機能を実現できる流体制御弁及び流体弁制御装置を提供すること。【解決手段】高圧流路側に設けられた電磁弁と、低圧流路側に設けられる機械式弁と、を有する流体制御弁であって、機械式弁は、電磁弁の弁体が通過可能な弁体通過穴及び低圧流路に連通する低圧流体流出穴が形成されたハウジングと、低圧流体流出穴を開閉する弁体と、ハウジングに設けられるとともに低圧流体流出穴を開放する方向に前記機械式弁の弁体を付勢する付勢体と、を備え、機械式弁の弁体は、高圧流路と低圧流体流出穴を連通させるように貫通形成された弁体流路を有する。そして、電磁弁の弁体が、弁体流路を開閉するように構成された流体制御弁。【選択図】図１
2018132072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧流路と低圧流路の間に配置される流体制御弁であって、
高圧流路側に設けられた電磁弁と、低圧流路側に設けられる機械式弁と、を有し、
前記電磁弁は、弁体と、弁体を駆動する弁体駆動機構と、を備え、
前記機械式弁は、前記電磁弁の弁体が通過可能な弁体通過穴及び前記低圧流路に連通する低圧流体流出穴が形成されたハウジングと、前記低圧流体流出穴を開閉する弁体と、前記ハウジングに設けられるとともに前記低圧流体流出穴を開放する方向に前記機械式弁の弁体を付勢する付勢体と、を備え、
前記機械式弁の弁体は、前記高圧流路と前記低圧流体流出穴を連通させるように貫通形成された弁体流路を有し、
前記電磁弁の弁体は、前記弁体流路を開閉するように構成された、
流体制御弁。
【請求項２】
請求項１に記載の流体制御弁であって、
前記弁体流路の流路面積は、前記低圧流体流出穴の流路面積よりも小さく構成される、
流体制御弁。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の流体制御弁であって、
前記付勢体の付勢力は、
前記高圧流路と前記低圧流路との差圧が相対的に大きい場合には、前記差圧に起因する前記機械式弁の弁体の閉塞力よりも小さく、
前記差圧が相対的に小さい場合には、前記差圧に起因する前記機械式弁の弁体の閉塞力よりも大きくなるように調節されている、
流体制御弁。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の流体制御弁を制御する流体弁制御装置であって、
前記高圧流路の圧力に基づいて前記弁体駆動機構を制御することで、前記電磁弁の弁体の移動速度を調節する、
流体弁制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の流体弁制御装置であって、
前記高圧流路の圧力が所定の圧力閾値未満である場合に、前記電磁弁の弁体の移動速度を、該移動速度が前記機械式弁の弁体の応答速度以下となるように調節する、
流体弁制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の流体制御弁を制御する流体弁制御装置であって、
前記高圧流路の圧力が所定の圧力閾値以上である場合に、該高圧流路の圧力が大きいほど前記電磁弁の弁体の移動速度を速くする、
流体弁制御装置。
【請求項７】
請求項４〜６の何れか１項に記載の流体弁制御装置であって、
前記低圧流路の圧力が所定の下限圧力に達したら前記電磁弁の弁体を開放し、所定の上限圧力に達したら前記電磁弁の弁体を閉塞する、
流体弁制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載の流体弁制御装置であって、
前記低圧流路の圧力は、該低圧流路に設けられる所定容積を有する調圧領域の圧力である、
流体弁制御装置。
【請求項９】
高圧流路と低圧流路の間に配置される流体制御弁であって、
高圧流路側に設けられる電磁弁と、低圧流路側に設けられる機械式弁と、を有し、
前記機械式弁の弁体には、前記高圧流路と前記低圧流路を連通させるように弁体流路が貫通形成され、
前記電磁弁の弁体は、前記弁体流路を開閉可能であり、
前記高圧流路と前記低圧流路との差圧が相対的に大きい場合には、前記電磁弁の弁体を駆動させることで前記電磁弁の弁体が前記弁体流路を開閉し、
前記差圧が相対的に小さい場合には、前記電磁弁の弁体を駆動させることで前記機械式弁の弁体が該駆動に追従して前記高圧流路と前記低圧流路の間の流路を開閉するように構成された、
流体制御弁。
【請求項１０】
請求項９に記載の流体制御弁であって、
前記差圧が相対的に大きい場合には、前記差圧によって前記機械式弁の弁体の開放方向への移動が制限され、
前記差圧が相対的に小さい場合には、前記機械式弁の弁体の開放方向への移動の制限が解除される、
流体制御弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体制御弁及び流体弁制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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スタック（１）のアノード極に供給するための水素供給通路（３）と、を備える燃料電池システムが開示されている。特許文献１の燃料電池システムでは、水素タンク（２）に、燃料電池スタック（１）への水素ガスの供給状態と非供給状態を切り替え可能に開閉制御される主止弁（１０）が設けられている。また、水素供給通路（３）には、上記主止弁（１０）の下流において、水素ガスの圧力を減圧する減圧弁（５）が設けられている。
【０００３】
主止弁（１０）は、一部が水素タンク（２）の内部に挿入されて固定されるボディ（１１）と、ボディ（１１）内に形成され水素タンク（２）の内部に通じる第１通路（１５）と、ボディ（１）内に形成され水素タンク（２）の外部に通じる第２通路（１７）と、第１通路（１５）と第２通路（１７）とを連通遮断するメインバルブ（１８）と、メインバルブ（１８）を閉弁方向に付勢するスプリング（２３）と、水素タンク（２）の内部に通じてメインバルブ（１８）に閉弁方向の流体圧力を付与する背圧室（２５）と、第２通路（１７）と背圧室（２５）とを連通する第３通路（２９）と、第３通路（２９）上に配置され背圧室（２５）の圧力を調圧可能なインジェクタ（３０）と、を備えている。
【０００４】
そして、第１通路（１５）内の圧力と、スプリング（２３）の弾性力と、インジェクタ（３０）により調圧された背圧室（２５）の圧力と、第２通路（１７）内の圧力とを用いてメインバルブ（１８）を開閉する（特許文献１の図２等参照）。
【０００５】
また、この主止弁（１０）は、燃料電池スタック（１）への水素ガスの供給状態と非供給状態の切り替えに加えて、水素タンク（２）から減圧弁（５）側に供給される水素ガスの圧力を調節する。
【０００６】
