(57)【要約】【課題】インジェクタなどの電磁駆動式開閉弁の一次圧力が変動しても、弁の開状態を維持するように制御することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、弁を電磁駆動力により所定の駆動周期で開閉駆動させることにより、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を調整する電磁駆動式開閉弁と、ＰＷＭ制御により、電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する制御手段と、電磁駆動式開閉弁の上流側の燃料ガスの圧力を検知する一次圧力検知手段と、電磁駆動式開閉弁へ電力を供給する電力供給手段の電圧に基づく基準ＰＷＭデューティ比、一次圧力検知手段により検出された圧力に基づく補正係数、および基準ＰＷＭデューティ比と補正係数とに基づく補正ＰＷＭデューティ比を算出する演算手段と、を備え、制御手段は、補正ＰＷＭデューティ比で電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する燃料電池システムである。【選択図】図１
2011003404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
弁を電磁駆動力により所定の駆動周期で開閉駆動させることにより、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を調整する電磁駆動式開閉弁と、
ＰＷＭ制御により、前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する制御手段と、
前記電磁駆動式開閉弁の上流側の燃料ガスの圧力を検知する一次圧力検知手段と、
前記電磁駆動式開閉弁へ電力を供給する電力供給手段の電圧に基づく基準ＰＷＭデューティ比、前記一次圧力検知手段により検出された圧力に基づく補正係数、および前記基準ＰＷＭデューティ比と前記補正係数とに基づく補正ＰＷＭデューティ比を算出する演算手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記補正ＰＷＭデューティ比で前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
弁を電磁駆動力により所定の駆動周期で開閉駆動させることにより、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を調整する電磁駆動式開閉弁と、
ＰＷＭ制御により、前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する制御手段と、
前記電磁駆動式開閉弁の上流側の燃料ガスの圧力を検知する一次圧力検知手段と、
前記電磁駆動式開閉弁へ電力を供給する電力供給手段の電圧に基づく基準ＰＷＭデューティ比、前記一次圧力検知手段により検出された圧力に基づく補正係数、および前記基準ＰＷＭデューティ比と前記補正係数とに基づく補正ＰＷＭデューティ比を算出する演算手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記補正ＰＷＭデューティ比で前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システムの燃料ガス供給システム。
【請求項３】
弁を電磁駆動力により所定の駆動周期で開閉駆動させることにより、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を調整する電磁駆動式開閉弁をＰＷＭ制御する燃料電池システムの燃料ガス供給方法であって、
前記電磁駆動式開閉弁へ供給される電圧に基づく基準ＰＷＭデューティ比を算出する基準ＰＷＭデューティ比算出ステップと、
前記電磁駆動式開閉弁の上流側の燃料ガスの圧力を検知する一次圧力検知ステップと、
前記検出された圧力に基づく補正係数を算出する補正係数算出ステップと、
前記基準ＰＷＭデューティ比と前記補正係数とに基づいて、前記電磁駆動式開閉弁の補正ＰＷＭデューティ比を算出する補正ＰＷＭデューティ比算出ステップと、
前記補正ＰＷＭデューティ比で前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する制御ステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの燃料ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの燃料ガス供給システムおよび燃料電池システムの燃料ガス供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気などの酸化ガスと、水素やメタンなどの還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノールなどの液体燃料などとを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であることなどにより、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。
【０００３】
燃料電池のセルは、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード）と、もう一方の面に空気極（カソード）とが電解質膜を挟んで対向するように設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をメタルセパレータなどのセパレータで挟んだものから形成される。複数のセルは積層されてセル積層体とされ、セル積層体のセル積層方向両端には、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートが順に配置され、固定されて燃料電池スタックが構成される。
