(57)【要約】【課題】  この発明は、電磁弁、電動弁等の電気的駆動弁の制御装置に関し、高い加工精度と高いシート面圧とが必要となる金属材料をシール材として用いることなく、簡便かつ確実な手法で低温時のシール性を確保することを目的とする。【解決手段】  弁体と弁座との間に、ゴム製のシール部材によるシール部を有するアノードガス圧力調整弁２４を備える。外気温度T1が所定値以下となる場合には、アノードガス圧力調整弁２４の通常の流量制御が行われる前に、アノードガス圧力調整弁２４を所定回数に渡って開閉動作させる（空打ち処理を実行する）。【選択図】      図１
2006107822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力流体の流路に配置され、流体が浸入するのを防止するシール部を弁体および弁座の少なくとも一方のシート面に有し、前記圧力流体の流れを電気的に制御する電気的駆動弁の制御装置であって、
前記電気的駆動弁を制御することにより、前記圧力流体の流れの通常制御を開始する流体制御開始手段と、
前記流体制御開始手段の実行開始時点以前に、前記電気的駆動弁を所定回数に渡って開閉動作させる弁開閉実行手段と、
を備えることを特徴とする電気的駆動弁の制御装置。
【請求項２】
前記電気的駆動弁は、燃料電池システム内に設置されていることを特徴とする請求項１記載の電気的駆動弁の制御装置。
【請求項３】
前記電気的駆動弁は、アノードガス圧力調整弁およびまたはアノードオフガス排出弁であることを特徴とする請求項１または２記載の電気的駆動弁の制御装置。
【請求項４】
前記電気的駆動弁の上流にアノードガス遮断弁を備え、
前記弁開閉実行手段は、前記アノードガス遮断弁の開弁開始時点以前に、前記開閉動作を完了させることを特徴とする請求項２または３記載の電気的駆動弁の制御装置。
【請求項５】
前記電気的駆動弁の上流に配置され、パイロット式電磁弁として構成されたアノードガス遮断弁と、
前記アノードガス遮断弁が有するパイロット弁に開弁指令が出された時点から前記アノードガス遮断弁が有するメイン弁が開弁するまでの開弁所要時間を算出する開弁時間算出手段とを備え、
前記弁開閉実行手段は、前記開弁所要時間に基づいて、前記メイン弁が開弁するまでに前記開閉動作を完了させることを特徴とする請求項２または３記載の電気的駆動弁の制御装置。
【請求項６】
前記所定回数は、外気温およびまたは冷却媒体温度との関係に基づいて決定されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の電気的駆動弁の制御装置。
【請求項７】
前記弁開閉実行手段は、外気温およびまたは冷却媒体温度が予め定められた基準値を下回った時に前記開閉動作を実行することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の電気的駆動弁の制御装置。
【請求項８】
前記弁開閉実行手段は、間欠運転時の発電休止時間が予め定められた基準時間を上回った時に前記開閉動作を実行することを特徴とする請求項７記載の電気的駆動弁の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電磁弁、電動弁等の電気的駆動弁の制御装置に係り、特に、燃料電池システム内に設置された電気的駆動弁の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開平１０−２９２８８０号公報には、弁座と突棒からなる一対のシール要素を備えた極低温弁が開示されている。この極低温弁では、上記一対のシール要素を線形超弾性の形状記憶合金によって構成している。この形状記憶合金は、マルテンサイト組織状態で冷間塑性変形させることによって安定化される、すなわち、形状記憶効果を示さなくなる。上記従来の極低温弁では、弁座と突棒とをそのような形状記憶合金で構成することにより、高い低温シール性を実現している。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２９２８８０号公報
【特許文献２】特開２０００−１４６００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の極低温弁は、金属材料によって弁座および突棒のそれぞれのシート面を構成しているため、良好なシール性を確保するには、これらの部材を高い加工精度で製造したり、シート面圧を高くしたりすることが必要となる。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高い加工精度と高いシート面圧とが必要となる金属材料をシール材として用いることなく、簡便かつ確実な手法で低温時のシール性を確保し得る電気的駆動弁の制御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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、圧力流体の流路に配置され、流体が浸入するのを防止するシール部を弁体および弁座の少なくとも一方のシート面に有し、前記圧力流体の流れを電気的に制御する電気的駆動弁の制御装置であって、
前記電気的駆動弁を制御することにより、前記圧力流体の流れの通常制御を開始する流体制御開始手段と、