具体的に、インジェクタ（３０）のコイルへの通電をデューティー比制御することで、メインバルブ（１８）の開度を調節して、第３通路（２９）及び背圧室（２５）を介して、減圧弁（５）側の第２通路（１７）の圧力を調節する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−１８９１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１の主止弁における圧力制御は、メインバルブ（１８）による第３通路及び背圧室を介した間接的な制御である。したがって、応答性が悪く、要求される低圧側の要求圧力に応じた高精度の調圧機能を実現できない。そのため、低圧側の圧力制御を実行するにあたり、別途、減圧弁等の調圧手段を設ける必要があり、コストアップを招いていた。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、コストアップを抑制しつつも、高圧流路と低圧流路の間の流体の調圧機能を実現できる流体制御弁及び流体弁制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様によれば、高圧流路と低圧流路の間に配置される流体制御弁が提供される。流体制御弁は、高圧流路側に設けられた電磁弁と、低圧流路側に設けられる機械式弁と、を有する。また、電磁弁体は、弁体と、弁体を駆動する弁体駆動機構と、を備える。さらに、機械式弁は、電磁弁の弁体が通過可能な弁体通過穴及び低圧流路に連通する低圧流体流出穴が形成されたハウジングと、低圧流体流出穴を開閉する弁体と、ハウジングに設けられるとともに低圧流体流出穴の開放する方向に機械式弁の弁体を付勢する付勢体と、を備える。さらに、機械式弁の弁体は、高圧流路と低圧流体流出穴を連通させるように貫通形成された弁体流路を有する。
【００１１】
さらに、本発明の他の態様によれば、高圧流路と低圧流路の間に配置される他の態様の流体制御弁が提供される。この流体制御弁は、高圧流路側に設けられる電磁弁と、低圧流路側に設けられる機械式弁と、を有する。さらに、機械式弁の弁体には、高圧流路と低圧流路を連通させるように弁体流路が貫通形成される。また、電磁弁の弁体は、弁体流路を開閉可能である。そして、この流体制御弁は、高圧流路と低圧流路との差圧が相対的に大きい場合には、電磁弁の弁体を駆動させることでこの弁体が弁体流路を開閉する。一方で、差圧が相対的に小さい場合には、電磁弁の弁体を駆動させることで機械式弁の弁体が該駆動に追従して高圧流路と低圧流路の間の流路を開閉するように構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、コストアップを抑制しつつも、高圧流路と低圧流路の間の流体の調圧機能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態における流体制御弁の構成を説明する図である。
【図２Ａ】図２Ａは、差圧が相対的に大きいときの流体制御弁の作動状態を説明する図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、差圧が相対的に小さいときの流体制御弁の作動状態を説明する図である。
【図３】図３は、一実施形態における流体制御弁が適用された燃料電池システムの一例を説明する図である。
【図４Ａ】図４Ａは、高圧流路の圧力（差圧）に応じた流体制御弁の要求流路面積を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、高圧流路の圧力（差圧）に応じて流体制御弁の要求応答時間の変化を示すグラフである。
【図５】図５は、一実施形態における流体制御弁が適用された燃料電池システムの一例を説明する図である。
【図６】図６は、一実施形態における下流圧の脈動制御の態様を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る本発明の一実施形態における流体制御弁の構成を概略的に示す図である。特に図１では、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐの連通がほぼ完全に遮断される流体制御弁１０の全閉状態を示している。
【００１６】
図示のように、本実施形態の流体制御弁１０は、所望の流体制御部分における高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐの間に配置される。
【００１７】
流体制御弁１０は、弁ハウジング１０ａの内部に電磁弁１２と機械式弁１４が配置された構成をとっている。弁ハウジング１０ａには、高圧流路ｈｐから流体が流れ込む流入口１０ｂと、低圧流路ｌｐへ流体が流れ出る流出口１０ｃが形成されている。すなわち、弁ハウジング１０ａ内には、流入口１０ｂを介して高圧流体が流れ込み、流出口１０ｃを介して低圧流体が低圧流路ｌｐへ流れ出る。なお、以下では、弁ハウジング１０ａ内において調圧前の高圧流体が存在する領域を「高圧領域Ａｈｐ」と称する。
【００１８】
弁ハウジング１０ａの内部には、流入口１０ｂ側、すなわち高圧流路ｈｐ側に電磁弁１２が設けられており、この電磁弁１２に対して流出口１０ｃ側、すなわち低圧流路ｌｐ側に機械式弁１４が設けられている。
【００１９】
電磁弁１２は、弁体１６と、弁体１６を駆動する弁駆動機構としてのソレノイド１８と、を有している。なお、以下では、後述する機械式弁１４の弁体との区別を明確にするため、「弁体１６」を「電磁弁体１６」と称する。
【００２０】
電磁弁体１６は、ソレノイド１８により図１の両矢印方向に沿って駆動される。機械式弁１４に対して最も近接する位置と機械式弁１４から最も離れる位置の範囲で移動する。なお、以下では、電磁弁体１６が機械式弁１４に対して最も近接する位置にある状態を「電磁弁体１６の閉状態」と定義し、電磁弁体１６が機械式弁１４に対して最も離れた位置にある状態を「電磁弁体１６の開状態」と定義する。また、電磁弁体１６が機械式弁１４に対して最も近接する位置に向かう方向を「電磁弁体１６の閉塞方向」と定義し、電磁弁体１６が機械式弁１４に対して最も離れた位置に向かう方向を「電磁弁体１６の開放方向」と定義する。そして、電磁弁体１６は、ソレノイド１８のオン・オフによって閉塞方向及び開放方向に駆動され、後述する機械式弁１４の弁体流路３４を開閉可能となっている。
【００２１】
具体的に、ソレノイド１８は、主に、ボビン（図示せず）に巻回された電磁コイル２０、コア２１、及び弁体可動機構２２を備える。
【００２２】
弁体可動機構２２は、電磁コイル２０への通電で発生する磁力によって電磁弁体１６を開放方向に移動させる一方、通電の解除によって電磁弁体１６を閉塞方向に移動させる図示しないプランジャや復帰スプリング等によって構成されている。すなわち、電磁コイル２０への通電のオン・オフの切り替えによって、電磁弁体１６の駆動を制御できる。
【００２３】
なお、例えば、電磁コイル２０への通電電流の周波数を変化させることによって、弁体可動機構２２による電磁弁体１６の開閉の応答時間を、所定範囲（例えば数ｍｓｅｃ〜数十ｓｅｃ）の間で任意に調節することが可能である。すなわち、ソレノイド１８によって電磁弁体１６の移動速度を任意に調節することができる。
【００２４】
次に、機械式弁１４は、電磁弁１２に対して低圧流路ｌｐ側に隣接配置されている。機械式弁１４は、低圧流路ｌｐ側に向かって漸次縮径する略台形状の外形を有するハウジング２４を備える。
