(57)【要約】【課題】タンクに直接取り付けられるタンク弁の小型・軽量化を図る。【解決手段】主止弁１０は、一部を水素タンク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１１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２７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、第１通路１５内の圧力と、スプリング２７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。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部をタンクの内部に挿入され該タンクに固定されるボディと、
前記ボディ内に形成され前記タンクの内部に通じる第１通路と、
前記ボディ内に形成され前記タンクの外部に通じる第２通路と、
前記第１通路と前記第２通路との間に配置されてこれら通路を連通遮断するメインバルブと、
前記メインバルブを閉弁方向に付勢するスプリングと、
前記タンクの内部に通じて前記メインバルブに閉弁方向の流体圧力を付与する背圧室と、
前記第２通路と前記背圧室とを連通する第３通路と、
前記第３通路上に配置され前記背圧室内の圧力を調圧可能なインジェクタと、
を備え、前記第１通路内の圧力と、前記スプリングの弾性力と、前記インジェクタにより調圧された前記背圧室内の圧力と、前記第２通路内の圧力を用いて前記メインバルブを開閉することを特徴とするインジェクタ付きタンク弁。
【請求項２】
前記インジェクタは、アクチュエータ部と流体吐出部とを備え、前記ボディにおいて前記タンクの内部を臨む端部に配置され、前記流体吐出部は前記ボディの内方に向けて配置され、前記アクチュエータ部は前記タンクの内方に向けて配置されることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ付きタンク弁。
【請求項３】
前記インジェクタは、アクチュエータ部と流体吐出部とを備え、前記ボディにおいて前記タンクの外部を臨む端部に配置され、前記流体吐出部は前記ボディの内方に向けて配置され、前記アクチュエータ部は前記タンクの外方に向けて配置されることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ付きタンク弁。
【請求項４】
燃料電池と、この燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンクのタンク内圧力を検出するタンク圧センサと、制御部とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料タンクに前記請求項１に記載のインジェクタ付きタンク弁が設置され、
前記制御部は、前記燃料電池の要求発電量と前記タンク圧センサにより検出されたタンク内圧力とから、予め設定された要求発電量とタンク内圧力と前記インジェクタのデューティ比との関係値を用いて、前記インジェクタのデューティ比を決定し、該デューティ比で前記インジェクタをデューティ比制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を計測する流量センサをさらに備え、
前記制御部は、前記燃料電池の要求発電量から求められた要求ガス流量と、前記流量センサにより計測された実ガス流量との差に基づいて前記インジェクタのデューティ比を補正してフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、タンクに直接設置されるインジェクタ付きタンク弁と、このタンク弁を有する燃料タンクを備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧の燃料タンクから燃料電池に燃料を供給して発電を行う燃料電池システムでは、一般に、燃料タンクの下流に遮断弁とレギュレータを設け、燃料タンクから流出した高圧の燃料ガスをレギュレータで減圧して燃料電池に供給している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、燃料タンクに貯蔵された高圧の燃料ガスの圧力を作動圧として作動するインジェクタを用いて、燃料電池に供給する燃料ガスの流量を燃料電池の要求ガス流量に制御する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１６５１９号公報
【特許文献２】特開２０１０−５４０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、直接インジェクタにより燃料ガスの流量を制御しようとすると、作動圧力が高いため、耐圧の関係からインジェクタの開口面積を大きくすることが困難となり、開口面積を小さくせざるを得ない。ところが、開口面積の小さいインジェクタでは流通可能な燃料ガス流量が少なくなるため、大流量を流すためには多数のインジェクタを並列的に配置しなければならず、インジェクタの設置スペースが大きくなって不利であり、コストアップにもなる。
【０００６】
特に、燃料タンクの口元に直接、インジェクタ付きの口金を取り付ける場合には、複数のインジェクタを備えた口金が大きくなる。その結果、前記口金を取り付けるための開口部である燃料タンクの口元も大きくなって、燃料タンクの耐圧強度を確保するために燃料タンク自体の重量増を招くという課題もある。