前記流体制御開始手段の実行開始時点以前に、前記電気的駆動弁を所定回数に渡って開閉動作させる弁開閉実行手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記電気的駆動弁は、燃料電池システム内に設置されていることを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記電気的駆動弁は、アノードガス圧力調整弁およびまたはアノードオフガス排出弁であることを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、前記電気的駆動弁の上流にアノードガス遮断弁を備え、
前記弁開閉実行手段は、前記アノードガス遮断弁の開弁開始時点以前に、前記開閉動作を完了させることを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第２または第３の発明において、前記電気的駆動弁の上流に配置され、パイロット式電磁弁として構成されたアノードガス遮断弁と、
前記アノードガス遮断弁が有するパイロット弁に開弁指令が出された時点から前記アノードガス遮断弁が有するメイン弁が開弁するまでの開弁所要時間を算出する開弁時間算出手段とを備え、
前記弁開閉実行手段は、前記開弁所要時間に基づいて、前記メイン弁が開弁するまでに前記開閉動作を完了させることを特徴とする。
【００１１】
また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、前記所定回数は、外気温およびまたは冷却媒体温度との関係に基づいて決定されることを特徴とする。
【００１２】
また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れかにおいて、前記弁開閉実行手段は、外気温およびまたは冷却媒体温度が予め定められた基準値を下回った時に前記開閉動作を実行することを特徴とする。
【００１３】
また、第８の発明は、第７の発明において、前記弁開閉実行手段は、間欠運転時の発電休止時間が予め定められた基準時間を上回った時に前記開閉動作を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、圧力流体の流れの通常制御前に電気的駆動弁を開閉動作させるため、当該電気的駆動弁のシール部に熱が加えられる。このため、本発明によれば、金属材料をシール部に用いた場合のように高い加工精度と高いシート面圧とを必要とすることなく、電気的駆動弁を開閉させるだけという簡便かつ確実な手法で低温時のシール性を良好に確保することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、燃料電池システム内に設置され、燃料ガス等の流量制御などを行う電気的駆動弁の低温時のシール性を、簡便かつ確実な手法で良好に確保することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、アノードガス圧力調整弁およびまたはアノードオフガス排出弁を、流量制御性の悪化や排気濃度の上昇といった不具合が低温時に生ずるのを防止することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、燃料ガス（水素）が多量に流通開始される前に上記開閉動作が行われるため、システムの起動完了前に、燃料ガスが当該開閉動作によってシステム内に流通するのを十分に抑制することができる。
【００１８】
第５の発明によれば、アノードガス遮断弁のメイン弁が開弁するまでに上記開閉動作が完了される。パイロット弁のみが開弁した状態では、アノードガス遮断弁を通過する燃料ガスの流量は少ないため、その燃料ガスが下流側に流れてしまうことによる影響は小さい。燃料電池システムでは、起動時間をできる限り短縮させたいという要求がある。本発明によれば、第４の発明に比して、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、不必要な上記開閉動作によって燃料電池システムの起動時間が無駄に延長されるのを防止し、また、上記開閉動作の回数が不足することでシール部の昇温不足が生ずるといった事態をなくすことができる。
【００２０】
第７の発明によれば、不必要な上記開閉動作が実行されるのを防止することができる。
【００２１】
第８の発明によれば、燃料電池システムの間欠運転時に、電気的駆動弁のシール部が硬化してしまうのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
実施の形態１．
以下、図１乃至図５を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。本実施形態では、本発明の電気的駆動弁の制御装置を燃料電池システムにおけるアノードガス圧力調整弁とアノードオフガス排出弁とに適用する。
図１は、本発明の電気的駆動弁の制御装置が適用された燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。図１に示す燃料電池システム１０は、燃料電池１２を備えている。燃料電池１２のアノード入口には、燃料ガス通路１４が接続されている。燃料ガス通路１４の上流側には、水素タンクや改質器などの燃料ガス供給装置１６が接続されており、燃料電池１２は、燃料ガス供給装置１６から水素を含む燃料ガスの供給を受けるようになっている。
