要旨：水素供給システムは燃料電池システムの重要な部分であり，特に空気側と水素側の圧力差の動的制御は，燃料電池システム全体の信頼性のために重要である。本稿では、水素燃料電池システムの水素圧力制御における問題点に着目し、精密比例流量制御弁の使用を推奨するとともに、比例流量制御弁の特性および技術パラメータを詳細に紹介する。

1. 疑問の定式化
水素供給システムは、燃料電池システムの重要な一部として、ボルタリング、空気供給システム、水・熱管理システム、電子電力システムなどと連携し、水素の流量と圧力の安定供給、水素リサイクルを実現する。図 1-1 に燃料電池水素供給システムの簡略化した構造を示す。高圧水素貯蔵タンクは、システムの水素供給源である。水素は減圧弁を通過し、システムに適した圧力に減圧される。通常、数バール程度である。水素吸入弁は、火山に入る水素の量を制御し、火山の水素回路の圧力を制御するために使用されます。現在、最も一般的な水素吸入弁は、比例制御弁、切換弁、または複数の切換弁群です。

燃料電池の膜電極は、徐々に厚みが薄くなると、それに伴い機械的強度が低下する。そのため、空気側と水素側の圧力をダイナミックに制御することが、燃料電池システム全体の信頼性を高めるために特に重要です。一般的には、水素側の圧力を空気側の圧力と同じか、わずかに高くすることが要求される。両側の圧力を調整する際には、プロトン膜へのダメージを軽減するために、圧力の上昇と下降が同時に起こるようにする。しかし、現在の水素燃料電池の発電システムでは、両側の圧力差の制御には次のような問題がある。
(1) 切替バルブで水素の吸入を制御しているため、水素回路全体の変動が大きくなり、制御が困難である。
(2) 比例電磁弁は、ある割合でPIDモードと同様の圧力制御を行うことができますが。
しかし、比例電磁弁はヒステリシス現象が大きいため、制御が不安定になるという深刻な問題をもたらす。本稿では、水素燃料電池システムの水素圧力制御における問題点に着目し、精密比例流量制御弁の使用を推奨するとともに、比例流量制御弁の特性や技術パラメータについて詳しく紹介します。

2. 比例流量制御弁
流量比例制御弁を図2-1に示す。

モデル	FC-20	FC-120	FC-300	FC-1000
バルブタイプ	プロポーショナルニードルバルブ
スプールドリフト径	0.9mm	2.25mm	2.75mm	4.10mm
アクチュエーター	バイポーラステッピングモータ制御
応答速度	0.8秒(開→閉)
標準サイズ	G1/8"			G3/8"
フルード	不活性ガス・液体
お問い合わせ先	ステンレススチール
圧力範囲	-1～7 気圧			-1～5 気圧
最大流量	50L/min @7bar	240L/min @7bar	290L/分 @7bar	600L/分 @7bar

 

リニアリティ	±2%	±0.1 ~ 1%	±0.2 ~ 5%	±11%
再現性 (フルスケール)	±0.1%
流量分解能（ステップ長）	0.1L/分	0.1〜0.2L/min	0.2〜0.75L/min	1L/分
シフト分解能（ステップ長）	12.7um		25.4um
動作温度範囲	0 ~ 84ºC
シール	標準的なFKMや他のシールも選択可能
制御信号	DC：0〜10V（または4〜20mA）
電源	DC: 24V (12W)

図2-2 比例流量制御弁の技術指標。
ぜひご覧ください。 https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm

2.2.ドライブモジュール
比例流量制御弁は、必要な電力と制御信号を提供し、バイポーラステッピングモータのステッピング制御にDC信号を変換するために、ステッピングモータ駆動回路モジュールを装備し、RS485シリアル通信の直接制御を提供することもできます。

2.3.特徴
比例流量制御のためのデジタル制御のモータ駆動の新しい比例流量制御弁は、ステッピングモータの精度と再現性の利点は、線形性を兼ね備えています。分解能は2%ヒステリシス、2%直線性、1%再現性と0.2%調整可能な流量制御より高性能であることです。一般的に使用されている電磁比例弁のアップグレード製品です。様々なPID制御アルゴリズムと圧力コントローラを組み合わせることで、高速かつ正確な水素圧力制御装置を形成することができます。
流量比例制御弁には次のような特徴があります。
(1）マルチ仕様のスロットルエリア：低流量直径0.9ミリメートル（0〜50L/minガス）から高流量直径4.10ミリメートル（0〜660 L/minガス）ニードルバルブ絞り領域には、異なるアプリケーションのニーズを満たすことができます。
(2) 高い直線性。2%以下のリニアリティを実現。外部制御のハードやソフトの表面やマッチングを簡略化できる。また、コマンド入力と流量出力の関係も簡単になります。(3) 高い再現性。0.1%の同一流量に毎回到達することで、長期安定的な安定性を提供することができます。
(4) 広い圧力範囲。穴のサイズによって5または7バールの圧力で、入口の環境は広い圧力範囲をカバーすることができます。モータの剛性とパワーは、バルブが圧力についてではなく、同じ入力コマンドで開くことを保証します。
(5) 低いヒステリシス：ヒステリシスは2%未満で、統合とプログラミングが簡単で、セットポイントへの増加、減少の際に一貫した流量を提供します。
(6) 分解能が高い。0.2%の分解能により、比例制御弁はわずかな調整指令の変化で最小流量調整を行うことができ、優れた制御性を発揮します。
(7）速い応答: 全作動させた時間は急速な流れの規則および制御を提供できる 1 秒よりより少しです。