【０００７】
そこで、この発明は、インジェクタを用いていながら、小型化が可能なタンク弁と、小型化が可能な燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るインジェクタ付きタンク弁では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、一部をタンク（例えば、後述する実施例における水素タンク２）の内部に挿入され該タンクに固定されるボディ（例えば、後述する実施例におけるボディ１１）と、前記ボディ内に形成され前記タンクの内部に通じる第１通路（例えば、後述する実施例における第１通路１５）と、前記ボディ内に形成され前記タンクの外部に通じる第２通路（例えば、後述する実施例における第２通路１７）と、前記第１通路と前記第２通路との間に配置されてこれら通路を連通遮断するメインバルブ（例えば、後述する実施例におけるメインバルブ１８）と、前記メインバルブを閉弁方向に付勢するスプリング（例えば、後述する実施例におけるスプリング２７）と、前記タンクの内部に通じて前記メインバルブに閉弁方向の流体圧力を付与する背圧室（例えば、後述する実施例における背圧室２５）と、前記第２通路と前記背圧室とを連通する第３通路（例えば、後述する実施例における第３通路２９，２９ａ，２９ｂ）と、前記第３通路上に配置され前記背圧室内の圧力を調圧可能なインジェクタ（例えば、後述する実施例におけるインジェクタ３０）と、を備え、前記第１通路内の圧力と、前記スプリングの弾性力と、前記インジェクタにより調圧された前記背圧室内の圧力と、前記第２通路内の圧力を用いて前記メインバルブを開閉することを特徴とするインジェクタ付きタンク弁（例えば、後述する実施例における主止弁１０）である。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記インジェクタは、アクチュエータ部（例えば、後述する実施例におけるアクチュエータ部３７）と流体吐出部（例えば、後述する実施例における流体吐出部３６）とを備え、前記ボディにおいて前記タンクの内部を臨む端部に配置され、前記流体吐出部は前記ボディの内方に向けて配置され、前記アクチュエータ部は前記タンクの内方に向けて配置されることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記インジェクタは、アクチュエータ部（例えば、後述する実施例におけるアクチュエータ部３７）と流体吐出部（流体吐出部３６）とを備え、前記ボディにおいて前記タンクの外部を臨む端部に配置され、前記流体吐出部は前記ボディの内方に向けて配置され、前記アクチュエータ部は前記タンクの外方に向けて配置されることを特徴とする。
【００１１】
また、この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項４に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、この燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンク（例えば、後述する実施例における水素タンク２）と、前記燃料タンクのタンク内圧力を検出するタンク圧センサ（例えば、後述する実施例におけるタンク圧センサ８）と、制御部（例えば、後述する実施例における制御装置１００）とを備える燃料電池システムであって、前記燃料タンクに前記請求項１に記載のインジェクタ付きタンク弁（例えば、後述する実施例における主止弁１０）が設置され、前記制御部は、前記燃料電池の要求発電量と前記タンク圧センサにより検出されたタンク内圧力とから、予め設定された要求発電量とタンク内圧力と前記インジェクタのデューティ比との関係値を用いて、前記インジェクタのデューティ比を決定し、該デューティ比で前記インジェクタをデューティ比制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記燃料電池に供給される燃料ガスの流量を計測する流量センサ（例えば、後述する実施例における流量センサ４）をさらに備え、前記制御部は、前記燃料電池の要求発電量から求められた要求ガス流量と、前記流量センサにより計測された実ガス流量との差に基づいて前記インジェクタのデューティ比を補正してフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明によれば、インジェクタの作動によりメインバルブを開弁し、メインバルブで要求流量の流通を確保することができる。ここで、インジェクタの作動目的はインジェクタ自身で要求流量を確保するのではなく、背圧室内の圧力を調圧してメインバルブを開弁させることにあるので、高圧の流体圧力で作動するインジェクタが１つで済み、タンク弁を小型・軽量化することができる。また、タンク弁の小型・軽量化により、タンク弁の取付部となるタンクの開口部の内径を小さくすることができるので、タンクの耐圧強度上も有利であり、タンク自体の軽量化を図ることができる。また、インジェクタは背圧室内の圧力を調圧することにより、結果的に第２通路内の圧力を調整する機能があるので、第２通路よりも下流における減圧システムの簡素化が可能となる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、インジェクタのアクチュエータ部にもタンクの内圧を印加させることができるので、アクチュエータ部の耐圧構造付与に伴う大型化を防ぐことができる。