【００２３】
燃料ガス通路１４における燃料ガス供給装置１６の下流側には、アノードガス遮断弁１８が配置されている。アノードガス遮断弁１８は、パイロット式電磁弁として構成されており、その内部に、ソレノイドへの通電がオンオフされることに伴い開閉動作を行うパイロット弁と、そのパイロット弁が開弁した後にアノードガス遮断弁１８の上流圧力と下流圧力との差圧が所定値以下となった時点で開弁するメイン弁とを備えている。燃料ガス通路１４には、燃料ガス供給装置１６とアノードガス遮断弁１８との間に、上記上流圧力P1を計測する圧力センサ２０が配置されており、また、アノードガス遮断弁１８の下流側には、上記下流圧力P2を計測する圧力センサ２２が配置されている。
【００２４】
更に、燃料ガス通路１４には、圧力センサ２２の下流側に、アノードガス圧力調整弁２４が配置されている。アノードガス圧力調整弁２４は、所定の開弁比率が得られるようにデューティー制御される電磁弁として構成されている。図２は、図１に示すアノードガス圧力調整弁２４の内部構造を概念的に示す断面図である。尚、図２は、圧力流体の流路に配置され、当該圧力流体の流量を制御する電磁弁の一般的な内部構造を示すものである。図２に示す電磁弁（アノードガス圧力調整弁２４）は、磁性体で構成された固定鉄心２６を備えている。固定鉄心２６と隣接する位置には、リターンスプリング２８によって図２中下向きに付勢される可動鉄心３０が配置されている。可動鉄心３０は、アノードガス圧力調整弁２４の内部を、その軸線方向に摺動することができる。固定鉄心２６の外周には、ソレノイド３２が設けられている。アノードガス圧力調整弁２４は、ソレノイド３２が所定の磁力を発することにより、可動鉄心３０が固定鉄心２６に引き寄せられ、また、その磁力が消滅すると、リターンスプリング２８の付勢力により可動鉄心３０が固定鉄心２６から離れるように構成されている。
【００２５】
可動鉄心３０には、可動鉄心３０と共にアノードガス圧力調整弁２４の内部を変位する弁体３４が連結されている（図２においては、可動鉄心３０と一体として簡略して図示）。アノードガス圧力調整弁２４は、弁体３４を取り囲むように形成されたケーシング３６を備えている。ケーシング３６内には、流体室３８が形成されている。ケーシング３６の側面には、流体室３８に連通する流体流入通路４０が形成され、その底面には、流体室３８に連通する流体排出通路４２が形成されている。流体流入通路４０は、燃料ガス通路１４の上流側通路に接続され、流体排出通路４２は、燃料ガス通路１４の下流側通路に接続されている。また、流体室３８と流体排出通路４２との接続部、すなわち、弁体３４のシート面と、ケーシング３６のシート面（弁座３６aのシート面）との間には、ゴム製のシール部材４４（シール部）が設けられている。
【００２６】
弁体３４は、ソレノイド３２に励磁電流が供給されていないときは、シール部材４４を介して弁座３６aに着座し、流体排出通路４２を閉塞する。つまり、アノードガス圧力調整弁２４は、閉弁状態となる。この状態から、ソレノイド３２に励磁電流が供給されると、可動鉄心３０が固定鉄心２６に引き寄せられることにより、弁体３４がシール部材４４を介して弁座３６aから離座する。その結果、流体室３８と流体排出通路４２とが連通状態となる。つまり、アノードガス圧力調整弁２４は開弁状態となり、燃料ガス通路１４内の燃料ガスが燃料電池１２に供給される（図２中の矢印は燃料ガスの流れ方向を示している）。このような構成によれば、アノードガス圧力調整弁２４を所定の開弁比率が得られるようにデューティー制御することにより、燃料ガス通路１４内を流れる燃料ガスの流量を制御することができる、言い換えれば、燃料ガス供給装置１６により供給される燃料ガスを所望の圧力に調整した後に燃料電池１２に供給することができる。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池１２には、燃料ガスのオフガス（アノードオフガス）を排出するためのアノードオフガス通路４６が接続されている。アノードオフガス通路４６の途中には、アノードオフガス排出弁４８が配置されている。アノードオフガス排出弁４８は、開閉駆動される電磁弁であり、上述したアノードガス圧力調整弁２４と同様のゴム製のシール部材を備えている。アノードオフガス排出弁４８は通常は閉じており、システム運転時に、所定のタイミングで開弁することで燃料電池システム１０内に蓄積されている窒素等の不純物を水素とともにシステム外に排出するようになっている。
【００２８】
燃料電池１２のカソード入口には、酸化ガス通路５０が接続されている。酸化ガス通路５０には、酸化ガス（エアー）を燃料電池１２に供給するための過給機５２が設けられている。また、燃料電池１２のカソード出口には、カソードオフガス通路５４が接続されており、カソードオフガス通路５４には、カソードオフガス排出弁５６が配置されている。カソードオフガス排出弁５６は、バタフライ式の電動開閉弁として構成されており、外部から供給される駆動信号を受けて開閉することにより、燃料電池１２に供給される酸化ガスを所望の圧力に調整可能とされている。
【００２９】
