(57)【要約】【課題】経年劣化により開弁動作または当該開弁時の状況が不十分となるのを抑制する。【解決手段】ソレノイド５０と、該ソレノイド５０により電磁的に駆動されて流体の流路２２を開閉する弁体５２とを備える電磁弁２６に、閉弁時における弁体５２の位置を検出する位置検出手段６０が設ける。弁体５２の位置検出結果に基づいてソレノイド５０に対する電流値を制御する制御装置が併設されていることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソレノイドと、該ソレノイドにより電磁的に駆動されて流体の流路を開閉する弁体とを備える電磁弁であって、
閉弁時における前記弁体の位置を検出する位置検出手段が設けられている
ことを特徴とする電磁弁。
【請求項２】
前記弁体の位置検出結果に基づいて前記ソレノイドに対する電流値を制御する制御装置が併設されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁弁。
【請求項３】
燃料ガスおよび酸化ガスの化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池へ供給される前記燃料ガスが充填された燃料タンクとを搭載した燃料電池システムにおける前記燃料タンクの遮断弁として適用されている請求項１または２に記載の電磁弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁弁に関する。さらに詳述すると、本発明は、ガス等の流体の供給流量を制御するための電磁弁の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、高圧の水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと送り込むための燃料供給流路が設けられている。また、当該水素タンクや燃料供給流路には、燃料ガス（水素ガス）の供給を遮断しまたは許容する遮断弁として例えば電磁弁が設けられている（例えば特許文献１〜３参照）。かかる電磁弁は、燃料ガスの供給圧を一定レベルまで低減させるべく正確に動作するものであることが要求される。
【特許文献１】特開平９−４７４６号公報
【特許文献２】特開２００１−１７３４６８号公報
【特許文献３】特開２０００−２４８９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、経年劣化により、上述のような電磁弁における開弁動作または当該開弁時の状況が不十分となることがある。
【０００４】
そこで、本発明は、経年劣化により開弁動作または当該開弁時の状況が不十分となるのを抑制した電磁弁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】
【０００５】
このような電磁弁においては、ストロークする弁体が密接する弁座が例えば樹脂シートで構成されていることがあるが、当該樹脂シートが経年により劣化して弾力が弱化した状態（へたった状態）となることがある。そうすると、弁体とコイルとの距離（隙間）が増えることになるから、開弁時に弁体をストロークさせる際の吸引力が不十分となることが起こりうる。
【０００６】
本発明はかかる着眼とさらなる検討により得られた知見に基づくものであり、ソレノイドと、該ソレノイドにより電磁的に駆動されて流体の流路を開閉する弁体とを備える電磁弁であって、閉弁時における前記弁体の位置を検出する位置検出手段が設けられているというものである。
【０００７】
経年劣化により弁座（例えば樹脂シート）にへたりが生じていると、閉弁時の弁体は当該へたりの分だけ弁座寄りに押し付けられて位置することになり、この場合にはソレノイドのコイルと当該弁体との距離（隙間）が当初よりも増加した状態となる。そうすると、通常と同じ電磁力では弁体の吸引力が十分でないおそれがある。この点、本発明においては位置検出手段により閉弁時の弁体位置を検出することを可能としているから、この検出結果に基づいて弁体とコイルとの隙間（ひいては弁体のストローク量）が当初よりも増加しているかどうかを判定することが可能である。この結果、弁体とコイルとの隙間が増加しているのであれば、電磁力を制御して通常よりも大きな吸引力を作用させることができるから、開弁動作または当該開弁時の状況が不十分となるような事態を抑制することが可能である。
【０００８】
このような電磁弁には、前記弁体の位置検出結果に基づいて前記ソレノイドに対する電流値を制御する制御装置が併設されていることが好ましい。
【０００９】
上述のごとき電磁弁は、燃料ガスおよび酸化ガスの化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池へ供給される前記燃料ガスが充填された燃料タンクとを搭載した燃料電池システムにおける前記燃料タンクの遮断弁として好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、経年劣化により開弁動作または当該開弁時の状況が不十分となるのを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１〜図２に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる電磁弁は、閉弁時における弁体の位置を検出する位置検出手段が設けられているものであり、例えば燃料電池システムにおける高圧燃料タンクの遮断弁等として好適なものである。そこで、以下においては、まず燃料電池２などによって構成される燃料電池システム１の全体構成について説明し、その後、この燃料電池システム１における高圧の燃料タンク２１の遮断弁として適用された場合の電磁弁の具体的な構成について説明することとする。
【００１３】
図１に燃料電池車両Ｖに搭載されている燃料電池システム１の概略構成を示す。なお、ここでは燃料電池システム１を燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）Ｖの車載発電システムとして用いる例を示すが、かかる燃料電池システム１は各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システムとしても用いることが可能である。
【００１４】
本実施形態における燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して当該燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００１５】
燃料電池２は例えば高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有した構造となっている。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、さらにこれら各反応ガスが化学反応を生じることによって電力が発生する。この燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。
【００１６】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。また、排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００１７】
燃料ガス配管系４は、水素供給源としての燃料タンク２１と、燃料タンク２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。
【００１８】
燃料タンク２１は例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成されて本実施形態における燃料電池車両Ｖに複数搭載されているものであり、例えば３５ＭＰａまたは７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、燃料タンク２１から水素供給流路２２へと水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧され、燃料電池２に供給される。なお、本実施形態ではこのような燃料タンク２１を水素供給源としているが、この他、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、によって水素供給源を構成することも可能である。
【００１９】
水素供給流路２２には、燃料タンク２１からの水素ガスの供給を遮断または許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。さらに、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力および温度を検出する圧力センサおよび温度センサ（図示省略）が設けられている。圧力センサ２９等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に関する情報は、後述するインジェクタ２８のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。
【００２０】
レギュレータ２７は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。
【００２１】