【００２５】
このハウジング２４には、電磁弁体１６が通過可能な弁体通過穴２４ａが高圧流路ｈｐ側の位置に形成され、低圧流路ｌｐに連通する低圧流体流出穴２４ｂが低圧流路ｌｐ側の位置に形成されている。なお、本実施形態において低圧流体流出穴２４ｂは、所定の内径Ｄ１を有するオリフィス状に形成されている。
【００２６】
さらに、機械式弁１４は、ハウジング２４内に、低圧流体流出穴２４ｂを開閉する弁体３０と、低圧流体流出穴２４ｂを開放する方向に弁体３０（以下では、「機械弁体３０」とも記載する）を付勢する付勢体としてのバネ部材３２と、を有している。
【００２７】
機械弁体３０は、バネ部材３２が自然長の状態においては低圧流体流出穴２４ｂを開放する一方で、バネ部材３２の圧縮状態で低圧流体流出穴２４ｂを閉塞するように、バネ部材３２に支持されている。なお、機械弁体３０は、ハウジング２４との間、又はハウジング２４と接触する部分に、低圧流体流出穴２４ｂの流路面積よりも大きい流路を構成する図示しない孔部や切欠きが設けられている。
【００２８】
機械弁体３０は、低圧流体流出穴２４ｂを閉塞している状態においては、バネ部材３２により開放方向への押圧力を受ける。
【００２９】
特に、バネ部材３２の付勢力は、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐとの差圧ΔＰが相対的に大きい場合には差圧ΔＰに起因する機械弁体３０の閉塞力よりも小さく、差圧ΔＰが相対的に小さい場合には差圧ΔＰに起因する機械弁体３０の閉塞力よりも大きくなるように調節される。
【００３０】
より具体的には、機械弁体３０の受圧面３０ａには高圧領域Ａｈｐの高圧流体によって高圧流路ｈｐ側（上流）から低圧流路ｌｐ（下流）に向かう方向（点線矢印Ａ方向）の押圧力が与えられる。そして、この点線矢印Ａ方向に沿った押圧力が、実質的に機械弁体３０の閉塞力に相当する。
【００３１】
したがって、バネ部材３２は、差圧ΔＰが相対的に大きい場合には、圧縮時の復元力（付勢力）が上記押圧力よりも小さくなる一方で、差圧ΔＰが相対的に小さい場合には、圧縮時の復元力が上記押圧力よりも小さくなるように、そのバネ定数等が調節される。
【００３２】
さらに、機械弁体３０は、ハウジング２４の弁体通過穴２４ａと低圧流体流出穴２４ｂを連通させるように弁体流路３４が貫通形成されている。弁体流路３４は、低圧流体流出穴２４ｂの内径Ｄ１よりも小さい内径Ｄ２を有するオリフィス状に形成されている。すなわち、弁体流路３４の内径Ｄ２に比例する流路面積は、低圧流体流出穴２４ｂの流路面積よりも小さくなる。弁体流路３４の内径Ｄ２は、例えば低圧流体流出穴２４ｂの内径Ｄ１の１／４〜１／２程度である。なお、弁体流路３４の内径Ｄ２の具体的な大きさについては、加工精度等の製造上の利点を考慮しつつ任意に設定することができる。
【００３３】
さらに、本実施形態では、上述のように、機械弁体３０の弁体流路３４は電磁弁体１６によって開閉されることとなる。以下では、上記構成を有する流体制御弁１０の作動状態をより詳細に説明する。
【００３４】
図２Ａは、差圧ΔＰが相対的に大きい場合の流体制御弁１０の作動状態を説明する図であり、図２Ｂは、差圧ΔＰが相対的に小さい場合の流体制御弁１０の作動状態を説明する図である。
【００３５】
先ず、図２Ａに示すように、差圧ΔＰが相対的に大きい場合（以下では、単に「高圧力差状態」とも記載する）には、電磁コイル２０の通電のオフにすることで、電磁弁体１６を機械弁体３０の弁体流路３４の閉塞位置（図２Ａにおいて一点鎖線で示す位置）に駆動させ、当該通電をオンにすることで電磁弁体１６を弁体流路３４の開放位置（図２Ａにおいて実線で示す位置）に駆動させることができる。
【００３６】
高圧力差状態では、既に説明したように、機械弁体３０に作用するバネ部材３２の圧縮時の付勢力（図２Ａ上では上向き）が、高圧流体によって機械弁体３０の受圧面３０ａに与えられる押圧力（図２Ａ上では下向き）よりも小さい。したがって、機械弁体３０は、電磁弁体１６の駆動状態にかかわらず、低圧流体流出穴２４ｂを閉塞する状態に固定されることとなる。
【００３７】
これにより、電磁コイル２０の通電のオン・オフを実行すると、電磁弁体１６は閉塞状態に固定された機械弁体３０に対して開閉移動することとなる。したがって、電磁弁体１６を開閉駆動させることで、低圧流体流出穴２４ｂを機械弁体３０で閉塞した状態に維持しつつ、弁体流路３４を開閉状態のみを切り替えることができる。
【００３８】
特に、高圧力差状態では、電磁弁体１６が弁体流路３４を閉塞状態にすると、弁体流路３４及び弁体通過穴２４ａの双方が、それぞれ、電磁弁体１６及び機械弁体３０により閉塞されることとなるので、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐとの間の連通が遮断される。すなわち、図１に示す流体制御弁１０の全閉状態となる。したがって、例えば、高圧流路ｈｐの圧力が部品の耐圧性等の観点から定まる許容値以上に上昇した場合においても、電磁弁体１６を駆動させて弁体流路３４を閉塞するだけで、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐを遮断する全閉状態を実現することができる。すなわち。流体制御弁１０は、いわゆる主止弁としての機能を備えている。
【００３９】
次に、図２Ｂに示すように、差圧ΔＰが相対的に小さい場合（以下では、単に「低圧力差状態」とも記載する）には、電磁コイル２０の通電のオン・オフによる電磁弁体１６の移動に機械弁体３０が追従する。すなわち、電磁コイル２０の通電をオフとすると、機械弁体３０が電磁弁体１６の移動に追従して、低圧流体流出穴２４ｂの閉塞位置（図２Ｂにおいて一点鎖線で示す位置）に移動する。一方、電磁コイル２０の通電をオンにすると、機械弁体３０が電磁弁体１６の移動に追従して、低圧流体流出穴２４ｂの開放位置（図２Ｂにおいて実線で示す位置）に移動する。
【００４０】
低圧力差状態では、既に説明したように、機械弁体３０に作用するバネ部材３２の圧縮時の付勢力（図２Ｂ上では上向き）が、高圧流体によって機械弁体３０の受圧面３０ａに与えられる押圧力（図２Ｂ上では下向き）よりも大きい。
【００４１】
したがって、低圧力差状態では、機械弁体３０はバネ部材３２の復元力で押圧され、上記閉塞位置から上記開放位置に向かって移動することとなる。すなわち、機械弁体３０は、電磁弁体１６からの作用等の他の外部からの押圧力を受けない限り、バネ部材３２が自然長となる上記開放位置に向かうようにガイドされる。
【００４２】
この場合に、電磁コイル２０の通電をオフにして電磁弁体１６を閉塞方向に向かって駆動させると、電磁弁体１６は、機械弁体３０の弁体流路３４を閉塞しつつ当該機械弁体３０を低圧流体流出穴２４ｂの閉塞方向に移動させる。すなわち、機械弁体３０は、電磁弁体１６によって、バネ部材３２の復元力に抗して低圧流体流出穴２４ｂの閉塞方向に向かうように規制されることとなる。結果として、機械弁体３０は、電磁弁体１６に追従して移動することとなる。