図１に示す燃料電池システム１０は、ECU(Electronic Control Unit)５８を備えている。ECU５８には、上述した圧力センサ２０、２２に加え、外気温度T1を検出する外気温センサ６０と、燃料電池１２を冷却するための冷却水（冷却媒体）の出口側温度T2を検出する水温センサ６２とが接続されている。また、ECU５８には、上述した燃料ガス供給装置１６、アノードガス遮断弁１８、アノードガス圧力調整弁２４、アノードオフガス排出弁４８、過給機５２、およびカソードオフガス排出弁５６が接続されている。
【００３０】
以上説明した本実施形態のシステムでは、上記の如く、アノードガス圧力調整弁２４（およびアノードオフガス排出弁４８）は、ゴム製のシール部材４４で燃料ガス通路１４（アノードオフガス通路４６）を遮断または開放することとしている。このような構成によれば、弁体３４がシール部材４４に着座した際に、シール部材４４が弾性変形することにより、良好なシール性を確保することができる。ところで、外気温度T1が−３０℃といった極低温状況下においては、シール部材４４が硬化してしまい、そのままではシール性の確保が困難となることがある。シール性が確保されないと、閉弁時に水素のリーク量が増加してしまう。その結果、アノードガス圧力調整弁２４であれば流量制御性が悪化することとなり、アノードオフガス排出弁４８であれば排気濃度が上昇することとなる。
【００３１】
上記の不具合の対策として、低温対策がなされた低温用シール部材を用いることが考えられる。しかしながら、この低温用シール部材は、通常、高温状況下に弱いというデメリットを有している。また、良好なシール性を確保すべく、遮断時に、弁体３４をシール部材４４に押し付ける力を強くする、すなわち、シート面圧を高くするという対策を施すことも考えられる。しかし、本実施形態のアノードガス圧力調整弁２４のようにデューティー駆動される弁であって高い応答性が要求されている弁に対して、そのような対策を用いることは不適切である。また、金属材料をシール部材に用いる手法では、高い加工精度と高いシート面圧とを必要とし、コスト面でも得策ではない。そこで、本実施形態のシステムでは、そのような不都合を生じさせることなく、低温時のシール性を良好に確保すべく、燃料電池システム１０の起動の指示が出された状態から当該システムの起動が完了するまでの期間中に、以下に示すような制御を行うこととしている。
【００３２】
図３は、本実施の形態１において、上記の要求を実現するためにECU５８が実行するルーチンのフローチャートである。図３に示すルーチンは、燃料電池システム１０に起動指示が出された場合に実行されるものである。尚、以下の図３に示すルーチンに対する説明は、主としてアノードガス圧力調整弁２４について行うが、アノードオフガス排出弁４８についても同様に成立するものである。
【００３３】
図３に示すルーチンでは、先ず、外気温度T1が入手され（ステップ１００）、次いで、外気温度T1が所定値以下（例えば−１５℃以下）か否かが判別される（ステップ１０２）。その結果、外気温度T1が所定値以下（例えば−１５℃以下）でないと判定された場合には、アノードガス遮断弁１８の開弁処理が実行される（ステップ１０６）。
【００３４】
既述した通り、アノードガス圧力調整弁２４等に用いられるゴム製のシール部材４４は、その温度が低くなるほど硬化する（弾性率が小さくなる）という特性を有しており、これにより、低温域でのシール性の確保が困難となる場合がある。そこで、本ルーチンでは、外気温度T1が所定値以下であると判定された場合には、アノードガス圧力調整弁２４を所定回数に渡って開閉動作させる処理が実行される（ステップ１０４）。
【００３５】
本ステップ１０４の処理は、シール部材４４に熱を与えるために、アノードガス圧力調整弁２４が通常の流量制御を開始する前（起動初期時）に実行される処理であり、以下、「弁体の空打ち処理、或いは単に、空打ち処理」と称する。このような空打ち処理が実行されると、シール部材４４は、弁体３４の衝突によって変形することで昇温する。つまり、そのような空打ち処理を行うこととすれば、良好なシール性を発揮する弾性率が得られるまで、シール部材４４を暖めることができる。また、空打ち処理が行われるのは、アノードガス圧力調整弁２４が流量制御を行う前、すなわち、当該圧力調整弁２４前後の圧力差が小さい時であるため、この空打ち処理を実行しても大きな作動音（気流音）が発生することもない。
【００３６】
ECU５８は、空打ち処理の回数と外気温度との関係を定めたマップを記憶している。図４は、そのようなマップの一例を示す図である。上記の如く、ゴム製のシール部材４４は、外気温度T1が低くなるほどより弾性率が小さくなるという特性を有している。図４に示すマップでは、外気温度T1が低くなる領域ほど空打ち処理の実行回数が多くなるように設定されている。上記ステップ１０４では、図４に示すマップに従って外気温度T1との関係に従って決定された所定回数に渡って空打ち処理を実行することとしている。このような処理によれば、空打ち処理の回数を外気温度T1に応じた適切な回数とすることができ、起動時間の無駄な延長やシール部材４４の昇温不足といった事態をなくすことができる。より具体的には、上記ステップ１０４における空打ち処理の実行回数は、温度に依るが、アノードガス圧力調整弁２４の通常の流量制御の開始前に、３０回程度は行われるものである。尚、この処理の１回の動作に要する時間は3msec程度であるため、３０回程度行っても100msec程度の短時間で完了することができる。
【００３７】