【００１５】
請求項３に係る発明によれば、インジェクタへのアクセスが容易となり、タンクからインジェクタ付きタンク弁を取り外さなくてもインジェクタのメンテナンスが可能となる。また、インジェクタの故障時にその交換を容易に行うことができる。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、インジェクタ付きタンク弁の小型・軽量化、およびインジェクタの調圧機能に伴う下流の減圧システムの簡素化により、燃料電池システムをコンパクトにすることができる。また、インジェクタのデューティ比制御により、要求発電量に応じた燃料ガスの供給を実現することができる。
【００１７】
請求項５に係る発明によれば、要求ガス流量に対する応答性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明に係るインジェクタ付きタンク弁を装着した水素タンクを備える燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】この発明の実施例１におけるインジェクタ付きタンク弁の断面図である。
【図３】インジェクタの流体吐出部の要部拡大断面図である。
【図４】メインバルブの拡大図である。
【図５】タンク圧とインジェクタの出口圧とガス流量の関係を示す図である。
【図６】インジェクタの流量特性図である。
【図７】インジェクタのデューティ比マップの一例である。
【図８】インジェクタのデューティ比のフィードバック制御を示すフローチャートである。
【図９】インジェクタのデューティ比をフィードバック制御した場合の効果を説明する図である。
【図１０】この発明の実施例２におけるインジェクタ付きタンク弁の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明に係るインジェクタ付きタンク弁と、そのタンク弁を装着した水素タンクを備える燃料電池システムの実施例を図１から図１０の図面を参照して説明する。
＜実施例１＞
初めに、この発明のインジェクタ付きタンク弁（以下、タンク弁と略す）と燃料電池システムの実施例１を図１から図９の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池システムの概略構成図であり、この実施例１における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載されて駆動源としてのモータ等に電力を供給する態様である。
図１において符号１は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素が供給されて発電をする燃料電池スタック（燃料電池）を示している。燃料電池スタック１は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。
【００２０】
燃料電池スタック１には、高圧の水素を貯蔵する水素タンク２から水素供給流路３を介して所定圧力および所定流量の水素が供給されるとともに、図示しない空気供給装置を介して酸素を含む空気が所定圧力および所定流量で供給される。
水素タンク２は、長手方向の両端が略半球状の筒状をなし、その長手方向の一端が開口し、この開口部２ａは主止弁（インジェクタ付きタンク弁）１０が取り付けられることで塞がれている。主止弁１０は水素タンク２の内部と水素供給流路３とを連通・遮断する弁であり、主止弁１０については後で詳述する。
【００２１】
水素供給流路３には、その上流側から、減圧弁５、リリーフ弁６、中圧デバイス７が設けられている。水素タンク２から放出される高圧（例えば、３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａ等）の水素は、主止弁１０および減圧弁５によって所定の圧力（例えば、１ＭＰａ以下）に減圧されて中圧デバイス７に供給される。ここで、中圧デバイス７とは、減圧弁５と燃料電池スタック１との間に配置されるデバイスの総称であり、エゼクタ、加湿器などが含まれる。エゼクタは、燃料電池スタック１から排出される水素オフガスを循環利用するために水素オフガスを再び水素供給流路３に戻すデバイスであり、加湿器は燃料電池スタック１に供給される水素を加湿するデバイスである。中圧デバイス７としていずれのデバイスが組み込まれるかは燃料電池システムの全体構成により決定される。
【００２２】
主止弁１０には、水素タンク２内の圧力を検出するタンク圧センサ８が設けられ、水素供給流路３には、減圧弁５とリリーフ弁６との間に圧力センサ９が設けられ、低圧デバイス７と燃料電池スタック１との間には、燃料電池スタック１に供給される水素ガス流量を計測する流量センサ４が設けられている。
これらセンサ４，８，９は検出値に応じた電気信号を制御装置（制御部）１００に出力する。制御装置１００は後述するように主止弁１０のインジェクタ３０のデューティ比制御を行い、燃料電池スタック１に供給する水素ガスの流量または圧力を制御する。
【００２３】
次に、図２および図３を参照して、主止弁１０について詳述する。なお、以下の説明において、上下方向は図２における図中上下方向とし、左右方向は図２における図中左右方向とする。