【００４３】
一方で、電磁コイル２０の通電をオンにして電磁弁体１６を開放位置に向かって駆動させると、電磁弁体１６から機械弁体３０に作用していた規制力が解除される。したがって、機械弁体３０は、バネ部材３２の復元力に応じて電磁弁体１６に追従して低圧流体流出穴２４ｂを開放する方向に移動する。
【００４４】
特に、電磁弁体１６の移動速度を機械弁体３０の開閉の応答速度以下に制御することで、電磁コイル２０の通電をオンにする場合において、電磁弁体１６の移動と機械弁体３０の移動を同期させて、実質的に電磁弁体１６と機械弁体３０を一体として動作させることができる。したがって、電磁弁体１６による機械弁体３０の弁体流路３４の閉塞状態をより確実に維持しつつも、低圧流体流出穴２４ｂの開度を調節することができる。
【００４５】
以上説明した本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
【００４６】
本実施形態の一側面によれば、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐの間に配置される流体制御弁１０が提供される。この流体制御弁１０は、高圧流路ｈｐ側に設けられた電磁弁１２と、低圧流路ｌｐ側に設けられる機械式弁１４と、を有する。
【００４７】
電磁弁１２は、弁体としての電磁弁体１６と、電磁弁体１６を駆動する弁体駆動機構としてのソレノイド１８と、を備える。機械式弁１４は、電磁弁体１６が通過可能な弁体通過穴２４ａ及び低圧流路ｌｐに連通する低圧流体流出穴２４ｂが形成されたハウジング２４と、低圧流体流出穴２４ｂを開閉する弁体としての機械弁体３０と、ハウジング２４に設けられるとともに低圧流体流出穴２４ｂを開放する方向に機械弁体３０を付勢する付勢体としてのバネ部材３２と、を備える。そして、機械弁体３０は、高圧流路ｈｐと低圧流体流出穴２４ｂを連通させるように貫通形成された弁体流路３４を有し、電磁弁体１６は、弁体流路３４を開閉するように構成されている。
【００４８】
これによれば、ソレノイド１８によって、機械弁体３０の弁体流路３４を閉塞するように電磁弁体１６を駆動することで、電磁弁体１６の駆動とともに機械弁体３０を低圧流体流出穴２４ｂの閉塞方向に移動させることができる。すなわち、電磁弁体１６を閉塞方向に駆動することで、弁体流路３４及び低圧流体流出穴２４ｂの閉塞状態（全閉状態）を実現することができる。
【００４９】
また、機械弁体３０の弁体流路３４を開放するように電磁弁体１６を駆動することで、電磁弁体１６が機械弁体３０から離れる方向に駆動されることとなり、電磁弁体１６を介して機械弁体３０が受けていた低圧流体流出穴２４ｂの閉塞方向への拘束力が解除される。したがって、この場合、差圧ΔＰが相対的に大きい高圧力差状態において弁体流路３４を開放させる方向に電磁弁体１６を駆動すると、差圧ΔＰによる押圧力で機械弁体３０は低圧流体流出穴２４ｂの閉塞位置に拘束されることとなる。結果として、弁体流路３４が開放されつつ、低圧流体流出穴２４ｂが閉塞される状態を実現できる。
【００５０】
一方で、差圧ΔＰが相対的に小さい低圧力差状態において弁体流路３４を開放させる方向に電磁弁体１６を駆動すると、バネ部材３２の付勢力で低圧流体流出穴２４ｂを開放する方向に駆動されることとなる。これにより、機械弁体３０が電磁弁体１６に追従して、低圧流体流出穴２４ｂを開放する方向に移動するので、電磁弁体１６により弁体流路３４が閉塞された状態を維持しつつ、低圧流体流出穴２４ｂが開放されることとなる。
【００５１】
したがって、本実施形態の流体制御弁１０は、電磁弁１２の駆動制御によって、電磁弁１２及び機械式弁１４を統合的に制御することができるので、構成や制御の複雑化が抑制される。また、差圧ΔＰの大小に応じて弁体流路３４と低圧流体流出穴２４ｂの間で流体の経路を適切に切り替えて低圧流路ｌｐの圧力制御を行うことができる。これにより、コストアップを抑制しつつも、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐの間の流体の調圧機能を好適に実現することができる。
【００５２】
なお、本実施形態の流体制御弁１０は、低圧流体流出穴２４ｂ及び弁体流路３４の双方を閉塞することで、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐとの連通を遮断して全閉状態とすることができる。すなわち、主止弁としての機能を備えている。
【００５３】
また、本実施形態の流体制御弁１０では、弁体流路３４の流路面積に対応する内径Ｄ２は、低圧流体流出穴２４ｂの流路面積に対応する内径Ｄ１よりも小さく構成される。
【００５４】
これにより、弁体流路３４が開放して低圧流体流出穴２４ｂが閉塞する高圧力差状態においては、流路面積の小さい弁体流路３４を介して高圧流路ｈｐから低圧流路ｌｐに流体が流れることとなるので、差圧ΔＰが大きいことに起因する低圧流路ｌｐの急速な流量の増加を抑制することができる。結果として、電磁弁体１６の開放時間あたりの低圧流路ｌｐ側の圧力変化を小さくすることができるので、高圧力差状態におけるより決め細やかな低圧流路ｌｐの調圧制御が可能となる。
【００５５】
一方で、弁体流路３４が閉塞して低圧流体流出穴２４ｂが開放する低圧力差状態においては、流路面積の大きい低圧流体流出穴２４ｂを介して高圧流路ｈｐから低圧流路ｌｐに流体が流れることとなるので、差圧ΔＰが小さいことに起因する流量の不足を抑制することができる。結果として、電磁弁体１６の開放時間あたりの低圧流路ｌｐ側の圧力変化を大きくすることができるので、低圧力差状態におけるより好適な低圧流路ｌｐの調圧制御が可能となる。
【００５６】
さらに、本実施形態の流体制御弁１０において、バネ部材３２の付勢力は、高圧力差状態の場合には、差圧ΔＰに起因する機械弁体３０の閉塞力よりも小さく、低圧力差状態の場合には、差圧ΔＰに起因する機械弁体３０の閉塞力よりも大きくなるように調節されている。
【００５７】
これにより、高圧力差状態においては、電磁弁体１６が開放位置にある場合、すなわち
弁体流路３４が開放状態である場合に、差圧ΔＰによって機械弁体３０を低圧流体流出穴２４ｂの閉塞位置により確実に拘束することができる。一方、低圧力差状態においては、電磁弁体１６が開放位置にあり弁体流路３４が開放状態である場合に、バネ部材３２の付勢力によって機械弁体３０を電磁弁体１６に追従させる機能をより確実に発揮することができる。したがって、差圧ΔＰの大小に応じた弁体流路３４と低圧流体流出穴２４ｂの間の圧力制御に用いる流体経路の切り替えをより好適に行うことができ、低圧流路ｌｐの調圧制御の精度の向上により資することとなる。
【００５８】
さらに、本実施形態の別の側面によれば、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐの間に配置される流体制御弁１０が提供される。この流体制御弁１０は、高圧流路ｈｐ側に設けられた電磁弁１２と、低圧流路ｌｐ側に設けられる機械式弁１４と、を有する。