次に、所定回数の空打ち処理が終了すると、アノードガス遮断弁１８の開弁処理が実行される（ステップ１０６）。図５は、アノードガス圧力調整弁２４とアノードガス遮断弁１８の作動タイミングの関係を示すタイムチャートである。上記ステップ１０４および１０６の処理が実行されると、図５に示すように、アノードガス遮断弁１８のパイロット弁の開弁時点t1の到来前に、空打ち処理が完了されることとなる。尚、アノードガス遮断弁１８のメイン弁が時点t2において開弁した後に、燃料電池１２に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの圧力が所定値に達したときに、燃料電池システム１０の起動完了が確認され、それ以後は、ECU５８によってアノードガス圧力調整弁２４がデューティー制御されることで、通常の流量制御が開始される。
【００３８】
上記図３に示すルーチンの処理によれば、外気温度T1の低い領域であっても、金属材料をシール部材として用いた場合のように高い加工精度と高いシート面圧とを必要とすることなく、弁を開閉するだけという簡便かつ確実な手法で低温時のシール性を良好に確保することができる。これにより、アノードガス圧力調整弁２４であれば、冷間時の流量制御性が悪化することがない。
【００３９】
また、アノードガス圧力調整弁２４のようにデューティー制御がされる電磁弁は、定常時にデューティー制御される際に、弁体３４とシール部とが積極的に接触することがない。このため、シール部の温度は、定常時にオンオフ制御される電磁弁に比して容易に上昇しない。従って、デューティー制御される電磁弁は、オンオフ制御される電磁弁に比して、上述した空打ち処理が実行されることにより大きな効果が得られる。
【００４０】
ところで、燃料電池システム１０では、燃料電池１２の作動に伴い、カソード側の水分が電解質膜を透過してアノード側に漏れ出してくる。このため、アノードオフガス通路４６を流れるアノードオフガスには水分が含まれている。アノードオフガスはアノードオフガス排出弁４８を通って排出されるため、当該排出弁４８内部の弁体とシール部材との間には水分が付着する。当該排出弁４８に付着した水分は、外気温度T1が低い場合、アノードオフガスの温度如何によってはそのまま凍結してしまう可能性がある。凍結により弁体とシール部材との間で氷が生成されると、弁体とシール部材との間に隙間が生じ、その隙間から燃料である水素がリークしてしまうおそれがある。
【００４１】
燃料電池システム１０の通常運転中であれば、燃料電池１２で発生する熱によりアノードオフガスは昇温されるため、アノードオフガスに含まれる水分が凍結する可能性は低い。しかし、燃料電池システム１０の冷間始動時には未だアノードオフガスの温度が低いため、外気温度T1が低い場合にはアノードオフガス排出弁４８に付着した水分が凍結してしまう可能性がある。上記図３に示すルーチンの処理によれば、このような場合に、アノードオフガス排出弁４８のシール部材温度を昇温させることで、当該排出弁４８の凍結防止、或いは解氷を行うことができる。尚、上述した空打ち処理を実行することとすれば、ソレノイド３２で発生する熱をもシール部材４４等の加熱に利用することができる。
【００４２】
尚、上述した実施の形態１においては、燃料電池システム１０の起動完了が確認された後に、ECU５８によってアノードガス圧力調整弁２４がデューティー制御されることで、通常の流量制御が開始されることにより、前記第１の発明における「流体制御開始手段」が、ECU５８が上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「弁開閉実行手段」が、それぞれ実現されている。
また、ECU５８が上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第５の発明における「開弁時間算出手段」が実現されている。
【００４３】
実施の形態２．
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態は、上述した実施の形態１の燃料電池システム１０において、ECU５８に図３に代えて図７に示すルーチンを実行させることにより実現されるものである。すなわち、本発明の電気的駆動弁の制御装置は、本実施形態においても、燃料電池システム１０におけるアノードガス圧力調整弁２４とアノードオフガス排出弁４８とに適用されている。
【００４４】
図６は、本実施形態において実現される特徴的な動作を示すタイムチャートである。図６に示す時間taは、アノードガス遮断弁１８のパイロット弁が開弁した時点t1からメイン弁開弁時点t2に到達するまでの到達時間を示している。本実施形態のように、アノードガス遮断弁１８がパイロット式電磁弁で構成されている場合、アノードガス遮断弁１８の上流圧力と下流圧力との差圧が所定値以下となってメイン弁が開弁するまでには、ある程度の時間を要する。従って、アノードガス遮断弁１８がパイロット式電磁弁である場合に、上述した実施の形態１のようにアノードガス遮断弁１８の開弁開始前に空打ち処理を実行することとすると、燃料電池システム１０の起動時間が長く必要となる。燃料電池システム１０の起動に要する時間はできるだけ短くしたいという要求がある。そこで、本実施形態では、システム起動時間を短縮すべく、弁体の空打ち処理の開始時点t3から後述する遅延時間tbだけ遅れた時点t1でパイロット弁を開弁させ、かつ、メイン弁の開弁時点t2までに空打ち処理を終了させることとした。尚、ここでいう燃料電池システム１０の起動時間とは、ECU５８によって起動指示が出された時から、酸化ガスであるエアーおよび燃料ガスである水素のそれぞれの圧力が所定の調圧値となるまでの時間をいうものとする。