主止弁１０は、水素タンク２の開口部２ａに固定されるボディ１１を備え、ボディ１１は、水素タンク２の内部に挿入される部分（以下、内装部と称す）１２と、水素タンク２の外部に露出する部分（以下、外装部と称す）１３とを有している。内装部１２は円柱状をなし、水素タンク２の円形の開口部２ａに挿入され固定されている。外装部１３は内装部１２の外径よりも大きい。
【００２４】
ボディ１１の内部には、水素タンク２の内部に通じる第１通路１５と、水素タンク２の外部に通じる第２通路１７とが形成されている。詳述すると、第１通路１５は、内装部１２において水素タンク２の内部中央に向けて配置される端面１４に開口している。第２通路１７は外装部１３の右側端面１３ａに開口し、ここに水素供給流路３が接続される。第１通路１５と第２通路１７との間にこれら通路１５，１７を連通・遮断するメインバルブ１８が設けられている。
【００２５】
メインバルブ１８は、ボディ１１内に形成された円筒状のバルブ室１９と、バルブ室１９内を上下方向に移動可能に収容された弁体２０と、を備えて構成されている。
弁体２０は略円柱状をなし、上面２２が球殻の一部をなす凸曲面に形成されている。弁体２０の外周部には、バルブ室１９の内周面との間にリング状の隙間２８を形成するオリフィスリング２３が取り付けられている。オリフィスリング２３は、バルブ室１９の内周面との間にリング状の隙間２８を保持しながら、弁体２０と一体となってバルブ室１９内を上下方向に移動する。バルブ室１９はオリフィスリング２３によって上下に区画されており、オリフィスリング２３よりも上側は高圧室２４、下側は背圧室２５となっている。高圧室２４と背圧室２５とはリング状の隙間２８によって連通している。
高圧室２４に面するバルブ室１９の天井壁部には第２通路１７の一端が開口し、この開口の周縁は弁体２０の上面が着座離反する弁座２６となっている。
【００２６】
また、弁体２０の上下移動に関わらず常に高圧室２４の内周面となるバルブ室１９の内周面の上端に、第１通路１５の一端が開口している。つまり、第１通路１５は水素タンク２の内部とメインバルブ１８の高圧室２４とを連通しており、弁体２０が弁座２６から離反したときに第１通路１５と第２通路１７がメインバルブ１８を介して連通する。なお、図２では図示を省略するが、前述したタンク圧センサ８は第１通路１５内の水素ガス圧力を検出可能に取り付けられている。水素タンク２内の圧力と第１通路１５内のガス圧力とは等圧であるので、タンク圧センサ８は水素タンク２内の圧力を検出すると言える。
弁体２０は背圧室２５内に配置されたスプリング２７によって弁座２６に接近する方向（換言すると閉弁方向）に付勢されている。
【００２７】
また、ボディ１１内には、背圧室２５と第２通路１７とを接続する第３通路２９が形成されている。第３通路２９は小流量の水素ガスが流れれば十分であるので、第３通路２９の内径は第１通路１５および第２通路１７の内径よりも小径となっている。さらに、ボディ１１には、外装部１３の左側端面１３ｂに開口するインジェクタ取付孔５０がボディ１１の内側に向かって凹設され、第３通路２９に連なっている。
このインジェクタ取付孔５０に、第３通路２９上に配置されて背圧室２５の圧力を調圧可能な電磁駆動式のインジェクタ３０が固定されている。インジェクタ３０は、ボディ３１と、ニードル弁３２と、プランジャ３３と、ソレノイドを構成するコイル３４と、スプリング３５を主要構成としている。
【００２８】
ボディ３１は段付き円筒状をなし、先端側は小径の流体吐出部３６，基部側が大径のアクチュエータ部３７となっていて、流体吐出部３６がインジェクタ取付孔５０における小径孔５０ａに隙間なく挿入され、アクチュエータ部３７がインジェクタ取付孔５０の大径孔５０ｂに隙間なく挿入されている。つまり、インジェクタ３０は、主止弁１０のボディ１１において水素タンク２の外部を臨む外装部１３の端部に配置されており、流体吐出部３６をボディ１１の内方（ボディ１１の内部構造方向）に向け、アクチュエータ部３７を水素タンク２の外方（水素タンク２から外側に離れる方向）に向けて配置されている。
【００２９】
インジェクタ３０のボディ３１には、円筒状の弁室３９と、弁室３９と同心上にその外側に配置されたリング状のコイル収納部４０が形成されている。弁室３９とコイル収納部４０はいずれも、水素タンク２の外部に向けて配置されるボディ３１の端面３８に開口しているが、弁室３９は蓋体４５で封止されている。弁室３９は流体吐出部３６の右端近くまで直線的に延びており、コイル収納部４０はアクチュエータ部３７の右端近くまで直線的に延びている。弁室３９とコイル収納部４０は隔壁４４によって離隔されている。
【００３０】
流体吐出部３６には、その外周部に入口孔４１が、右端部に噴孔４２が形成されており、いずれも弁室３９に連通している。入口孔４１は、インジェクタ３０よりも上流側の第３通路（以下、上流側第３通路という）２９ａを介して背圧室２５に接続されており、噴孔４２は、インジェクタ３０よりも下流側の第３通路（以下、下流側第３通路という）２９ｂを介して第２通路１７に接続されている。図３に示すように、弁室３９は、流体吐出部３６の右端近くに、先端に接近するにしたがって断面縮小するテーパ部４３を備えており、このテーパ部４３の先端が噴孔４２に連なっている。
【００３１】