【０００４】
燃料電池の発電時には、アノードに供給する原料を水素ガス、カソードに供給する原料を空気とした場合、アノードにおいて、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じてカソードに到達する。カソードにおいて、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じてカソードに到達した電子により、水（生成水）が生成する。このようにアノードおよびカソードにおいて化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。
【０００５】
このような燃料電池スタックを含む燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックのアノード極への水素ガスなどの燃料ガスの供給は、例えば、燃料ガスの供給源から燃料ガス供給流路を通して行われ、燃料ガスの供給量の制御はインジェクタなどの電磁駆動式開閉弁を用いて行われる（例えば、特許文献１参照）。インジェクタは、弁体を電磁駆動力により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、燃料ガスの供給を制御するものである。インジェクタの制御は、通常、インジェクタが開状態を維持できるトルクになるように、インジェクタのコイル電流をＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御でコントロールしている。ＰＷＭ制御では、インジェクタが開状態を維持できるトルクになるコイル電流が得られるようにＰＷＭデューティ比を決める（図７参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１４０６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
通常、インジェクタのＰＷＭ制御のデューティ比を駆動用バッテリの電圧に基づいて算出しているが、インジェクタの一次圧力が変動して高くなった場合には、インジェクタの開指令にもかかわらず、弁が閉じてしまう場合があった。すなわち、インジェクタの一次圧力によって要求コイル電流が変わってくる場合があった。
【０００８】
本発明は、インジェクタなどの電磁駆動式開閉弁の一次圧力が変動しても、弁の開状態を維持するように制御することができる燃料電池システム、燃料電池システムの燃料ガス供給システムおよび燃料電池システムの燃料ガス供給方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、弁を電磁駆動力により所定の駆動周期で開閉駆動させることにより、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を調整する電磁駆動式開閉弁と、ＰＷＭ制御により、前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する制御手段と、前記電磁駆動式開閉弁の上流側の燃料ガスの圧力を検知する一次圧力検知手段と、前記電磁駆動式開閉弁へ電力を供給する電力供給手段の電圧に基づく基準ＰＷＭデューティ比、前記一次圧力検知手段により検出された圧力に基づく補正係数、および前記基準ＰＷＭデューティ比と前記補正係数とに基づく補正ＰＷＭデューティ比を算出する演算手段と、を備え、前記制御手段は、前記補正ＰＷＭデューティ比で前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する燃料電池システムである。
【００１０】
本発明は、弁を電磁駆動力により所定の駆動周期で開閉駆動させることにより、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を調整する電磁駆動式開閉弁と、ＰＷＭ制御により、前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する制御手段と、前記電磁駆動式開閉弁の上流側の燃料ガスの圧力を検知する一次圧力検知手段と、前記電磁駆動式開閉弁へ電力を供給する電力供給手段の電圧に基づく基準ＰＷＭデューティ比、前記一次圧力検知手段により検出された圧力に基づく補正係数、および前記基準ＰＷＭデューティ比と前記補正係数とに基づく補正ＰＷＭデューティ比を算出する演算手段と、を備え、前記制御手段は、前記補正ＰＷＭデューティ比で前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する燃料電池システムの燃料ガス供給システムである。
【００１１】
本発明は、弁を電磁駆動力により所定の駆動周期で開閉駆動させることにより、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給を調整する電磁駆動式開閉弁をＰＷＭ制御する燃料電池システムの燃料ガス供給方法であって、前記電磁駆動式開閉弁へ供給される電圧に基づく基準ＰＷＭデューティ比を算出する基準ＰＷＭデューティ比算出ステップと、前記電磁駆動式開閉弁の上流側の燃料ガスの圧力を検知する一次圧力検知ステップと、前記検出された圧力に基づく補正係数を算出する補正係数算出ステップと、前記基準ＰＷＭデューティ比と前記補正係数とに基づいて、前記電磁駆動式開閉弁の補正ＰＷＭデューティ比を算出する補正ＰＷＭデューティ比算出ステップと、前記補正ＰＷＭデューティ比で前記電磁駆動式開閉弁の開閉を制御する制御ステップと、を含む燃料電池システムの燃料ガス供給方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、電磁駆動式開閉弁へ供給される電圧に基づく基準ＰＷＭデューティ比と、