インジェクタ２８は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。例えば本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階、多段階、または無段階に切り替えることができるようになっている。さらに、制御部７から出力される制御信号によって、インジェクタ２８のガス噴射時間およびガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量および圧力が高精度に制御される。このように、インジェクタ２８は、弁（弁体および弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
【００２２】
なお、インジェクタ２８の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２８の下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ２８の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。
【００２３】
本実施形態においては、このようなインジェクタ２８を、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側に配置している（図１参照）。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の燃料タンク２１が用いられている場合には、これら燃料タンク２１から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側に当該インジェクタ２８を配置するようにする。
【００２４】
循環流路２３には、気液分離器３０および排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御部７の指令を受けて作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。この排気排水弁３１を開放すると、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁３１の上流位置（循環流路２３上）および下流位置（排気排水流路２５上）には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ３２および下流側圧力センサ３３が設けられている。
【００２５】
また、特に詳しく図示していないが、排気排水弁３１および排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、希釈器（図示省略）によって希釈されて排気流路１２内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、モータ（図示省略）の駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。
【００２６】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、燃料電池２から排出される冷媒の温度を検出する温度センサ４４と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ（図示省略）の駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。温度センサ４４で検出された冷媒の温度（＝燃料電池２から排出される水素オフガスの温度）は、後述するパージ制御に用いられる。
【００２７】
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。このような高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００２８】
バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両Ｖの主動力源を構成する。
【００２９】
補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２またはバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。
【００３０】
制御部７は、車両Ｖに設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置には、トラクションモータ６４のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両Ｖの走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置が含まれうる。
【００３１】
このような制御部７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェースおよびディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することによりフィードバック制御やパージ制御など種々の処理や制御を行う。
【００３２】
続いて、以上のような燃料電池システム１における電磁弁の具体的な構成について説明する（図２参照）。上述したように遮断弁２６として適用されているものであり（以下、電磁弁２６ともいう）、ソレノイド５０と、該ソレノイド５０により電磁的に駆動されて流体の流路を開閉する弁体５２とを備えている。
【００３３】
本実施形態の電磁弁２６は、水素ガスを高圧側から低圧側に導く筐体５１と、この筐体５１に対して軸線方向（流体流れ方向）に移動可能に収容保持され水素供給流路２２を開閉する弁体５２と、該弁体５２が密着する弁座５５とを備えている。電磁弁２６の弁体５２は、当該弁体５２よりも上流側に隙間ｇを隔てて設けられたコイル５３により駆動されるプランジャの先端部に構成されており、軸線方向にストロークして水素供給流路２２を開閉する。このプランジャ（弁体５２を含む）とコイル５３はいわゆるソレノイドバルブ（弁の開閉を電磁石への電流切替によって行うタイプのバルブ）を構成している。このような電磁弁２６によれば、コイル５３に給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより開弁状態と閉弁状態とを切り替えることができる。
【００３４】
また、弁体５２は、コイル５３との間に設けられたバネ５６により弁座５５に対して付勢されており、コイル５３に通電していない状態では弁座５５に密着して弁を閉じた状態とする。本実施形態では、当該弁座５５のうち少なくともこの弁体５２と接触する部位に樹脂シート５４を用い、弁体５２によって弁が確実に閉じた状態となるようにしている。
【００３５】
さらに、本実施形態の遮断弁２６には、弁体５２の位置を検出する手段として変位計６０が設けられている（図２参照）。この変位計６０は例えばコイル５３の外周部に設けられており、弁体５２の位置を検出し、当該弁体５２とコイル５３との間の距離を求めること、さらには弁体５２のストローク量を求めることを可能としている。変位計６０による検出結果は、例えば弁体５２の位置変化、弁体５２とコイル５３の距離増加、弁体５２のストローク量増加等の情報として制御部７に送信される。制御部７は、当該検出結果に基づきコイル５３への通電量を適宜制御する。
【００３６】
ここで、樹脂シート５４が経年変化して弾力が弱化した状態（へたった状態）になると、閉弁時における弁体５２とコイル５３との隙間ｇが増加する。本実施形態では、この場合の当該弁体５２の位置変化を変位計６０により検出したら、開弁時においては通常時を超える適度な量の電流をコイル５３に通電する。こうした場合、弁体５２を十分に吸引することが可能となるから、当該電磁弁２６における開弁動作または当該開弁時の状況が不十分となる事態を回避することができる。したがって、仮に樹脂シート５４の弾力が弱化した状態にあっても水素供給流路２２が通常と同等に開いて燃料ガスの流量を確保することが可能である。
【００３７】
また、弁体５２とコイル５３との隙間ｇが増加していない初期段階（樹脂シート５４に大きな経年劣化が生じていない段階）においては、コイル５３への通電量を大きくせずとも弁体５２を十分に吸引して開弁動作や開弁時の状況を十分ならしめることが可能である。この点、変位計６０を備えた本実施形態の電磁弁２６によれば、このような初期段階においては通電量を必要十分量に抑えることによってエネルギー消費を抑え、効率を向上させることができるという点も好適である。
【００３８】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では弁座５５に樹脂シート５４を設けた場合について説明したが、かかる樹脂シート５４は適度な弾力を有する部材の好適な一例に過ぎず、弾力が経年劣化しうるこの他の弾性部材が用いられている場合であっても本発明を適用することが当然に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明にかかる電磁弁を用いた燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図２】電磁弁の構成例を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御装置（燃料電池システムの制御部）、２１…燃料タンク、２２…水素供給流路（流体の流路）、２６…遮断弁（電磁弁）、５０…ソレノイド、５２…弁体、６０…変位計（位置検出手段）
【図１】
2008196596.tif 000003
【図２】
2008196596.tif 000004