(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素タンクに接続される一次ポート及び燃料電池スタックに接続される二次ポートを備えるハウジングと、
シャフト部分が前記ハウジングに設けた弁ポート内を前記一次ポートから前記二次ポートへ供給する水素量及び前記水素タンク内の圧力に応じたストロークで進退動することで前記一次ポートと前記二次ポートの連通面積を制御する弁体と、
前記弁体のシャフト部分の外周部に前記弁ポートの壁面と接するように配置されるシール部材と、
を備える燃料電池システムの圧力調整装置において、
前記弁体のストローク特性は、少なくとも前記水素タンク内の圧力が高圧側の領域に前記シール部材が弾性変形するだけで前記弁ポートとの間で摺動しないストロークになる弾性領域を有し、少なくとも前記水素タンク内の圧力が低圧側の領域に前記シール部材が前記弁ポートとの間で摺動するストロークになる摺動領域を有することを特徴とする燃料電池システムの圧力調整装置。
【請求項２】
前記弾性領域は、前記水素タンク内の圧力が所定値以上の全領域である請求項１に記載の燃料電池システムの圧力調整装置。
【請求項３】
前記水素タンク内の圧力が前記所定値より低く、かつ前記ストローク特性によるストロークが前記弾性領域にある場合に、前記ストロークを前記摺動領域まで増大させるストローク切り替え手段を備える請求項２に記載の燃料電池システムの圧力調整装置。
【請求項４】
前記ストローク切り替え手段は、前記弁体の開弁時間を短縮することによって前記弁体のストロークを増大させる請求項３に記載の燃料電池システムの圧力調整装置。
【請求項５】
前記弁体は電磁力により開閉動作し、
前記ストローク切り替え手段は、電磁力を発生させるキャリア周波数を低下させることによって前記弁体のストロークを増大させる請求項３に記載の燃料電池システムの圧力調整装置。
【請求項６】
前記所定値は、前記水素タンク内の水素残量が少ないことを運転者に警告する水素残量警告灯が点灯する前記水素タンク内圧力である請求項２から５のいずれかに記載の燃料電池システムの圧力調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の圧力を調整する調整弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の圧力調整弁として、例えば燃料電池システムに用いられる調整弁のように、タンク内の高圧ガスを燃料電池への供給前に減圧するものが知られている。このような圧力調整弁としては、高圧ガスが流入する一次ポートと、ガスを外部へ供給する二次ポートとを備えるハウジングと、ハウジング内で一次ポートと二次ポートの連通路の流路断面積を制御する弁体とを備えるピストン型の調圧弁が知られている。
【０００３】
ところで、ピストン型の調圧弁では、一次ポートから流入した流体が連通路以外の部分を通ってハウジングから流出しないように、弁体とハウジングとの間にシール部材を配置している。例えば、特許文献１では、耐久性確保のために摺動抵抗が相対的に小さいシール部材と、ダンパ作用を確保するために摺動抵抗が相対的に大きいシール部材とを備えている。また、特許文献２では、シール性を確保するためのリップシールと、ピストンが過剰に移動することを防止するためのＯリングとを配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７２１２３号公報
【特許文献２】特開２００６−１８５１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池システムのように高圧タンク内の水素を減圧して燃料電池へ供給する場合には、高圧タンク内の水素量が減ると一次ポート内の圧力が低下する。そして、一次ポート内の圧力が低下するほど、同じ圧力調整量でのピストンのストローク量は増大する。このため、低圧下では、特許文献１のダンパ作用確保のためのシール部材や特許文献２のリップシールのように摺動抵抗の低減よりもシール性を優先した部材が抵抗となって、弁体の操作性が低下し、精度の高いガス流量制御が行えない。また、シール性を優先した部材が摺動することによって摩耗し、シール性を確保できなくなるおそれもある。一方、シール性よりも弁体の操作性を優先して各シール部材の摺動抵抗を低下させると、摩耗は抑制できるものの、高圧下でのシール性が低下する。
【０００６】