弁室３９には、直列に連結され一体とされたニードル弁３２とプランジャ３３が左右方向に移動可能に収容されている。図３に示すように、ニードル弁３２の先部には、先端に接近するにしたがって断面縮小するテーパ部４６と、テーパー部４６の先端からさらに前方に突出する棒状のピントル４７とを備えている。ニードル弁３２のテーパ部４６は弁室３９のテーパ部４３に当接離反可能となっており、テーパ部４６がテーパ部４３に当接したときに上流側第３通路２９ａと下流側第３通路２９ｂは遮断され、テーパ部４６がテーパ部４３から離反したときに上流側第３通路２９ａと下流側第３通路２９ｂが連通する。ピントル４７は噴孔４２に隙間を有して挿通されており、ニードル弁３２のテーパ部４６が弁室３９のテーパ部４３に当接したときにピントル４７の先端が噴孔４２から前方に若干突出する。
ニードル弁３２とプランジャ３３は、弁室３９に収容されたスプリング３５によって弁室３９のテーパ部４３に接近する方向（換言すると閉弁方向）に付勢されている。なお、スプリング３５は弁室３９の蓋体４５によって支持されている。
【００３２】
アクチュエータ部３７のコイル収納部４０にはソレノイドを構成するコイル３４が配置されており、コイル３４に電流を流すとプランジャ３３が電磁的吸引力により左方に引き付けられ、ニードル弁３２がテーパ部４３から離反し、上流側第３通路２９ａと下流側第３通路２９ｂが連通する。このとき、水素タンク２の内部と第２通路１７とが、第１通路１５、メインバルブ１８の高圧室２４、リング状の隙間２８、背圧室２５、第３通路２９、インジェクタ３０の弁室３９を介して連通する。
【００３３】
このように構成された主止弁１０の開弁動作を説明する。
閉弁時の主止弁１０は、インジェクタ３０のコイル３４に電流が流れていないので、スプリング３５によって付勢されたインジェクタ３０のニードル弁３２が弁室３９のテーパ部４３に当接し、上流側第３通路２９ａと下流側第３通路２９ｂとの間が遮断される。また、メインバルブ１８もスプリング２７によって付勢されたニードル弁２０が弁座２６に着座して閉じている。このとき、水素タンク２内の圧力が、第１通路１５、メインバルブ１８の高圧室２４、リング状の隙間２８を介して背圧室２５に導通し、さらに上流側第３通路２９ａを介してインジェクタ３０の弁室３９に導通し、これらの領域は水素タンク２内の圧力と同圧となり、高圧となっている。一方、メインバルブ１８とインジェクタ３０が閉弁しているので、下流側第３通路２９ｂと第２通路１７には水素タンク２内の圧力が印加せず、低圧となっている。
【００３４】
この閉弁状態の主止弁１０を開弁するときには、インジェクタ３０のコイル３４に電流を流す。すると、コイル３４への通電により発生する電磁的吸引力により、プランジャ３３とともにニードル弁３２が左方に引き付けられる結果、ニードル弁３２が弁室３９のテーパ部４３から離反し、上流側第３通路２９ａと下流側第３通路２９ｂが連通し、メインバルブ１８の背圧室２５の水素ガスが第３通路２９を通って第２通路１７に排出され、第２通路１７内の圧力が上昇する。一方、背圧室２５内の圧力は第２通路１７への水素ガス流出により低下するが、背圧室２５は、オリフィスリング２３と弁室１９の内周面との間のリング状の隙間２８を介して高圧室２４に連通しているので、水素タンク２に貯留されている水素ガスが第１通路１５、高圧室２４、隙間２８を通って背圧室２５に流れ込み、背圧室２５内の圧力を上昇させる。しかしながら、隙間２８の開口面積は小さいので、背圧室２５の圧力低下分の全てを補充することはできない。その結果、背圧室２５内の圧力Ｐ２は、圧力室２４内の圧力（すなわち、水素タンク２内の圧力）Ｐ１よりも小さく、且つ、第２通路１７内の圧力Ｐ３よりも大きい値となる（Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３）。
【００３５】
そして、この圧力差に基づきメインバルブ１８の弁体２０には、弁体２０を下方へ押す力が作用し、この力がスプリング２７による閉弁方向への付勢力に勝ると、弁体２０が弁座２６から離反し、メインバルブ１８が開弁する。
メインバルブ１８が開弁すると、水素タンク２内の水素ガスは第１通路１５から高圧室２４を介して第２通路１７へと流れていく。なお、メインバルブ１８が開弁したときにメインバルブ１８を流れる水素ガスの流量は、インジェクタ３０を通って背圧室２５から第２通路１７へ流れていく水素ガスの流量よりも極めて大きい。
【００３６】
メインバルブ１８の作動原理について詳述すると、図４に示すように、メインバルブ１８の弁体２０の背圧室２５側の受圧面積をＳ１、弁体２０の第２通路１７内における受圧面積をＳ２とすると、次の式（１）の不等式が成立したときに、メインバルブ１８が開弁する。なお、ＦＳはスプリング２７の弾性力である。
（Ｓ１−Ｓ２）・Ｐ１＋Ｓ２・Ｐ３＞Ｓ１・Ｐ２＋ＦＳ  ・・・  式（１）
【００３７】
そして、弁体２０が弁座２６から離反した後、次の式（２）が成立したところで、弁体２０の開弁方向への移動が停止し、弁体２０のストローク量が決まる。
（Ｓ１−Ｓ２）・Ｐ１＋Ｓ２・Ｐ３＝Ｓ１・Ｐ２＋ＦＳ  ・・・  式（２）
したがって、水素タンク２内の圧力Ｐ１と、背圧室２５内の圧力Ｐ２と、第２通路１７内の圧力Ｐ３によってメインバルブ１８の弁開時のストローク量が決まり、その結果、メインバルブ１８の弁開時の開口面積が決まって、メインバルブ１８を流通する水素ガスの流量が決まることとなる。
【００３８】
ところで、この主止弁１０では、インジェクタ３０のコイル３４への通電をデューティ比制御することによって、背圧室２５の圧力を調整することができる。したがって、インジェクタ３０のコイル３４への通電をデューティ比制御することによって、燃料電池スタック１への水素ガスの供給量を制御することが可能となる。