【００４５】
図７は、本実施の形態２において、上記の機能を実現するためにECU５８が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンは、燃料電池システム１０に起動指示が出された場合に実行されるものである。尚、以下の図７に示すルーチンに対する説明は、主としてアノードガス圧力調整弁２４について行うが、アノードオフガス排出弁４８についても同様に成立するものである。また、図７において、実施の形態１における図３に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００４６】
図７に示すルーチンでは、上記ステップ１０２において、外気温度T1が所定値以下であると判定された場合には、アノードガス遮断弁１８の上流圧力P1と下流圧力P2とが入手される（ステップ１０８）。次いで、上記ステップ１０８において入手された上流圧力P1に基づいて、メイン弁開弁圧Paが算出される（ステップ１１０）。アノードガス遮断弁１８には、燃料ガス供給装置１６により一定圧の燃料ガスが供給されている。上述したように、メイン弁は、アノードガス遮断弁１８の上流圧力P1と下流圧力P2との差圧が所定値以下となった時点で開弁する。上流圧力P1を入手すれば、アノードガス遮断弁１８内の流路径などの諸元に基づき、メイン弁が開弁する際の下流圧力（メイン弁開弁圧）Paを算出することができる。
【００４７】
次に、上記ステップ１０８において入手された上流圧力P1と下流圧力P2とに基づいて、パイロット弁開信号入力後のメイン開弁圧Pa到達時間ta、すなわち、パイロット弁が開弁した時点t1からメイン弁開弁時点t2に到達するまでの到達時間taが算出される（ステップ１１２）。パイロット弁の流路径は一定であるため、アノードガス遮断弁１８の前後の差圧ΔP（上流圧力P1−下流圧力P2）を入手することにより、パイロット弁のみが開弁状態であるときに、アノードガス遮断弁１８を通過する燃料ガスの流量を算出することができる。また、アノードガス遮断弁１８の下流側流路の容積は算出可能である。従って、当該燃料ガスの流量と当該下流側流路の容積とから、到達時間taを算出することができる。
【００４８】
次に、遅延時間tbが算出される（ステップ１１４）。遅延時間tbは、メイン弁が開弁するまでに空打ち処理を完了させるべく設定される時間である。空打ち処理の１回当たりの所要時間は上記の如く3msec程度であり、空打ち処理の実行回数は上述した図４のマップにより決定されるものであるため、空打ち処理に要する総時間tc（図６参照）を算出することができる。本ステップ１１４では、空打ち処理がメイン弁の開弁までに完了するように、到達時間taとの関係に基づいて、遅延時間tbを算出することとしている。
【００４９】
次に、空打ち処理の実行が開始され（ステップ１１６）、次いで、空打ち処理の開始時点t1から遅延時間tbが経過したか否かが判定される（ステップ１１８）。遅延時間tbの経過が認められると、アノードガス遮断弁１８のパイロット弁の開信号が発せられる（ステップ１２０）。
【００５０】
上記図７に示すルーチンの処理によれば、アノードガス遮断弁１８のメイン弁が開弁する時点t2までに弁体の空打ち処理を完了させることができる。メイン弁が開弁した後まで空打ち処理を行うこととすると、アノードガス圧力調整弁２４の通常の流量制御を行う前に、燃料ガスがアノードガス遮断弁１８を介して当該圧力調整弁２４の下流側に流れ出てしまう事態が生ずる。一方、パイロット弁のみが開弁している状態では、アノードガス遮断弁１８からアノードガス圧力調整弁２４に向かって流れ出る流量は微量であるため、空打ち処理時に当該圧力調整弁２４の下流側に洩れ出る燃料ガスの影響は小さい。このため、上記ルーチンの処理によれば、実施の形態１の処理に比して、燃料電池システム１０の起動時間を短縮させつつ、低温時のシール性を良好に確保することができる。
【００５１】
ところで、上述した実施の形態２においては、空打ち処理の開始時点t1から遅延時間tbが経過した時に、パイロット弁の開信号を発することとしているが、空打ち処理の実行回数如何では、空打ち処理に要する総時間tcがパイロット弁開信号入力後のメイン開弁圧Pa到達時間taより短くなる場合があり得る。このような場合には、上述した実施の形態２の処理に限らず、メイン弁が開弁するまでに空打ち処理を完了できるように、当該空打ち処理の開始タイミングを、到達時間taに基づいてパイロット弁開信号入力後となるように決定してもよい。
【００５２】
実施の形態３．
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態は、上述した実施の形態１の燃料電池システム１０において、ECU５８に図３に代えて図８に示すルーチンを実行させることにより実現されるものである。すなわち、本発明の電気的駆動弁の制御装置は、本実施形態においても、燃料電池システム１０におけるアノードガス圧力調整弁２４とアノードオフガス排出弁４８とに適用されている。
【００５３】