そこで、本発明では、高圧下でのシール性と低圧下での制御精度とを両立し得る圧力調整装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池の圧力調整装置は、水素タンクに接続される一次ポート及び燃料電池スタックに接続される二次ポートを備えるハウジングを備える。また、シャフト部分がハウジングに設けた弁ポート内を一次ポートから二次ポートへ供給する水素量及び水素タンク内の圧力に応じたストロークで進退動することで一次ポートと二次ポートの連通面積を制御する弁体を備える。さらに、弁体のシャフト部分の外周部に弁ポートの壁面と接するように配置されるシール部材とを備える。そして、弁体及び弁体が着座するシート部の設計により定まるストローク特性は、少なくとも水素タンク内の圧力が高圧側の領域にシール部材が弾性変形するだけで弁ポートとの間で摺動しないストロークになる弾性領域を有する。また、少なくとも水素タンク内の圧力が低圧側の領域にシール部材が弁ポートとの間で摺動するストロークになる摺動領域を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水素タンク内圧力が高圧側の領域にストローク特性の弾性領域を有することにより、高圧下でのシール性を確保することができる。また、水素タンク内圧力が低圧側の領域にストローク特性の摺動領域を有することにより、低圧下での制御精度を確保することができる。すなわち、本発明の圧力調整装置によれば、高圧下でのシール性と低圧下での制御精度とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料供給システムの構成図である。
【図２】制御弁及びソレノイドのアッセンブリの一例を示す構成図である。
【図３】図２のシール部材付近の拡大図である。
【図４】第１実施形態の弁体のストローク特性を示す図である。
【図５】第２実施形態の弁体のストローク特性を示す図である。
【図６】第３実施形態の一次圧とキャリア周波数との関係を示す図である。
【図７】第１実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】第３実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池用の燃料供給システム４０の構成図である。
【００１２】
燃料供給システム４０は、燃料電池スタック１に水素を供給するシステムであって、水素タンク２と、水素供給通路３と、制御弁４と、圧力センサ７、８と、コントローラ６と、を備える。
【００１３】
水素タンク２は、水素供給通路３の上流側に設けられる。水素タンク２は、燃料電池スタック１に供給する水素を、例えば７０ＭＰａの高圧状態で貯蔵する。水素タンク２は、水素供給通路３との連通状態を制御する開閉弁５を備える。開閉弁５は電磁的に作動し、電源オフ時に水素タンク２と水素供給通路３との連通を遮断する。
【００１４】
制御弁４は、電磁的に作動し、水素タンク２から燃料電池スタック１に供給される水素量を調整し、供給水素圧力を制御する。制御弁４の構造については後述する。
【００１５】
水素供給通路３は、制御弁４より水素タンク２側（以下、これを上流側とする）が高圧配管３Ａ、制御弁４より燃料電池スタック１側（以下、これを下流側とする）が低圧配管３Ｂで形成される。
【００１６】
コントローラ６は、燃料供給システム４０を含む燃料電池システム全体を制御する装置であり、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で構成される。コントローラ６には、低圧配管３Ｂ内の圧力（以下、下流側圧力という）を検出する圧力センサ８及び制御弁４に制御電流を供給する配線９が接続されている。
【００１７】
図２は制御弁４及びこれを駆動するソレノイド１００からなるアッセンブリの一例を示す断面図である。
【００１８】
まずソレノイド１００の構成から説明する。
【００１９】
ソレノイド１００は、ソレノイドコイル１０１、可動部材１０２、軸受部材１０３及びケーシング１０４を備える。ケーシング１０４は、制御弁４のハウジング１０に装着されている。ケーシング１０４内は、ハウジング１０に形成される弁通路１６に連通し、ケーシング１０４内にはソレノイドコイル１０１、可動部材１０２及び軸受部材１０３が収容されている。
【００２０】