電磁駆動式開閉弁の一次圧力に基づく補正係数とに基づいて算出した補正ＰＷＭデューティ比で電磁駆動式開閉弁の開閉を制御することにより、インジェクタなどの電磁駆動式開閉弁の一次圧力が変動しても、弁の開状態を維持するように制御することができる燃料電池システムの燃料ガス供給システム、燃料電池システムの燃料ガス供給方法およびその水素供給システムを備える燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態におけるインジェクタの構造の一例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの燃料ガス供給方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における基準ＰＷＭデューティ比マップの一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態における一次圧力による補正マップの一例を示す図である。
【図６】コイル電流とトルクとの関係を示す図である。
【図７】ＰＷＭデューティ比とコイル電流との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１５】
本実施形態に係る燃料電池システムの一例の概略を図１に示す。燃料電池システム１は、酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック１０と、電磁駆動式開閉弁であるインジェクタ１２と、一次圧力検知手段である一次圧力センサ１４と、演算手段である演算部１６および制御手段である制御部１８を含む制御装置２８とを備える。インジェクタ１２と、一次圧力センサ１４と、制御装置２８とが燃料ガス供給システム３を構成する。
【００１６】
燃料電池システム１は、通常、燃料電池のセルを積層したセル積層体を含む燃料電池スタック１０と、酸化ガスとしての空気などを燃料電池スタック１０のカソード側に供給して、燃料電池スタック１０から排出された排気ガスなどを大気へ排出する酸化ガス給排系と、燃料ガスとしての水素などを燃料電池スタック１０のアノード側に供給して、燃料電池スタック１０から排出された未反応の水素などを大気へ排出する燃料ガス給排系と、を備える。
【００１７】
本実施形態に係る燃料電池システム１において、燃料電池１０の燃料ガス入口には、燃料ガス供給源２２からの燃料ガス供給配管がインジェクタ１２を介して接続されている。また、燃料電池１０の酸化ガス入口には、酸化ガス供給源であるエアコンプレッサ２４からの酸化ガス供給配管が加湿器２６を介して接続されている。燃料ガス供給源２２とインジェクタ１２との間の燃料ガス供給配管には、一次圧力センサ１４が接続されている。インジェクタ１２には、電力供給手段であるバッテリ２０からの電力が供給されるようになっている。一次圧力センサ１４およびバッテリ２０には、演算部１６が情報伝達可能に接続され、インジェクタ１２およびバッテリ２０には、制御部１８が情報伝達可能に接続されている。
【００１８】
燃料電池スタックを構成するセルは、通常、一対のセパレータで、触媒層および拡散層を含むアノード、電解質膜、触媒層および拡散層を含むカソードをこの順序に挟んだ構造となっている。燃料電池としては、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池など、種々の燃料電池を適用することができる。
【００１９】
燃料ガス給排系では、燃料ガスとしての水素などが、水素タンクなどの燃料ガス供給源２２から燃料ガス供給配管を介して、インジェクタ１２により流量が調整されて燃料電池スタック１０に供給される。供給された水素は、燃料ガス供給マニホールドを通って、各セルの燃料ガス流路に分配され、各セルのアノードに供給される。そして、アノードで反応した後の残りの水素（以下、「アノードオフガス」ともいう。）は、燃料ガス排出マニホールドを通って、排出される。燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスは、燃料ガス排気配管を介して、マフラが備える希釈器などに導入され、後述するカソードオフガスなどによって希釈されて大気中に放出される。
【００２０】
酸化ガス給排系では、酸化ガスとしての空気などが、エアコンプレッサ２４などから酸化ガス供給配管を介して、加湿器２６などにより加湿された後、燃料電池スタック１０に供給される。供給された空気は、酸化ガス供給マニホールドを通って、各セルの酸化ガス流路に分配され、各セルのカソードに供給される。そして、カソードで反応した後の残りの空気（以下、「カソードオフガス」ともいう。）は、酸化ガス排出マニホールドを通って、排出される。カソードでは、電極反応により、水（生成水）が生成されるため、カソードオフガスには通常、生成水が水蒸気の状態で含まれている。カソードオフガスは、酸化ガス排気配管を介して、気液分離装置などに導入され、気液分離装置により気液分離される。分離された液体である生成水は、バッファタンクなどに貯留され、適時、大気中へ放出される。一方、分離された気体であるカソードオフガスは、マフラが備える希釈器などに導入され、上記したアノードオフガスを希釈するための希釈用ガスとして使用されて、大気中に放出される。
【００２１】
燃料電池スタック１０の各セルにおいて、例えば、アノードに供給する燃料ガスを水素ガス、カソードに供給する酸化剤ガスを空気として運転した場合、アノードの触媒層において、
２Ｈ２  →  ４Ｈ＋＋４ｅ−
で示される反応式（水素酸化反応）を経て、水素ガス（Ｈ２）から水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とが発生する。電子（ｅ−）は拡散層から外部回路を通り、カソードの拡散層から触媒層に到達する。触媒層において、供給される空気中の酸素（Ｏ２）と、電解質膜を通過した水素イオン（Ｈ＋）と、外部回路を通じて触媒層に到達した電子（ｅ−）により、