【００５９】
この流体制御弁１０では、機械弁体３０には、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐを連通させるように弁体流路３４が貫通形成される。また、電磁弁体１６は、弁体流路３４を開閉可能である。そして、この流体制御弁１０においては、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐとの差圧ΔＰが相対的に大きい高圧力差状態の場合には、電磁弁体１６を駆動させることで該電磁弁体１６が弁体流路３４を開閉する。一方、差圧ΔＰが相対的に小さい低圧力差状態の場合には、電磁弁体１６を駆動させることで機械弁体３０が該駆動に追従して、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐの間の流路である低圧流体流出穴２４ｂを開閉するように構成されている。
【００６０】
これにより、電磁弁１２の制御によって、電磁弁１２及び機械式弁１４を統合的に制御することができるので、構成や制御の複雑化が抑制される。さらに、差圧ΔＰの大小に応じて弁体流路３４と低圧流体流出穴２４ｂの間で流体の経路を適切に切り替えて低圧流路ｌｐの圧力調節を行うことができる。これにより、コストアップを抑制しつつも、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐの間の流体の調圧機能を好適に実現することができる。
【００６１】
特に、本実施形態の流体制御弁１０では、高圧力差状態の場合には、差圧ΔＰによって機械弁体３０の開放方向への移動が制限される。一方、低圧力差状態の場合には、機械弁体３０の開放方向への移動の制限が解除される。
【００６２】
これにより、高圧力差状態において、弁体流路３４の開放方向に電磁弁体１６が移動しても、差圧ΔＰによって機械弁体３０を低圧流体流出穴２４ｂの閉塞位置により確実に維持することができる。一方、低圧力差状態においては、弁体流路３４の開放方向に電磁弁体１６が移動する際に、機械弁体３０を電磁弁体１６により確実に追従させることができる。したがって、差圧ΔＰの大小に応じた弁体流路３４と低圧流体流出穴２４ｂの間の流体の経路の切り替えをより好適に行うことができ、調圧制御の精度の向上に資することとなる。
【００６３】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、第１実施形態に係る流体制御弁１０を、燃料電池システムの水素ガス供給機構に適用した例について説明する。
【００６４】
図３は、第１実施形態で説明した流体制御弁１０が適用された燃料電池システムの水素ガス供給機構の一例を説明する図である。なお、図３においては、図面の簡略化のため、燃料電池システムの水素ガス供給機構に関連する部分のみを示し、水素ガス排出機構や酸化ガス給排機構等の他の燃料電池システムを構成する要素は省略する。
【００６５】
本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、燃料電池スタック１１０に供給する水素ガスを高圧状態（例えば、７０Ｍｐａ）で充填した高圧タンク１２０と、流体制御弁１０を制御する流体弁制御装置としてのコントローラ１３０と、を有している。
【００６６】
燃料電池スタック１１０は、複数の燃料電池セルが積層された積層電池として構成される。燃料電池スタック１１０には、システム外部からの要求負荷や燃料電池セルの電解質膜の湿潤状態等に応じて、所望の圧力及び流量に調節された水素ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する。
【００６７】
高圧タンク１２０には、その内部の水素ガス充填部からタンク入口までの間に水素ガスが流れる通路が形成されており、この通路が高圧流路ｈｐに相当する。そして、高圧タンク１２０のタンク入口に第１実施形態で説明した流体制御弁１０が設けられる。
【００６８】
したがって、この構成により、流体制御弁１０に対して燃料電池スタック１１０側の流路である低圧流路ｌｐにおける水素ガスの供給及び遮断、並びに圧力調節を、流体制御弁１０の制御により実行することができる。すなわち、流体制御弁１０の制御で、燃料電池スタック１１０への水素ガスの供給の遮断や圧力制御を実行することができる。
【００６９】
また、燃料電池システム１００には、高圧流路ｈｐの圧力を検出する高圧圧力検出センサ１４０、及び低圧流路ｌｐの圧力を検出する低圧圧力検出センサ１５０が設けられている。
【００７０】
コントローラ１３０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成される。
【００７１】
本実施形態では、コントローラ１３０は、高圧圧力検出センサ１４０の検出値（以下では、「高圧センサ検出値」とも記載する）の信号、低圧圧力検出センサ１５０の検出値（以下では、「低圧センサ検出値」とも記載する）の信号、及び燃料電池システム１００への負荷を検出する負荷検出センサ２００（例えば、燃料電池システム１００が搭載される車両のアクセルペダルセンサ）からの入力信号に基づいて、流体制御弁１０を制御する。
【００７２】
具体的には、コントローラ１３０は、高圧センサ検出値に基づいて、低圧センサ検出値が負荷の検出値に応じた所望の目標圧力値に近づくように、弁体可動機構２２による電磁弁体１６の移動速度を調節する。すなわち、電磁弁体１６の移動速度が制御されることで、高圧流路ｈｐから低圧流路ｌｐに流れる水素ガスの流量が調節され、低圧流路ｌｐの圧力を目標圧力値に制御することができる。また、例えば目標圧力値は、負荷が大きくなるほど大きく設定される。以下では、コントローラ１３０による流体制御弁１０の制御をより具体的に説明する。
【００７３】
コントローラ１３０は、高圧センサ検出値と予め定められる所定の圧力閾値Ｐｔｈを比較し、その大小に応じて流体制御弁１０の制御態様を変更する。ここで、圧力閾値Ｐｔｈは、第１実施形態で説明した高圧力差状態と低圧力差状態を判断する基準となる値として定められる。
【００７４】
例えば、燃料電池システム１００においては、高圧タンク１２０内の水素ガス残量に応じて高圧流路ｈｐの圧力（以下では、「タンク圧」とも記載する）が３Ｍｐａ〜７０Ｍｐａの範囲で変動することが想定されるが、その場合においても、低圧流路ｌｐの圧力（以下では、「下流圧」とも記載する）を負荷に応じた上記目標圧力値に制御する。
【００７５】
したがって、下流圧の目標圧力値に対してタンク圧が変動して、差圧ΔＰが数Ｍｐａ〜数十Ｍｐａの範囲で変動することが想定される。このような広い範囲で差圧ΔＰが変動することで、差圧ΔＰが比較的大きい高圧力差状態と差圧ΔＰが比較的小さい低圧力差状態では、下流圧を目標圧力値に高精度に制御するにあたり、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐを連通させる流体制御弁１０における流路面積（内径Ｄ１又は内径Ｄ２）として好適な値が異なることとなる。