ソレノイドコイル１０１は、ボビン１０５とコイル１０６とを備えている。ボビン１０５はケーシング１０４内に嵌合されており、その外周部の軸線方向一端部及び他端部に外向きに突出する外向きフランジ１０５ａ、１０５ｂを有する。これら２つの外向きフランジ１０５ａ、１０５ｂの間には、コイル線が巻きつけられることで構成されるコイル１０６が設けられている。このように構成されるソレノイドコイル１０１は、その軸線方向一端部がケーシング１０４の底部１０４ａに当接しており、その他端部にはヨーク１０７が設けられている。
【００２１】
ヨーク１０７は、磁性材料、例えば電磁ステンレス鋼からなり、ケーシング１０４内に嵌合されている。ヨーク１０７は、ケーシング１０４を制御弁４のハウジング１０に装着することで、ケーシング１０４内に押し込まれ、底部１０４ａと共にソレノイドコイル１０１を挟持するようになっている。ヨーク１０７及びソレノイドコイル１０１には、可動部材１０２が挿通されている。
【００２２】
可動部材１０２は、磁性部材、例えば電磁ステンレス鋼からなり、挿通部１０２ａとロッド１０２ｂとを有する。挿通部１０２ａは、ソレノイドコイル１０１に挿入されている。挿通部１０２ａの軸線方向一端部（図２において右端部）は、ソレノイドコイル１０１から突出しており、ケーシング１０４の底部１０４ａに形成される挿入孔１０４ｂに挿入されている。挿入孔１０４ｂは、ケーシング１０４の底部１０４ａを貫通しており、外側の開口が蓋体１０４ｃにより塞がれている。挿通部１０２ａの軸線方向一端部と蓋体１０４ｃとの間には、圧縮コイルばね１０９が設けられており、この圧縮コイルばね１０９により挿通部１０２ａがヨーク１０７の方へと付勢されている。挿通部１０２ａの軸線方向他端部（図２において左端部）にロッド１０２ｂが一体的に設けられている。ロッド１０２ｂの外径は、挿通部１０２ａの外径よりも小径になっている。
【００２３】
挿通部１０２ａの他端部は、ヨーク１０７の内孔よりも大径であってヨーク１０７に対向しており、そこに設けられるロッド１０２ｂは、ヨーク１０７を挿通して制御弁４の弁通路１６まで延びている。ロッド１０２ｂの先端は、後述する制御弁４の弁体１４に当接しており、挿通部１０２ａをヨーク１０７から離すような力を弁体１４から受けている。つまり、可動部材１０２は、圧縮コイルばね１０９と弁体１４から互いに抗する力を受けている。これにより、挿通部１０２ａが蓋体１０４ｃから第１の所定距離ｄ１離され、またヨーク１０７から第２の所定距離ｄ２離される。第１の所定距離ｄ１は、第２の所定距離ｄ２のおよそ３倍以上の距離になっている。それ故、コイル１０６に電流を流すと、ヨーク１０７が磁化して、挿通部１０２ａがヨーク１０７へと吸い寄せられる。
【００２４】
また、挿通部１０２ａには、ガイド部材１０８が設けられている。ガイド部材１０８は、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼等の非磁性材料から成り、挿通部１０２ａの外周部の中央部分に嵌り込んでいる。ガイド部材１０８の外周面は、挿通部１０２ａの外周面と面一状になっており、ガイド部材１０８の外径は、ソレノイドコイル１０１の内径より小さくなっている。それ故、ガイド部材１０８とソレノイドコイル１０１との間には、円環状の間隙１１０が形成される。この間隙１１０には、軸受部材１０３が配置されている。
【００２５】
軸受部材１０３は、転がり軸受であり、本実施形態ではボールガイドである。ただし、ボールガイドに限定するものではなく、ボールベアリングであってもよい。軸受部材１０３は、グリス等の潤滑剤が塗布された状態でガイド部材１０８に外装され、ガイド部材１０８とソレノイドコイル１０１との間に介在する。軸受部材１０３は、可動部材１０２を軸線方向に摺動可能に支持してソレノイドコイル１０１とガイド部材１０８との間で生じる摩擦力を低減し、可動部材１０２の動きを円滑にしている。このように可動部材１０２の動きを円滑にする軸受部材１０３の両側には、第１及び第２のダイアフラム１１１、１１２が夫々設けられている。
【００２６】
第１、第２のダイアフラム１１１、１１２は、円環状のシール部材であり、軸受部材１０３の軸線方向両側に配置され、挿通部１０２ａとソレノイドコイル１０１との架け渡されるように固定されている。これにより、軸受部材１０３の軸線方向両側を塞いでいる。すなわち、第１のダイアフラム１１１により、背圧力室１１４と間隙１１０との間が封止され、第２のダイアフラム１１２により間隙１１０と圧力室１１５との間が封止される。なお、背圧力室１１４は、ケーシング１０４と可動部材１０２の軸線方向一方側の端部とによって規定される空間であり、間隙１１０よりも軸線方向一方側にある空間である。また、圧力室１１５は、ヨーク１０７と可動部材１０２の軸線方向他方側の端部とによって規定される空間であり、間隙１１０よりも軸線方向他方側にある空間である。