本実施形態は、燃料電池システム１０の起動時ではなく、燃料電池システム１０の間欠運転時に弁体の空打ち処理を実行することとしている点に特徴を有している。間欠運転がされている状態、すなわち、システムは起動されているが発電は休止されている状態では、通常運転時と異なり燃料電池１２は熱を発生させない。このため、間欠運転が継続されると、アノードガス圧力調整弁２４等の温度が低下し始める。このような場合にも、シール部材４４等の温度が低くなり過ぎると、ゴムが硬化して十分なシール性が確保できなくなることが起こり得る。そこで、本実施形態では、間欠運転時にシール部材４４等の温度が低くなり過ぎるのを防止すべく、以下に示すような制御を実行することとした。
【００５４】
図８は、本実施の形態３において、上記の機能を実現するために、ECU５８が実行するルーチンのフローチャートである。尚、以下の図８に示すルーチンに対する説明は、主としてアノードガス圧力調整弁２４について行うが、アノードオフガス排出弁４８についても同様に成立するものである。また、図８において、実施の形態１における図３に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
【００５５】
図８に示すルーチンでは、上記ステップ１０２において、外気温度T1が所定値以下であると判定された場合には、間欠運転連続時間が予め定められた基準時間t0を上回ったか否かが判別される（ステップ１２２）。基準時間t0は、間欠運転開始後にシール部材４４の温度が良好なシール性を確保し得る最低温度に達するまでの時間として、例えば、車両の熱容量および外気温度T1に基づいて、実験或いはシミュレーションにより算出することができる。
【００５６】
上記ステップ１２２において、間欠運転開始後に基準時間t0が経過したと判定されると、弁体の空打ち処理が実行される（ステップ１０４）。空打ち処理が所定回数実行された後は、基準時間t0をカウントするカウンターがゼロにリセットされ、以後、間欠運転時において、外気温度T1が所定値以下でないと判定されるまでの間、上記ステップ１０２、１２２、および１０４の処理が繰り返し実行される。
【００５７】
図９は、図８に示すルーチンの処理によって実現される間欠運転開始後の経過時間tとシール部材４４の温度Tとの関係を示す図である。図９に示すように、間欠運転の開始後には、燃料電池１２が熱を発しないため、シール部材４４の温度が低下し始める。上記図８に示すルーチンの処理によれば、基準時間t0が経過した際に空打ち処理が実行されるため、シール部材４４の温度（シール部温度）が図９に示すシール不可温度ラインを下回ることがない（水素洩れが生ずることがない）。このため、上記ルーチンの処理によれば、低温状況下で間欠運転が行われた場合であっても、アノードガス圧力調整弁２４等のシール性を良好に維持することができる。
【００５８】
ところで、上述した実施の形態３においては、間欠運転開始からの基準時間t0に基づいて、間欠運転中に空打ち処理を実行するタイミングを決定しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、空打ち処理の対象がアノードガス圧力調整弁２４であれば、例えば、アノードガス圧力調整弁２４の下流側の燃料ガス通路１４に圧力センサを備え、当該圧力調整弁２４の下流圧力に基づいて、水素が漏れ出したこと、すなわち、シール不良を検知して上記の実行タイミングを決定してもよく、或いは、水素タンクのタンク内圧を計測することとし、そのタンク内圧の変化に基づいて上記の実行タイミングを決定してもよい。
【００５９】
変形例．
次に、図１０および図１１を参照して、本発明の実施の形態１乃至３に関する変形例（１）乃至（４）について説明する。
（１）図１０は、本発明の電気的駆動弁の制御装置が適用された他の燃料電池システム７０の構成を示す概略図である。上述した図１に示す構成では、アノードガス圧力調整弁２４はデューティー駆動される電磁弁として構成しているが、アノードガス圧力調整弁は、図１０に示すような圧力調整弁（レギュレータ）７２として構成される場合がある。
【００６０】
図１０に示す構成では、過給機５２の下流側の酸化ガス通路５０にバイパス通路７４の一端が接続されている。バイパス通路７４の他端は、アノードガス圧力調整弁７２内部に調圧用に設けられた空間（図示省略）に接続されている。また、バイパス通路７４には、その途中に、大気連通路７６が接続され、その大気連通路７６には、ECU７８から発せられる信号に基づき開閉駆動される電磁弁８０が配置されている。このような構成によれば、電磁弁８０によって上記空間内のエアーの圧力を制御することにより、アノードガス圧力調整弁７２の調圧値を所望の値に制御することができる。
【００６１】
アノードガス圧力調整弁７２の調圧値を制御するための電磁弁８０の内部には、上述したシール部材４４と同様のゴム製のシール部材が用いられている。そのシール部材が低温時に硬化してシール性が維持されなくなると、アノードガス圧力調整弁７２の調圧不良が生じてしまう。本発明の電気的駆動弁の制御装置は、このように構成された電磁弁８０に適用してもよい。また、過給機５２によりバイパス通路７４に供給されるエアーは加湿されることがあるため、低温時には弁体とシール部材との間で氷が生成されることがあるが、本発明の空打ち処理を行うことにより、電磁弁８０の凍結防止、或いは解氷も可能となる。
【００６２】