【００７６】
より具体的には、高圧力差状態では同じ流路面積であっても流量が相対的に高くなるため、急速な水素ガス流量の増加に起因して下流圧が急激に変化する。したがってこの急激な下流圧の変化を抑制すべく、流体制御弁１０における流路面積を比較的小さくすることが好ましい。一方では、低圧力差状態では同じ流路面積であっても流量が相対的に低くなるため、下流圧を目標圧力値に到達させるための流量を確保するために流体制御弁１０における流路面積を比較的大きくすることが好ましい。本実施形態では、このような観点から流体制御弁１０の開閉制御が行われる。以下、流体制御弁１０の高圧力差状態における制御と低圧力差状態における制御についてより詳細に説明する。
【００７７】
図４Ａは、タンク圧の大きさに応じた流体制御弁１０の要求流路面積の変化を示すグラフである。ここで、図４Ａに示す曲線Ｃ１は、下流圧を目標圧力値に制御するにあたり、タンク圧の大きさに応じて要求される好適な流路面積である要求流路面積の変化を表している。また、点線で示す直線Ｌ１は、機械弁体３０による低圧流体流出穴２４ｂの開放によって確保される流路面積（すなわち、低圧流体流出穴２４ｂの内径Ｄ１に相当）を表している。さらに、二点鎖線で示す直線Ｌ２は、弁体流路３４の開放によって確保される流路面積（すなわち、弁体流路３４の内径Ｄ２に相当）を表している。
【００７８】
さらに、図４Ｂは、タンク圧の大きさに応じた流体制御弁１０の要求応答時間の変化を示すグラフである。ここで、図４Ｂに示す曲線Ｃ２は、下流圧を目標圧力値に制御するにあたり、タンク圧の大きさに応じて要求される流体制御弁１０の流路の開閉応答時間としての要求応答時間の変化を表している。また、直線Ｌ３は、機械弁体３０の応答時間を示している。また、直線Ｌ４は、電磁弁体１６の応答時間を示している。なお、電磁弁体１６の応答時間は、電磁弁体１６の移動速度の逆数に比例する。また、機械弁体３０の応答時間（図４Ｂの低圧力差状態における応答時間）は、バネ部材３２のバネ定数の逆数に比例する。
【００７９】
［低圧力差状態における流体制御弁１０の制御］
図４Ａに示すように、低圧力差状態では、流量確保の観点から、曲線Ｃ１で表される要求流路面積が、高圧力差状態の場合よりも高くなっている。一方、図４Ｂに示すように、低圧力差状態では、直線Ｌ４で表される電磁弁体１６の応答時間が、直線Ｌ３より表される機械弁体３０の応答時間以下に設定されている。すなわち、低圧力差状態では、電磁弁体１６の移動速度が機械弁体３０の応答速度以下に設定される。したがって、実質的に電磁弁体１６と機械弁体３０が一体として動作させることができる（図２Ｂ参照）。
【００８０】
したがって、流路面積の小さい弁体流路３４が電磁弁体１６で閉塞された状態を維持したまま、流路面積の大きい低圧流体流出穴２４ｂに対する機械弁体３０による開閉を、電磁弁体１６の駆動制御によって任意に調節することができる。
【００８１】
これにより、流量を確保し難い低圧力差状態においても、流路面積の大きい低圧流体流出穴２４ｂを用いることで十分な流量を確保して好適に下流圧の制御を行うことができる。特に、低圧力差状態では、そもそも流量が増加し難い傾向にあることから、低圧流体流出穴２４ｂの開閉周期あたりの下流圧の変化が少ないので、低圧流体流出穴２４ｂの開閉動作において要求される応答性も相対的に低くなる。したがって、電磁弁体１６の開閉移動の速度を機械弁体３０の応答速度以下としても、支障なく好適に下流圧を制御することができる。
【００８２】
［高圧力差状態における流体制御弁１０の制御］
図４Ａに示すように、高圧力差状態では、急激な水素ガス流量の増大による下流圧の急激な変化を抑制すべく、曲線Ｃ１で表される要求流路面積が相対的に低くなる。一方で、高圧力差状態では、第１実施形態でも説明したように、差圧ΔＰによる機械弁体３０に対する低圧流体流出穴２４ｂの閉塞方向の押圧力によって、機械弁体３０が低圧流体流出穴２４ｂを閉塞した状態に固定される（図２Ａ参照）。したがって、この状態で、電磁弁体１６を移動させても、機械弁体３０は低圧流体流出穴２４ｂを閉塞した状態に維持される。すなわち、図４Ｂの直線Ｌ３で示すように、機械弁体３０の応答速度はゼロとなる（応答時間が発散する）。
【００８３】
これにより、電磁弁体１６を駆動することで、流路面積の大きい低圧流体流出穴２４ｂを閉塞した状態のまま、流路面積の小さい弁体流路３４のみを開閉することができる。
【００８４】
したがって、高圧力差状態においては、流路面積の小さい弁体流路３４を開閉することで、急激な水素ガス流量の増大による下流圧の急激な上昇を抑制して、燃料電池スタック１１０等の下流の構造物の保護を図るとともに、高精度な下流圧の調圧制御を実行することができる。特に、高圧力差状態では流路面積の小さい弁体流路３４が調圧に用いられることから、電磁弁体１６の開閉周期あたりの水素ガス流量の変化量が少なくなるので、下流圧のきめ細やかな制御が可能となる。
【００８５】
さらに、高圧力差状態では、図４Ｂの直線Ｌ４で示すように、タンク圧の大きさに応じた要求流路面積を満たすように弁体流路３４の開度を調節すべく、コントローラ１３０は、電磁弁体１６の応答時間を調節する。具体的には、タンク圧が大きいほど、電磁弁体１６の応答時間が短くなるように、電磁コイル２０への通電電流の周波数を大きくする。すなわち、タンク圧が大きいほど、電磁弁体１６の移動速度を早くする。これにより、タンク圧が大きいほど、電磁弁体１６の開閉周期あたり弁体流路３４の開放時間が短くなるので、電磁弁体１６の１回の開放あたりの下流圧の変化量をより少なくすることができ、下流圧のよりきめ細やかな制御が可能となる。
【００８６】
以上説明した本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
【００８７】
本実施形態の流体制御装置としてのコントローラ１３０は、高圧流路ｈｐの圧力であるタンク圧に基づいて電磁弁体１６の移動速度を調節する。これによれば、タンク残量等に応じたタンク圧の変化に応じて電磁弁体１６の移動速度を調節することで、低圧流体流出穴２４ｂ又は弁体流路３４の開度を調節することができる。したがって、タンク圧の大きさ、すなわち差圧ΔＰに応じて下流圧を好適に制御することができる。
【００８８】
特に、コントローラ１３０は、タンク圧が所定の圧力閾値Ｐｔｈ未満である場合（低圧力差状態の場合）に、電磁弁体１６の移動速度を、該移動速度が機械弁体３０の応答速度以下となるように調節する。
【００８９】
これにより、高圧流路ｈｐと低圧流路ｌｐの流量が確保し難い低圧力差状態においても、相対的に内径の大きい低圧流体流出穴２４ｂを調圧制御に用いることで流量をより確実に確保して好適な下流圧の調圧制御を行うことができる。
【００９０】
また、低圧力差状態では、そもそも流量が増加し難い傾向にあることから、低圧流体流出穴２４ｂの開閉周期あたりの下流圧の変化が少ないので、低圧流体流出穴２４ｂの開閉動作において要求される応答性も相対的に低くなる。したがって、電磁弁体１６の開閉移動の速度を機械弁体３０の応答速度程度に合わせても、支障なく好適に下流圧を制御することができる。