【００２７】
このように規定された背圧力室１１４と圧力室１１５とを繋ぐべく、可動部材１０２内部には、連通路１１３が形成されている。連通路１１３は、挿通部１０２ａの軸線方向一端部（図２において右端部）に第１の開口１１３ａを有し、ロッド１０２ｂの外周部に第２及び第３の開口１１３ｂ、１１３ｃを夫々有している。連通路１１３は、第１の開口１１１３ａと第２及び第３の開口１１３ｂ、１１３ｃを繋ぎ、背圧力室１１４と圧力室１１５とを連通している。圧力室１１５は、制御弁４の弁通路１６に繋がっているので、背圧力室１１４は、連通路１１３により制御弁４の弁通路１６に連通することになる。
【００２８】
次に、制御弁４の構成について説明する。
【００２９】
制御弁４のハウジング１０には、一次ポート１１、弁室１８、通路１６、二次ポート１２、均圧通路１７、バネ室１９、弁ポート２０、ソレノイド１００が一体的に形成されている。
【００３０】
弁室１８は、一次ポート１１を介して高圧配管３Ａと連通しており、また、通路１６及び二次ポート１２を介して低圧配管３Ｂと連通している。
【００３１】
均圧通路１７は通路１６が分岐したもので、通路１６とバネ室１９とを連通している。
【００３２】
一次ポート１１には高圧配管３Ａが、二次ポート１２には低圧配管３Ｂが、それぞれ接続される。
【００３３】
弁室１８の内部には、弁室１８と通路１６との連通状態を制御するための弁体１３が配置されている。弁体１３は、通路１６の弁室１８側端部に設けたシート部１６Ａに沿うテーパ部を有する。
【００３４】
弁体１３には、シャフト１４が一体に形成されており、シャフト１４が弁ポート２０内を進退可能に配置されている。シャフト１４はソレノイド１００のプランジャロッドを兼ねており、通電される電流の大きさに応じて図中左右方向に移動し、電源オフ時には弁体１３のテーパ面とシート部１６Ａとが密着して、弁室１８と通路１６の連通を遮断する。一方、弁室１８とバネ室１９との連通は、後述するシール部材３０により遮断されている。
【００３５】
バネ室１９にはバネ１５が配置されている。バネ１５の弾性力は、弁体１３を通路１６側方向へ押圧するように作用する。
【００３６】
また、弁体１３にかかる一次側圧力影響を低減するために、弁体１３のシート径、つまりシート部１６Ａの弁室１８側端部の径Ｄ２は、弁体１３の摺動シール径Ｄ１と同等としている。
【００３７】
上記のような構成によれば、弁体１３が開くと、高圧配管３Ａから一次ポート１１を介して弁室１８に流入した水素は、通路１６及び二次ポート１２を介して低圧配管３Ｂへと流れる。低圧配管３Ｂへの流量は、弁体１３の前後差圧に応じて弁体１３とシート部１６Ａとの位置関係により定まり、その位置関係は弁体１３を移動させるための電磁力により定まる。つまり、弁体１３のストローク量は電磁力を変更することで制御できる。
【００３８】
図３は、図２のシール部材３０付近の拡大図である。シール部材３０は、シャフト１４の外周に設けられた溝状の凹部１４Ａに収められた、Ｏリングである。なお、断面形状がＤ字状のいわゆるＤリングであっても構わない。
【００３９】
このシール部材３０が、凹部１４Ａの底面と弁ポート２０の内周面とに押圧されて潰れることによって、弁室１８とバネ室１９との間のシール性を確保している。
【００４０】
ところで、図１に示す燃料供給システム４０のように、水素タンク２から供給される水素ガスを、制御弁４のみで燃料電池スタック１へ供給する圧力まで減圧する構成では、シール部材３０には、高圧環境でのシール性が要求される。すなわち、水素タンク２内の水素貯蔵量が多いほど一次ポート１１内の圧力は高くなるので、このような高圧環境でも弁室１８とバネ室１９との連通を確実に遮断しうるシール性能が要求される。
【００４１】
また、水素タンク２内の水素貯蔵量が少なくなるほど一次ポート１１内の圧力は低くなり、圧力を調整するための弁体１３の移動量が大きくなる。このため、圧力制御の精度を高めるために、シール部材３０にはより低い摺動抵抗が要求される。
【００４２】
しかし、高いシール性と低い摺動抵抗は相反する性能である。シール性を優先すると摺動抵抗が大きくなり摺動性が悪化し、摺動する際の摩耗量も大きくなる。摩耗が進めばシール性が悪化する。そして、このようなシール性の悪化は、弁体１３の作動回数が多くなるほど顕著になる。
【００４３】