例えば、燃料電池スタック１への水素ガスの供給量が少なくてよい場合、換言すると水素ガスの消費量が小さい場合には、インジェクタ３０のデューティ比を低く制御することで、背圧室２５の圧力Ｐ２を水素タンク２内の圧力Ｐ１に近い値とし、メインバルブ１８の開弁ストロークを小さくして（ゼロも含む）、メインバルブ１８の開口面積を小さくする。
一方、燃料電池スタック１への水素ガスの供給量が多い場合、換言すると水素ガスの消費量が大きい場合には、インジェクタ３０のデューティ比を高く制御することで、背圧室２５の圧力Ｐ２を水素タンク２内の圧力Ｐ１よりも十分に低い値とし、メインバルブ１８の開弁ストロークを大きくして、必要な開口面積を確保する。
【００３９】
なお、燃料電池スタック１に要求される水素ガス流量（以下、要求流量という）は、燃料電池スタック１に対する要求発電量から決定することができるが、これに燃料電池スタック１から系外に排出される水素ガスのパージ量を加算すると、水素ガスの要求流量をより正確に決定することができる。
【００４０】
次に、水素ガスの要求流量と、水素タンク２内の圧力（以下、タンク圧と略す）Ｐ１と、インジェクタ３０のデューティ比との関係を予めマップに記憶しておき、このマップを用いてインジェクタ３０のデューティ比を決定する方法を説明する。
まず、実験により、タンク圧Ｐ１毎に、第２通路１７内の圧力（以下、出口圧と略す）Ｐ３と、主止弁１０を流通するガス流量の関係を求める。図５は、タンク圧Ｐ１と出口圧Ｐ３とガス流量の関係の一例を示したものである。同じガス流量で比較すると、タンク圧Ｐ１が高いほど出口圧Ｐ３を高圧にすることができる。
【００４１】
ところで、主止弁１０の下流には減圧弁５や中圧デバイス７などが設けられているため、出口圧Ｐ３はこれら下流デバイスの圧力条件の制約を受ける。つまり、出口圧Ｐ３は下流デバイスの下限圧力から上限圧力の間になければならない。そこで、この圧力範囲から外れないように、タンク圧Ｐ１毎にインジェクタ３０のデューティ比の範囲を決定する。
例えば、タンク圧Ｐ１が高いときであって、ガス流量を小さくしていくと出口圧Ｐ３が前記上限圧力を越えてしまうときがある場合には、そのタンク圧Ｐ１では出口圧Ｐ３が上限圧力を超えない範囲でガス流量を制御することとし、出口圧Ｐ３が上限圧力と等圧となったときのガス流量を該タンク圧Ｐ１での最少流量として、そのときのインジェクタ３０のデューティ比をデューティ比の下限値とする。
同様に、タンク圧Ｐ１が低いときであって、ガス流量を大きくしていくと出口圧Ｐ３が前記下限圧力を下回ってしまうときがある場合には、そのタンク圧Ｐ１では出口圧Ｐ３が下限圧力を下回らない範囲でガス流量を制御することとし、出口圧Ｐ３が下限圧力と等圧となったときのガス流量を該タンク圧Ｐ１での最大流量として、そのときのインジェクタ３０のデューティ比をデューティ比の上限値とする。
【００４２】
次に、このようにしてタンク圧Ｐ１毎に決定したインジェクタ３０のデューティ比範囲内で、図６に示すように、タンク圧Ｐ１毎に、ガス流量を変化させたときの各ガス流量に対応するインジェクタ３０のデューティ比を測定する。図６は、タンク圧Ｐ１毎に求めたガス流量とデューティ比との関係の一例を示している。
次に、この測定結果に基づいて、図７に示されるように、タンク圧Ｐ１と、ガス流量と、インジェクタ３０のデューティ比とを対応させたデューティ比マップを作成する。
【００４３】
このようなデューティ比マップを制御装置１００に記憶させておくと、タンク圧センサ８により検出したタンク圧Ｐ１と、燃料電池スタック１の要求発電量から算出される水素ガスの要求流量に基づいて、インジェクタ３０のデューティ比を決定することができる。なお、要求流量が、図７に示されるデューティ比マップに記載されているガス流量値とガス流量値の間である場合には、補間法等を用いてデューティ比を決定する。また、この実施例１における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様であることから、要求発電量はアクセルペダル（図示略）の踏み込み量等に基づいて制御装置１００によって算出される。
【００４４】
ところで、このようにタンク圧Ｐ１と水素ガスの要求流量に基づき図７のデューティ比マップを用いてインジェクタ３０のデューティ比を決定し、インジェクタ３０のデューティ比制御を行うと、図９（ａ）に示すように水素ガスの要求流量が急激に変化した場合に、主止弁１０の応答遅れにより、図９（ｂ）に示すように主止弁１０を実際に流通する水素ガスの実流量と要求流量との間に大きな誤差が生じることがある。特に、車両に搭載された燃料電池システムでは、要求発電量の急激な変化は車両の加減速要求などにより多いに起こり得る事象である。なお、図９（ａ）は要求流量と実流量の変化を示す図であり、図９（ｂ）は要求流量と実流量との差の時間的変化を示す図であり、図９（ｂ）において破線は差が０を示し、一点鎖線は許容上下限を示す。
そこで、要求流量と実流量との間の差分に基づいてインジェクタ３０のデューティ比の補正を行いフィードバック制御を行うと、要求流量に対する応答性を向上させることができる。
【００４５】
次に、インジェクタ３０のデューティ比のフィードバック制御を図８に示すフローチャートにしたがって説明する。このデューティ比のフィードバック制御は、制御装置１００により一定時間毎に繰り返し行われる。