【００９１】
特に、電磁弁体１６の移動速度と機械弁体３０の応答速度が略同一となるように電磁弁１２を制御することによって、電磁弁体１６の移動速度と機械弁体３０の応答速度の相違による衝突やそれによる異音の発生をより確実に抑制することができる。
【００９２】
さらに、コントローラ１３０は、タンク圧が圧力閾値Ｐｔｈ以上である場合に、タンク圧が大きいほど電磁弁体１６の移動速度を速くする。
【００９３】
すなわち、差圧ΔＰが大きくなって急激な流量の増大がより懸念される状況であるほど、電磁弁体１６の移動速度を早くして弁体流路３４の開閉の切り替え頻度を高くする。これにより、タンク圧が大きいほど、電磁弁体１６の開閉周期あたりの水素ガス流量の変化量を少なくすることができるので、下流圧のきめ細やかな制御が可能となる。
【００９４】
なお、電磁弁体１６の開閉移動の速度を機械弁体３０の応答速度以下となる範囲で一定としても良い。また、機械弁体３０の応答速度に応じて電磁弁体１６の移動速度を変化させるようにしても良い。例えば、バネ部材３２のバネ定数と機械弁体３０の応答特性の関係を示すマップ等をメモリ等に記録しておき、コントローラ１３０が当該マップを参照し、バネ部材３２のバネ定数に応じた機械式弁１４の応答特性に応じて適宜、電磁弁体１６の移動速度の設定値を補正するようにしても良い。
【００９５】
また、本実施形態では、高圧センサ検出値に基づいて下流圧が目標圧力値に近づくように流体制御弁１０を制御している。しかしながら、高圧センサ検出値と低圧センサ検出値の差に基づいて、下流圧が目標圧力値に近づくように流体制御弁１０を制御しても良い。
【００９６】
また、下流圧の目標圧力値は、燃料電池システム１００に対する負荷に応じて適宜変化させることも可能である。例えば、燃料電池システム１００が車両に搭載される場合に、車両がアイドル状態や低速度定常運転状態等の負荷が相対的に低い状態である場合には、下流圧の目標圧力値の目標値を相対的に低く調節しても良い。一方、逆に、燃料電池システム１００を搭載する車両が、高速走行状態や登坂走行時等の負荷が相対的に高い状態である場合には、下流圧の目標圧力値を相対的に高く調節しても良い。
【００９７】
さらに、下流圧の目標圧力値は、低圧圧力検出センサ１５０が設けられる低圧流路ｌｐ上の位置に応じて適宜変更することもできる。例えば、本実施形態では、負荷に応じて燃料電池スタック１１０に実際に供給される水素ガスの圧力を調節することを意図している。しかし、低圧流路ｌｐ上で低圧圧力検出センサ１５０が設けられる位置などによっては、低圧流路ｌｐにおける低圧圧力検出センサ１５０と燃料電池スタック１１０までの経路における圧損の影響が大きくなる場合が想定される。この場合には、圧損の影響を考慮して下流圧の目標圧力値を補正しても良い。
【００９８】
また、高圧力差状態において、差圧ΔＰの大きさによって流量が増加することによる圧損の増大が想定される。したがって、高圧力差状態において、流量が増加することによる圧損の増大を考慮するために、差圧ΔＰの大きさに応じて下流圧の目標圧力値を補正しても良い。
【００９９】
さらに、本実施形態の流体制御弁１０及びその制御の適用は、燃料電池システム１００の水素ガス供給機構以外にも、高圧側と低圧側の差圧ΔＰが比較的大きい種々の流路における流体の制御に適用することができる。例えば、本実施形態の流体制御弁１０及びその制御を、天然ガス自動車等に搭載されるＣＮＧ（Compressed Natural Gas）タンクのガス供給機構に適用しても良い。
【０１００】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態又は第２実施形態と同様の要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態では、特に、流体制御弁１０を、第２実施形態とは異なる他の燃料電池システム１００´の水素ガス供給機構に適用した例について説明する。
【０１０１】
図５は、流体制御弁１０が適用された燃料電池システム１００´の水素ガス供給機構の一例を説明する図である。なお、図５においては、図面の簡略化のため、燃料電池システムの水素ガス供給機構に関連する部分のみを示し、水素ガス排出機構や酸化ガス給排機構等の他の燃料電池システムを構成する要素は省略する。
【０１０２】
図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００´は、低圧流路ｌｐにおける高圧タンク１２０と燃料電池スタック１１０の間に所定容積を有する調圧領域としての調圧室１６０を有している。また、本実施形態において、低圧圧力検出センサ１５０は調圧室１６０に設けられている。すなわち、低圧圧力検出センサ１５０は、調圧室１６０内部の圧力を上記低圧センサ検出値として検出する。なお、以下の説明の簡略化のため、低圧流路ｌｐにおける流体制御弁１０から調圧室１６０までの経路を「前半低圧流路ｌｐα」と称し、低圧流路ｌｐにおける調圧室１６０から燃料電池スタック１１０までの経路を「後半低圧流路ｌｐβ」と称する。
【０１０３】
図６は、本実施形態における調圧室１６０の圧力制御の態様を説明する図である。図示のように、コントローラ１３０は、調圧室１６０内部の圧力が所定の上限圧ＰUと所定の下限圧ＰLの間で脈動するように、流体制御弁１０の開閉制御を実行する。
【０１０４】
ここで、上限圧ＰUは、例えば、後半低圧流路ｌｐβにおける圧損をもっとも高く想定した場合における圧力損失値に、負荷に応じたスタック要求圧力の想定変動範囲の上限を加算することで求めることができる。なお、後半低圧流路ｌｐβにおける圧損がもっとも高く想定される場合とは、例えば、高圧力差状態において想定される差圧ΔＰの最大値における水素ガス流量に基づいて評価される後半低圧流路ｌｐβの圧損である。また、負荷に応じたスタック要求圧力の想定変動範囲とは、例えば、負荷の状態を高負荷、中負荷、及び低負荷などのいくつかの負荷領域に分類した場合に、各負荷領域ごとに想定されるスタック要求圧力の変動の範囲を意味する。
【０１０５】
一方、下限圧ＰLは、例えば、後半低圧流路ｌｐβにおける圧損をもっとも低く想定した場合における圧力損失値を負荷に応じたスタック要求圧力の想定変動範囲の下限を加算することで求めることができる。なお、後半低圧流路ｌｐβにおける圧損がもっとも低く想定される場合とは、例えば、低圧力差状態において想定される差圧ΔＰの最小値における水素ガス流量に基づいて評価される後半低圧流路ｌｐβの圧損である。
【０１０６】
そして、図６に示すように、コントローラ１３０は、電磁コイル２０の通電をオンにして電磁弁体１６を開放位置に制御する電磁弁１２のＯＮ状態と、電磁コイル２０の通電をオフにして電磁弁体１６を閉塞位置に制御する電磁弁１２のＯＦＦ状態と、を切り替える。
【０１０７】