この点、従来のように水素タンク２から燃料電池スタック１までに複数の減圧弁を介して多段階で減圧するシステムであれば、上記のような問題を軽減できる。つまり、高圧側にはシール性を優先したシール部材を、低圧側には摺動性を優先したシール部材を使用することができる。また、複数の減圧弁を使用することで各減圧弁の作動回数を抑えることができるので、摩耗の問題も解消できる。
【００４４】
これに対して、一つの制御弁４のみで減圧する場合には、一つのシール部材３０で高いシール性と低い摺動抵抗を両立させる必要がある。さらに、制御弁４の作動回数が複数の減圧弁を用いる場合に比べて多くなるので、摩耗の問題も解決する必要がある。
【００４５】
そこで、本実施形態では、制御弁４及びシール部材３０を以下に説明するような構成とする。
【００４６】
図４は、シール部材３０の静止摩擦力特性及び弁体１３のストローク特性を示す図である。縦軸は弁体１３のストローク、横軸は一次圧、つまり圧力センサ７で検出する水素タンク２内の圧力を示している。図中の実線Ａは、弁体１３のストローク特性の例を示している。
【００４７】
図中の破線Ｆ（以下、静止摩擦力線Ｆという）は、当該一次圧において弁体１３を移動させた場合に、シール部材３０が摺動しない最大ストロークを示している。静止摩擦力線Ｆは、一次圧が低くなるほど静止摩擦力が小さくなっている。つまり、一次圧が低くなるほど摺動抵抗が低下する。
【００４８】
弁体１３のストロークが図４における静止摩擦力線Ｆより下側の領域（以下、弾性領域という）であれば、シール部材３０と弁ポート２０の接触部は移動せず、シール部材３０は弾性変形のみで弁体１３の動きに追従する。一方、弁体１３のストロークが図４における静止摩擦力線Ｆより上側の領域（以下、摺動領域という）であれば、シール部材３０と弁ポート２０の接触部が移動する。
【００４９】
静止摩擦力線Ｆは、シール部材３０の設計、つまり、硬さ、サイズ、初期の潰し代、材質等に依存する。
【００５０】
例えば、シール部材３０がＯリングの場合には、式（１）が成立する場合にシール部材３０が弾性領域で弾性変形する。
【００５１】
摩擦係数×（π×Ｏリング外径）×（Ｏリング線径）×入口圧＞ストローク×弾性係数      ・・・（１）
【００５２】
ただし、摩擦係数は弁ポート２０の摺動面の摩擦係数、入口圧は一次ポート１１の圧力、弾性係数はシール部材３０の弾性係数である。
【００５３】
弁体１３のストローク特性は、弁体１３及びシート部１６Ａの形状、そして弁体１３を作動させるためのキャリア周波数等に依存する。
【００５４】
二次ポート１２内の圧力を目標値にするために二次ポート１２に流入させる水素の流量（以下、目標水素流量という）は、流路断面積と弁体１３の開弁時間と開弁回数との積で求まる。
【００５５】
流路断面積は弁体１３とシート部１６Ａの隙間の面積であり、ストロークの関数となる。どの程度ストロークさせると流路断面積がどの程度になるかは、弁体１３及びシート部１６Ａの設計による。
【００５６】
開弁回数は、キャリア周波数が低いほど少なくなり、キャリア周波数が高いほど多くなる。開弁時間はキャリア周波数、つまり開弁回数と、流路断面積とに依存する。例えば、開弁回数が少ないほど、または流路断面積が小さいほど、目標水素流量を達成するために必要な開弁時間は長くなる。弁体１３が追従できないキャリア周波数領域では、開弁回数ではなく弁体１３のストロークで決まる流路断面積のみに依存する。よって、開弁時間にも関係しないで流路断面積のみに依存する。
【００５７】
そこで、弁体１３のストローク特性が実線Ａ（以下、ストローク特性線Ａという）になるように弁体１３、シート部１６Ａ及びキャリア周波数を設定する。
【００５８】
なお、ストローク特性線Ａは定格出力時のストローク特性を示している。したがって、一定速度での走行時やアイドル時のように負荷が小さく、燃料電池スタック１への水素供給量が定格出力時より少ない場合には、ストローク特性線Ａより小さなストロークになる。
【００５９】
ストローク特性線Ａ及び静止摩擦力線Ｆを図４のように設定すると、一次圧がストローク特性線Ａと静止摩擦力線Ｆの交点であるＰＡ１以上であれば、シール部材３０は摺動しない。一方、一次圧がＰＡ１より低い場合には、ストロークが静止摩擦力線Ｆを超えるときにはシール部材３０は摺動し、超えないときにはシール部材３０は摺動しない。なお、本実施形態ではキャリア周波数は一定とする。
【００６０】