【００４６】
まず、ステップＳ１０１において、タンク圧センサ８により検出された水素タンク２のタンク圧Ｐ１と、燃料電池スタック１に要求される水素ガスの要求流量に基づき、図７に示すデューティ比マップを用いてインジェクタ３０のデューティ比指令値を決定する。なお、水素ガスの要求流量は燃料電池スタック１に対する要求発電量に基づいて算出する。
【００４７】
次に、ステップＳ１０２に進み、流量センサ４により計測された実流量と要求流量との差の絶対値が所定値（許容範囲）を越えているか否かを判定する。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（差が許容範囲内）である場合には、デューティ比は適正であるので補正を行わず、リターンする。
【００４８】
一方、ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（差が許容範囲外）である場合には、ステップＳ１０３に進み、デューティ比の補正量を算出し、ステップＳ１０１において設定したデューティ比指令値に対してこの補正量分だけ補正して、補正後のデューティ比指令値（デューティ比補正指令値）を決定し、リターンする。
なお、デューティ比の補正量は、次の式（３）に示すように、実流量と要求流量との差に、主止弁１０から燃料電池スタック１までの配管容積やインジェクタ３０の応答性能等によって決まる定数Ａを乗じて算出することができる。
デューティ比補正量＝Ａ・（実流量−要求流量）  ・・・式（３）
【００４９】
図９（ｃ）は、インジェクタ３０のデューティ比の時間的変化を補正前後で比較した図であり、図９（ｄ）は要求流量と実流量との差の時間的変化を示す図であり、図９（ｄ）において破線は差が０を示し、一点鎖線は許容上下限を示す。このようにデューティ比を補正すると、水素ガスの要求流量が急激に変化した場合にも、要求流量と実流量との差を許容範囲内に収めることができる。
【００５０】
なお、図５からも明らかなように、主止弁１０を流通するガス流量と出口圧（第２通路１７内の圧力）Ｐ３との間には、ガス流量が大きくなるほど出口圧Ｐ３が小さくなり、ガス流量が小さくなるほど出口圧Ｐ３が大きくなるという相関関係がある。そこで、要求流量を目標出口圧と置き換え、実流量を実出口圧と置き換えて、目標出口圧と実出口圧の差分に基づいてインジェクタ３０のデューティ比の補正を行いフィードバック制御を行うことも可能である。その場合には、ステップＳ１０２における処理を、目標出口圧と実出口圧の差の絶対値が所定値（許容範囲）を越えているか否かに置き換えればよい。
【００５１】
この主止弁１０においては、インジェクタ３０の作動によりメインバルブ１８を開弁し、メインバルブ１８で要求流量の流通を確保することができる。ここで、インジェクタ３０の作動目的はインジェクタ３０自身で要求流量を確保するのではなく、メインバルブ１８の背圧室２５の圧力を調圧してメインバルブ１８を開弁させることにあるので、高圧の流体圧力で作動するインジェクタ３０が１つで済む。したがって、タンク弁である主止弁１０を小型・軽量化することができる。
【００５２】
また、主止弁１０の小型・軽量化により、主止弁１０の取付部となる水素タンク２の開口部２ａの内径を小さくすることができる。特に、実施例１の主止弁１０では、インジェクタ３０をボディ１１の外装部１３に設けているので、水素タンク２の開口部２ａに挿入される部分である内装部１２をより小径にすることができ、その結果、水素タンク２の開口部２ａの内径をより小径にすることができる。開口部２ａの小径化は水素タンク２の耐圧強度上も有利であり、水素タンク２の軽量化を図ることができる。
【００５３】
さらに、インジェクタ３０は背圧室２５の圧力を調圧することにより、結果的に第２通路１７内の圧力を調整する機能があるので、第２通路１７よりも下流の減圧システムの簡素化が可能となる。具体的には、減圧弁５の一次側圧力の低圧化、あるいは減圧弁５を削減することが可能となる。
【００５４】
また、インジェクタ３０は、主止弁１０のボディ１１における外装部１３の端部に配置されていて、流体吐出部３６をボディ１１の内方に向け、アクチュエータ部３７を水素タンク２の外方に向けて配置しているので、インジェクタ３０へのアクセスが容易となり、水素タンク２から主止弁１０を取り外さなくてもインジェクタ３０のメンテナンスが可能となる。また、インジェクタ３０の故障時にその交換を容易に行うことができる。
【００５５】
また、この燃料電池システムにおいては、主止弁の小型・軽量化、およびインジェクタ３０の調圧機能に伴う下流の減圧システムの簡素化により、燃料電池システムをコンパクトにすることができ、コストダウンを図ることができる。さらに、インジェクタ３０のデューティ比制御により、要求発電量に応じた燃料ガスの供給を実現することができる。特に、要求流量と実流量との間の差分に基づいてインジェクタ３０のデューティ比の補正を行いフィードバック制御を行った場合には、要求流量に対する応答性を向上させることができる。
【００５６】
＜実施例２＞
次に、この発明のインジェクタ付きタンク弁の実施例２を図１０の図面を参照して説明する。
実施例２の主止弁（インジェクタ付きタンク弁）１０が実施例１の主止弁１０と相違する点は、インジェクタ３０の取り付け位置にある。実施例１の主止弁１０では、インジェクタ３０を主止弁１０のボディ１１の外装部１３に設置しているが、実施例２の主止弁１０では、インジェクタ３０を主止弁１０のボディ１１における内装部１２に設置している。