具体的に、例えば、コントローラ１３０は、低圧センサ検出値が下限圧ＰL又はその近傍となったときに、電磁弁１２をＯＮにする。これにより、低圧流体流出穴２４ｂ又は弁体流路３４の何れかが開放されるので、調圧室１６０内部の圧力が増加して低圧センサ検出値が上限圧ＰUに到達する。そして、コントローラ１３０は、低圧センサ検出値が上限圧ＰUに到達すると、電磁弁１２をＯＦＦにする。これにより、低圧流体流出穴２４ｂ及び弁体流路３４が閉塞されるので、調圧室１６０内部の圧力が減少して低圧センサ検出値が下限圧ＰLに到達する。
【０１０８】
以上の制御を繰り返すことで、調圧室１６０内部の圧力を、上限圧ＰUと下限圧ＰLの間の脈動レンジΔＰLU内で脈動させることができる。このような脈動制御によって、燃料電池スタック１１０の負荷変動等による要求圧力の逐次変動に応じた、調圧室１６０内部の圧力の細かい制御値の変更を抑制することができる。したがって、調圧制御が簡素化される。
【０１０９】
また、調圧室１６０内部の圧力を脈動レンジΔＰLU内で脈動制御することによって、流体制御弁１０の開閉制御による流量変化の影響を、燃料電池スタック１１０内の水素ガス供給圧力や供給流量にダイレクトに反映させることなく、調圧室１６０で吸収することができる。すなわち、調圧室１６０が燃料電池スタック１１０内の圧力制御におけるバッファ要素として機能する。
【０１１０】
特に、本実施形態では、図６に示すように、調圧室１６０内部の圧力を減少させる電磁弁１２のＯＦＦ時間ＴOFFに対する、調圧室１６０内部の圧力を増加させる電磁弁１２のＯＮ時間ＴONの比率（以下、「電磁弁デューティー比ＴON／ＴOFF」とも記載する）が、差圧ΔＰに応じて変化することとなる。
【０１１１】
より具体的には、差圧ΔＰが大きいほど、電磁弁デューティー比ＴON／ＴOFFが小さくなる。したがって、燃料電池スタック１１０の要求に応じて無駄なく電磁弁１２がＯＮされるので、無駄な水素ガスの消費を抑制することができる。一方、差圧ΔＰが小さいほど、電磁弁デューティー比ＴON／ＴOFFが大きくなる。これにより、差圧ΔＰが小さく、燃料電池スタック１１０で要求される水素ガス流量に対して実際に供給される水素ガス流量が不足する傾向にある状況においては、電磁弁１２がＯＮされる時間が長くなるので、燃料電池スタック１１０における水素ガス流量の不足を好適に抑制することができる。
【０１１２】
さらに、本実施形態における流体制御弁１０の制御では、電磁弁１２が比較的短時間でＯＮ／ＯＦＦされて調圧室１６０内部の圧力が変化する。したがって、例えば電磁弁１２に何らかの異常が発生した場合には、短時間の間に低圧センサ検出値が異常値を示すこととなる。すなわち、低圧センサ検出値を参照することで、電磁弁１２の異常を速やかに検出することができる。
【０１１３】
以上説明した本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
【０１１４】
本実施形態の流体制御装置としてのコントローラ１３０は、低圧流路ｌｐの圧力（下流圧）としての調圧室１６０内部の圧力が、所定の下限圧力としての下限圧ＰLに達したら電磁弁１２を開放（電磁弁１２をＯＮ）し、所定の上限圧力としての上限圧ＰUに達したら電磁弁１２の弁体を閉塞（電磁弁１２をＯＦＦ）する。
【０１１５】
これにより、下流圧としての調圧室１６０内部の圧力を、上限圧ＰUと下限圧ＰLの間の脈動レンジΔＰLU内で脈動させる脈動制御を実行することができる、したがって、燃料電池スタック１１０の負荷変動等による要求圧力の逐次変動に応じた、下流圧の細かい制御値の変更を抑制することができる。したがって、調圧制御が簡素化される。
【０１１６】
特に、本実施形態では、低圧流路ｌｐの圧力は、低圧流路ｌｐに設けられる所定容積を有する調圧領域としての調圧室１６０の圧力である。これにより、調圧室１６０内部の圧力を脈動レンジΔＰLU内で脈動制御することによって、流体制御弁１０（電磁弁１２）の開閉制御による流量変化の影響を、燃料電池スタック１１０内の水素ガス供給圧力や供給流量にダイレクトに反映させることなく、調圧室１６０で吸収することができる。したがって、燃料電池スタック１１０へ供給する水素ガス流量の急激な増加などをより確実に抑制することができる。
【０１１７】
なお、本実施形態では、低圧流路ｌｐに調圧室１６０を設けた燃料電池システム１００´で調圧室１６０内部の圧力の脈動制御を行う例を説明した。しかしながら、調圧室１６０を設けることなく、脈動制御を行うようにしても良い。すなわち、低圧流路ｌｐの任意の領域の圧力を検出するようにして、当該領域の位置に応じた脈動レンジΔＰLUを設定し、これに基づいて脈動制御を実行するようにしても良い。
【０１１８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１１９】
例えば、上記各実施形態では、弁体流路３４及び低圧流体流出穴２４ｂが、それぞれ、機械弁体３０及びハウジング２４に一つずつ設けられている。しかしながら、弁体流路３４及び低圧流体流出穴２４ｂを複数設け、これらを開閉する電磁弁体１６及び機械弁体３０を対応する個数設けても良い。なお、この場合でも、複数の電磁弁体１６及び機械弁体３０は、一つのソレノイド１８で駆動制御可能に構成される。
【０１２０】
また、弁体流路３４及び低圧流体流出穴２４ｂの断面形状は、略円形に限られず、矩形等の他の任意の形状に形成することができる。その場合、電磁弁体１６及び機械弁体３０の断面形状も、弁体流路３４及び低圧流体流出穴２４ｂの断面形状に合せて変更することができる。
【０１２１】
さらに、上記各実施形態の流体制御弁１０は、電磁弁１２と機械式弁１４以外の他の弁構成を含んでいても良い。
【０１２２】
また、上記各実施形態における機械弁体３０を付勢するバネ部材３２に代わる付勢体として、当該バネ部材３２と同等に付勢力を発揮し得るゴム等の弾性材料や、パンダグラフ等の形状変化による付勢力を発揮できる弾性体を用いても良い。
【符号の説明】
【０１２３】
１０      流体制御弁
１０ａ    弁ハウジング
１０ｂ    流入口
１０ｃ    流出口
１２      電磁弁
１４      機械式弁
１６      電磁弁体（電磁弁の弁体）
１８      ソレノイド（弁体駆動機構）
２４      ハウジング
２４ａ    弁体通過穴
２４ｂ    低圧流体流出穴
３０      機械弁体（機械式弁の弁体）
３２      バネ部材（付勢体）
３４      弁体流路
１１０    燃料電池スタック
１２０    高圧タンク
１３０    コントローラ（流体弁制御装置）
１６０    調圧室
Ｄ１      低圧流体流出穴の内径（低圧流体流出穴の流路面積）
Ｄ２      弁体流路の内径（弁体流路の流路面積）
ＰL      下限圧（下限圧力）
ＰU      上限圧（上限圧力）
Ｐｔｈ    圧力閾値
ｈｐ      高圧流路
ｌｐ      低圧流路
ΔＰ      差圧
ΔＰLU    脈動レンジ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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