上述したように、一次圧が高い領域では、弁体１３が動いたときにシール部材３０は弾性変形するだけで摺動はしない。摺動しないことによってシール部材３０の摩耗を抑制できるので、シール性に優れる材質を用いてシール性を確保しつつ、耐久性を向上させることができる。
【００６１】
一方、摺動抵抗が相対的に低い領域ではシール部材３０は摺動するが、シール部材３０の摩耗は高圧下で摺動する場合に比べて少ないので、耐久性の低下を抑制することができる。また、弁体１３の制御電流を変化させると二次ポート圧にはヒステリシスが生じるが、ストロークが摺動領域のときは弾性領域のときよりもヒステリシスが小さいことが実験からわかっている。ヒステリシスが小さければ、当然、制御精度が高まる。
【００６２】
つまり、一次圧が低い領域でシール部材３０を摺動させることで、弁体１３の制御精度を向上させ、結果的に水素供給量の制御精度を向上させることができる。さらに、摺動することによるシール部材３０の摩耗を抑制することもできる。
【００６３】
静止摩擦力線Ｆ及びストローク特性線Ａの設定は、燃料供給システム４０の使われ方に基づいて行う。例えば、燃料供給システム４０に要求される耐用年数はどの程度なのか、燃料供給システム４０を搭載した車両がどのような一次圧で走行する機会が多いのか、どの程度の一次圧になったら摺動による摩耗より制御精度の向上を優先すべきなのか等を勘案して設定する。なお、低圧下での制御精度向上のために、一次圧がＰＡ１より低い領域では、アイドル時であってもストロークが静止摩擦力線Ｆ以上となるように設定する。
【００６４】
以上のように、弁体１３が少なくとも一次圧が高圧側の領域に弾性領域を有し、少なくとも一次圧が低圧側の領域に摺動領域を有するストローク特性で進退動する。これにより、水素タンク２から燃料電池スタック１までの間に制御弁４が一つしかない場合でも、高圧下でのシール性と低圧下での水素供給量の制御精度を両立することができる。
【００６５】
また、一次圧がＰＡ１以上の領域を弾性領域とすることで、全ての領域で摺動する場合に比べてシール部材３０の摩耗を抑制することができる。
【００６６】
図７は、本実施形態でコントローラ６が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００６７】
コントローラ６は、ステップＳ１０１で前述の通りＰＡ１の値を設定し、ステップＳ１０２で一次圧Ｐｘを測定する。ステップＳ１０３で一次圧ＰｘとＰＡ１とを比較し、一次圧ＰｘがＰＡ１以上の場合はステップＳ１０４の処理を実行し、一次圧ＰｘがＰＡ１を超えない場合はステップＳ１０５の処理を実行する。
【００６８】
ステップＳ１０４で、コントローラ６は、弾性領域で制御弁４を制御することを決定する。この領域では、制御弁４のストロークを制御することになる。
【００６９】
ステップＳ１０５で、コントローラ６は摺動領域で制御弁４を制御することを決定する。摺動領域では、制御弁４の開弁時間を制御することになる。
【００７０】
ステップＳ１０６で、コントローラ６は、ステップＳ１０４またはＳ１０５で決定した制御方式で制御弁４を制御する。
【００７１】
なお、一次圧ＰｘがＰＡ１を超えない領域でステップＳ１０４と同様にストロークを制御したとしても、水素供給量によっては制御弁４のストロークが大きくなり、摺動領域に入る場合がある。つまり、一次圧Ｐｘによらずストロークを制御するようにしても、ストロークが小さければ弾性領域での制御となり、ストロークが大きければ摺動領域での制御となり、所望の制御状態となる。よって、一次圧Ｐｘに応じて制御方式を切り換えず、常にストロークを制御するようにしてもよい。
【００７２】
（第２実施形態）
第２実施形態は、燃料供給システム４０や制御弁４の基本的な構成については第１実施形態と同様である。第１実施形態との相違点は、シール部材３０の摺動・非摺動の切り替えの判定に用いる一次圧と、静止摩擦力線Ｆ、ストローク特性線Ａとの関係である。なお、本実施形態でもキャリア周波数は一定とする。ただし、一次圧が後述するＰＡ２以下の領域において、ストロークを最大またはこれに近い値に設定可能なキャリア周波数とする。
【００７３】
図５は、シール部材３０の静止摩擦力特性及び弁体１３のストローク特性を図４と同様に示す図である。静止摩擦力線Ｆは第１実施形態と同様である。
【００７４】
ストローク特性線Ａも基本的には第１実施形態と同様に設定する。しかし、一次圧がＰＡ２より低い領域では、切り替え手段としてのコントローラ６により開弁時間を制御することで、摺動領域のストロークにする。
【００７５】