以下、実施例２の主止弁１０について、実施例１の主止弁１０と同一態様部分には同一符号を付して説明を省略し、相違点について詳述する。
【００５７】
実施例２の主止弁においては、インジェクタ取付孔６０が、内装部１２の端面１４に開口し、ボディ１１の内側に向かって凹設されており、このインジェクタ取付孔６０に、流体吐出部３６がインジェクタ取付孔６０に隙間なく挿入され固定されている。実施例２では、アクチュエータ部３７は内装部１２の端面１４から水素タンク２の内部に突出している。つまり、インジェクタ３０は、主止弁１０のボディ１１において水素タンク２の内部を臨む内装部１２の端部に配置されており、流体吐出部３６をボディ１１の内方に向け、アクチュエータ部３７を水素タンク２の内方（水素タンク２の内部空間方向）に向けて配置されている。インジェクタ３０が、第３通路２９上に配置され、背圧室２５の圧力を調圧可能であることは、実施例１と同じである。なお、アクチュエータ部３７は、内装部１２の径方向内側に収まるように設定されている。
【００５８】
また、アクチュエータ部３７におけるコイル収納部４０は水素タンク２の内部に臨んで開口し、コイル収納部４０内に水素タンク２内の圧力が印加されるようになっている。したがって、アクチュエータ部３７の内外、換言すればアクチュエータ部３７の全体が水素タンク２内の圧力を受圧する。一方、インジェクタ３０の弁室３９内には、主止弁１０の開閉状態に関わらず、水素タンク２内の圧力と等しいか、あるいはこれに近い圧力が加わっている。その結果、アクチュエータ部３７の内外の差圧を小さくすることができ、アクチュエータ部３７の耐圧構造付与に伴う大型化を防ぐことができる。また、アクチュエータ部３７においてコイル収納部４０と弁室３９とを離隔している隔壁４４の肉厚を薄くしてコイル３４とプランジャ３３との離間寸法を小さくすることができ、プランジャ３３に対する電磁的吸引力（推力）を大きくすることができる。したがって、アクチュエータ部３７を小型化することができる。
【００５９】
そして、この小型化されたアクチュエータ部３７をボディ１１における内装部１２の端面１４に取り付け、内装部１２の径方向内側に収まるように設置しているので、主止弁１０において水素タンク２内に挿入する部分（すなわち、内装部１２とアクチュエータ部３７）の径方向寸法を小さくすることができる。その結果、主止弁１０の取付部となる水素タンク２の開口部２ａの内径を小さくすることができる。これにより、開口部２ａでの水素ガスの受圧面積を小さくすることができ、水素タンク２に螺合させるねじ長さが大きくならずに済むこととあわせ、主止弁１０の小型・軽量化を図ることができる。また、水素タンク２の開口部２ａの小径化は耐圧強度上も有利であり、タンク自体の軽量化を図ることができる。
【００６０】
また、インジェクタ３０は、主止弁１０のボディ１１における内装部１２の端部に配置されており、流体吐出部３６だけをボディ１１の内部に収容し、アクチュエータ部３７を内装部１２の端面１４から水素タンク２の内部に露出させているので、インジェクタ３０のボディ１１への取り付けが容易である。
この実施例２の主止弁１０を備えた水素タンク２を、図１に示される燃料電池システムに適用することができることは勿論である。
【００６１】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、燃料電池システムは車両用に限るものではなく、定置用であってもよい。
また、インジェクタ３０の構造は前述した実施例のものに限るものではない。
前述した実施例では、インジェクタ３０のデューティ比制御においてタイムインターバルを一定としているが、タイムインターバルを可変としてもよい。このタイムインターバルを短くすると、制御性を向上させることができるが、一方で作動回数が増大するため、耐久性に留意が必要となる。そこで、燃料電池の発電状態（発電モード）に応じて、例えば燃料電池の出力が大きく変動する場合はタイムインターバルを短くし、出力が安定している場合はタイムインターバルを長くすると、制御性と耐久性を両立した燃料電池システムを構成することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃料電池スタック（燃料電池）
２  水素タンク（タンク）
４  流量センサ
８  タンク圧センサ
１０  主止弁（インジェクタ付きタンク弁）
１１  ボディ
１５  第１通路
１７  第２通路
１８  メインバルブ
２５  背圧室
２７  スプリング
２９，２９ａ，２９ｂ  第３通路
３０  インジェクタ
３６  流体吐出部
３７  アクチュエータ部
１００  制御装置（制御部）
【図１】
2012189108.tif 000003
【図２】
2012189108.tif 000004
【図３】
2012189108.tif 000005
【図４】
2012189108.tif 000006
【図５】
2012189108.tif 000007
【図６】
2012189108.tif 000008
【図７】
2012189108.tif 000009
【図８】
2012189108.tif 000010
【図９】
2012189108.tif 000011
【図１０】
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