（２）図１１は、図１に示すカソードオフガス排出弁５６の構成を示す概略図である。図１１に示すように、バタフライ式の電動開閉弁として構成されたカソードオフガス排出弁５６は、流路を閉塞または開放する弁体８２を備えている。弁体８２は、弁軸８４に固定されている。弁軸８４は、一対の軸受け８６により回転可能に保持されている。弁軸８４は、一対のギヤ８８、９０を介してモータ９２に連結されている。このような構成によれば、モータ９２の回転角度を制御することにより、弁体８２の開度を所望の値に制御することができる。
【００６３】
弁軸８４における一対の軸受け８６の近傍には、リップシール９４が配置されている。リップシール９４は、カソードオフガス排出弁５６を通過するエアー中に含まれる水分が弁軸８４を伝って軸受け８６の内部に浸入するのを防止するために設けられている。リップシール９４はゴム製であるため、低温時に硬化してシール性が低下すると、軸受け８６の内部に水分が浸入してしまい、その結果、錆が生じたり、或いはその水分が凍結してしまう。そこで、上記のように構成されたカソードオフガス排出弁５６に対して、低温時にリップシール９４のシール性を維持すべく、本発明の空打ち処理を適用してもよい。このような処理によれば、空打ち処理時に弁軸８４とリップシール９４との間で生ずる摩擦熱によってリップシール９４を暖めることができる。
【００６４】
（３）上述した実施の形態１乃至３においては、本発明を燃料電池システムで用いられる各種の電気的駆動弁に適用することとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、圧力流体の流路に電磁弁、電動弁等の電気的駆動弁が配置されているシステムであれば、燃料電池システム以外の他のシステムにも広く適用可能である。
【００６５】
（４）上述した実施の形態１乃至３においては、外気温度T1が所定値以下であると判別された場合に、弁体の空打ち処理を実行することとしているが、本発明の空打ち処理の実行開始を判断する手法はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、外気温度T1に代え、或いは外気温度T1と共に、冷却水の出口側温度T2（冷却媒体温度）に基づいて空打ち処理の実行開始を判断してもよく、更には、エアー、水素、構成部品の温度（当該部品が備える温度センサまたは当該部品の表面温度を直接計測）等に基づいて判断してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の電気的駆動弁の制御装置が適用された燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】図１に示すアノードガス圧力調整弁の内部構造を概念的に示す断面図である。
【図３】本実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図４】図３に示すルーチン中で用いられ、空打ち処理の回数と外気温度との関係を記憶しているマップの一例を示す図である。
【図５】図１に示すアノードガス圧力調整弁およびアノードガス遮断弁の作動タイミングの関係を示すタイムチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２において実現される特徴的な動作を示すタイムチャートである。
【図７】本実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図８】本実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図９】図８に示すルーチンの処理によって実現される間欠運転開始後の経過時間tとシール部材の温度Tとの関係を示す図である。
【図１０】本発明の電気的駆動弁の制御装置が適用された他の燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図１１】図１に示すカソードオフガス排出弁の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０、７０  燃料電池システム
１２  燃料電池
１４  燃料ガス通路
１８  アノードガス遮断弁
２４、７２  アノードガス圧力調整弁
３４、８２  弁体
４４  シール部材
４６  アノードオフガス通路
４８  アノードオフガス排出弁
５０  酸化ガス通路
５４  カソードオフガス通路
５６  カソードオフガス排出弁
６０  外気温センサ
６２  水温センサ
８０  電磁弁
８４  弁軸
９４  リップシール
【図１】
2006107822.tif 000003
【図２】
2006107822.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006107822.tif 000006
【図５】
2006107822.tif 000007
【図６】
2006107822.tif 000008
【図７】
2006107822.tif 000009
【図８】
2006107822.tif 000010
【図９】
2006107822.tif 000011
【図１０】
2006107822.tif 000012
【図１１】
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