図８は、本実施形態でコントローラ６が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００７６】
コントローラ６は、ステップＳ２０１で後述するＰＡ２の値を設定し、ステップＳ２０２で一次圧Ｐｘを測定する。ステップＳ２０３で一次圧ＰｘとＰＡ２とを比較し、一次圧ＰｘがＰＡ２以上の場合はステップＳ２０４の処理を実行し、一次圧Ｐｘの方が低い場合はステップＳ２０５の処理を実行する。
【００７７】
ステップＳ２０４では、弾性領域で制御弁４を制御することを決定する。この領域では、制御弁４のストロークを制御することになる。ステップＳ２０５では、摺動領域で制御弁４を制御することを決定する。この領域では、制御弁４の開弁時間を制御することになる。そして、ステップＳ２０６で、ステップＳ２０４またはステップＳ２０５で決定した制御方式で制御弁４を制御する。つまり、一次圧ＰｘがＰＡ２より低い領域では、シール部材３０は負荷の大きさによらず摺動する。
【００７８】
水素供給量は、前述した通りストロークと開弁時間と開弁回数の積で表されるので、キャリア周波数が一定、つまり開弁回数が一定の場合には、開弁時間とストロークによって決まる。そこで、ストロークを摺動領域の大きさに固定して、目標水素流量を達成できるよう開弁時間を制御する。前述したように、シール部材３０が摺動することで制御精度が向上する。
【００７９】
一次圧ＰＡ２は、例えば水素タンク２内の水素量が残り少ないことを警告する水素残量警告灯が点灯する一次圧に設定する。７０ＭＰａタンクの場合には、８−１０ＭＰａ程度とする。
【００８０】
水素タンク２に残っている水素量に基づく予想走行可能距離は、運転者が水素補給をするか否かを決定する際の判断材料となる。特に、水素残量警告灯が点灯した状態では、走行不能になる前に水素補給するために、予想走行可能距離の予測精度は高いことが望まれる。
【００８１】
また、水素タンク２内に水素が無くなると燃料電池システムは停止するが、停止するか否かの判定に用いる閾値は、圧力センサの検出誤差や水素供給量の誤差があっても、水素が供給されない状態で運転することを確実に回避できるよう設定する。このため、実際にはタンク内に水素が残っているにもかかわらずシステムを停止することになる。この場合にタンク内に残っている水素量（以下、無効残量という）が多くなるほど車両の走行可能距離が短くなるので、無効残量はより少ない方が望ましい。したがって、燃料電池システムを停止するか否かの判定を行う領域では、水素供給量の制御精度はより高いことが望まれる。
【００８２】
すなわち、水素残量警告灯が点灯する領域は、走行可能距離の予測やシステム停止の判定等のために高精度の水素供給量制御が特に望まれる領域であり、シール部材３０を摺動させることで制御精度を向上させる効果が大きい。そこで、水素残量警告灯が点灯する領域では、仮にストローク特性上は弾性領域であっても、摺動領域となるように開弁時間を制御する。
【００８３】
なお、一次圧がＰＡ２より低い領域でのストロークを機構上可能な最大値にすれば、水素供給量の調整量あたりのストローク量が大きくなるので、制御精度をより高めることができる。
【００８４】
また、上記説明では一次圧ＰＡ２を水素残量警告灯が点灯する一次圧としたが、これに限られるわけではない。例えば、第１実施形態の一次圧ＰＡ１と同じ一次圧としてもよい。
【００８５】
以上のように、一次圧がＰＡ２より低い領域では、弁体１３のストロークを摺動領域まで増大させるので、低圧下での制御精度をより高めることができる。
【００８６】
また、弁体１３の開弁時間を短縮することによって弁体のストロークを増大させるので、ストロークを増大しつつ水素供給量を確保することができる。
【００８７】
一次圧ＰＡ２は、水素タンク２内の水素残量が少ないことを運転者に警告する水素残量警告灯が点灯する内圧力なので、より高い制御精度が要求される領域で、その要求に応えることができる。
【００８８】
（第３実施形態）
第３実施形態は、燃料供給システム４０や制御弁４の基本的な構成については第１実施形態と同様である。第１実施形態との相違点は、シール部材３０の摺動・非摺動の切り替え制御の内容である。
【００８９】
図６は、一次圧とキャリア周波数との関係を示す図である。縦軸がキャリア周波数、横軸が一次圧である。一次圧がＰＡ３以下の領域ではキャリア周波数はＨ１、ＰＡ３より高い領域ではキャリア周波数はＨ１より高いＨ２となっている。このようなキャリア周波数の制御は、切り替え手段としてのコントローラ６が行う。弁体１３の開時間はキャリア周波数が変化しても一定とする。
【００９０】
一次圧ＰＡ３は、第２実施形態と同様に、水素残量警告灯が点灯する圧力とする。例えば１０ＭＰａ程度に設定する。
【００９１】
キャリア周波数Ｈ１は、弁体１３が制御電流のＯＮ−ＯＦＦ切り替えに追従して作動することができる大きさ、例えば１００Ｈｚに設定する。なお、キャリア周波数Ｈ１のときにシール部材３０のストロークが摺動領域となるように、シール部材３０や弁体１３等を設計する。
【００９２】
すなわち、キャリア周波数Ｈ１の場合には、弁体１３は制御電流のＯＮ−ＯＦＦに応じて開閉動作し、このときシール部材３０は摺動する。したがって、シール部材３０が摺動しない場合に比べて、制御電流を変化させた場合の弁体１３の開度変化のヒステリシスが小さくなり、制御精度が高くなる。
【００９３】
一方、キャリア周波数Ｈ２は、弁体１３が制御電流のＯＮ−ＯＦＦ切り替えに追従して作動することができない大きさ、例えば５００Ｈｚに設定する。このようなキャリア周波数Ｈ２では、制御電流のＯＮ−ＯＦＦ切り替えが速いために、一定の大きさの電流が流れ続けているのと同等の状態になる。そして、弁体１３はその電流の大きさに応じた開度で停止する。すなわち、キャリア周波数Ｈ２の場合には、シール部材３０は摺動しない。したがって、シール部材３０の摩耗を抑制することができる。
【００９４】
コントローラ６は、水素タンク２が満充填の状態ではキャリア周波数をＨ２とし、水素の減少により一次圧がＰＡ３まで低下したら、キャリア周波数をＨ１に切り替える。
【００９５】
図９は、本実施形態でコントローラ６が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
【００９６】
コントローラ６は、ステップＳ３０１で後述するＰＡ３の値を設定し、ステップＳ３０２で一次圧Ｐｘを測定する。ステップＳ３０３で一次圧ＰｘとＰＡ３とを比較し、一次圧ＰｘがＰＡ３以上の場合はステップＳ３０４の処理を実行し、一次圧Ｐｘの方が低い場合はステップＳ３０５の処理を実行する。
【００９７】
ステップＳ３０４では、キャリア周波数を高い側のＨ２に設定することで、弾性領域で制御弁４を制御することを決定する。この領域では、制御弁４のストロークを制御することになる。ステップＳ３０５では、キャリア周波数を低い側のＨ１に設定することで、摺動領域で制御弁４を制御することを決定する。この領域では、制御弁４の開弁時間を制御することになる。そして、ステップＳ３０６で、ステップＳ３０４またはステップＳ３０５で決定したキャリア周波数で制御弁４を制御する。なお、高い側のキャリア周波数Ｈ２は、２００Ｈｚ以上であることが望ましく、低い側のキャリア周波数Ｈ１は、１００Ｈｚ以下であることが望ましい。これにより、相対的に高圧の領域ではシール部材３０は摺動せず、相対的に低圧、例えば水素残量警告灯が点灯する領域では、シール部材３０は摺動する。
【００９８】
したがって、本実施形態においても、高圧下でのシール性と低圧下での制御精度を両立することができる。
【００９９】
以上のように、キャリア周波数を低下させることによって弁体１３のストロークを増大させるので、ストロークを増大しつつ水素供給量を確保することができる。
【０１００】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１０１】
１    燃料電池スタック
２    水素タンク
３    水素供給通路
４    制御弁
５    開閉弁
６    コントローラ
７    圧力センサ
８    圧力センサ
１０  ハウジング
１１  一次ポート
１２  二次ポート
１３  弁体
１４  シャフト
１５  バネ
１６  通路
１７  均圧通路
１８  弁室
１９  バネ室
２０  弁ポート
３０  シール部材
４０  燃料供給システム
１００  ソレノイド
１０１  ソレノイドコイル
１０２  可動部材
１０３  軸受部材
１０４  ケーシング
１０５  ボビン
１０６  コイル
１０７  ヨーク
１０８  ガイド部材
１０９  圧縮コイルばね
１１０  間隙
１１１  第１のダイアフラム
１１２  第２のダイアフラム
１１３  連通路
１１４  背圧力室
１１５  圧力室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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