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ
で示される反応式（酸素還元反応）を経て、水が生成する。このようにアノードおよびカソードにおいて化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。
【００２２】
本実施形態に係る燃料電池システム１の燃料ガス給排系において、インジェクタ１２により、燃料ガスとしての水素などの燃料電池スタック１０への供給量が調整される。インジェクタ１２は、例えば、弁体を電磁駆動力で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開閉弁である。インジェクタ１２は、図２に示すように、例えば、燃料ガス供給配管につながる燃料ガス供給流路３０を開放または閉鎖するための弁体３２と、弁体駆動用のソレノイドコイル３４と、弁体３２に一体化されてなる可動部３６とを有し、ソレノイドコイル３４への通電により、可動部３６とともに弁体３２が所定の開弁位置または閉弁位置に移動するように構成されている。なお、インジェクタ１２の構造は、図２の例に限られない。
【００２３】
本実施形態においては、ソレノイドコイル３４に給電されるパルス励磁電流のオン／オフにより、インジェクタ１２の噴射孔３８の開閉を切り替えることができるようになっている。図１の制御部１８から出力される噴射指令によってインジェクタ１２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、燃料ガスの流量および圧力が高精度に制御される。インジェクタ１２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。
【００２４】
インジェクタ１２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ１２の燃料ガス供給流路３０に設けられた弁体３２の開閉および開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池スタック１０側）に供給されるガス流量を調整する。インジェクタ１２は、インジェクタの弁体３２が開状態を維持できるトルクになるようにコイル電流がＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ  ｗｉｄｔｈ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御でコントロールされる。ＰＷＭ制御は、パルス幅のデュ−ティ比を変えて行われる。
【００２５】
本実施形態では、インジェクタ１２のＰＷＭ制御のデューティ比を、駆動用のバッテリ２０の電圧と、インジェクタ１２の一次圧力に基づいて算出する補正係数とによって算出し、そのように算出した補正ＰＷＭデューティ比でインジェクタ１２の弁体３２の開閉を制御する。
【００２６】
本実施形態におけるインジェクタ１２の制御方法の一例の概略フローチャートを図３に示す。
【００２７】
まず、ステップＳ１０では、制御部１８は、インジェクタ１２の駆動用のバッテリ２０の電圧を読み込む（バッテリ電圧読込ステップ）。バッテリ２０の電圧の検知は、例えば、電圧検知手段である電圧センサなどを用いて行えばよい。
【００２８】
ステップＳ１２では、制御部１８は、演算部１６により、ステップＳ１０で読み込んだバッテリ２０の電圧に基づいて、基準となる基準ＰＷＭデューティ比を算出する（基準ＰＷＭデューティ比算出ステップ）。基準ＰＷＭデューティ比の算出は、例えば、あらかじめ求めておいた基準ＰＷＭデューティ比マップ（図４参照）に基づいて行えばよい。
【００２９】
ステップＳ１４では、制御部１８は、一次圧力センサ１４によりインジェクタ１２の上流側（一次側）の燃料ガスの圧力を検知する（一次圧力検知ステップ）。
【００３０】
ステップＳ１６では、制御部１８は、演算部１６により、ステップＳ１４で検出された、インジェクタ１２の上流側（一次側）の燃料ガスの圧力に基づく補正係数を算出する（補正係数算出ステップ）。補正係数の算出は、例えば、あらかじめ求めておいた補正マップ（図５参照）に基づいて行えばよい。例えば、基準圧力における補正係数を１とし、一次圧力の値に基づいて補正係数を算出すればよい。
【００３１】
ステップＳ１８では、制御部１８は、演算部１６により、ステップＳ１２で算出した基準ＰＷＭデューティ比と、ステップＳ１６で算出した補正係数とに基づいて、インジェクタ１２の補正ＰＷＭデューティ比を算出する（補正ＰＷＭデューティ比算出ステップ）。
【００３２】
その後、ステップＳ１８で算出した補正ＰＷＭデューティ比でインジェクタ１２の弁体３２の開閉を制御すればよい（制御ステップ）。
【００３３】
この方法では、インジェクタ１２の一次圧に基づく補正係数を反映した補正ＰＷＭデューティ比でインジェクタ１２を制御する。すなわち、一次圧によるトルクの変動を考慮して、コイル電流、すなわちデューティ比を調整する（図６参照）。したがって、インジェクタ１２などの電磁駆動式開閉弁の一次圧力が変動しても、弁体３２の開状態を維持するように制御することができ、車両用の場合、より低燃費で燃料電池スタックへの燃料ガスの供給の制御を行うことができる。
【００３４】
バッテリ２０は、電力の蓄電および放電が可能な蓄電装置である。バッテリ２０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などの二次電池などが挙げられる。
【００３５】
制御装置２８は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、および入出力インタフェースなどを備えるコンピュータシステムであり、制御装置２８は、燃料電池システム１０の各部を制御する。
【００３６】
制御装置２８は、例えば、燃料電池スタック１０の発電量が目標電力に一致するように、エアコンプレッサ２４の回転数やインジェクタ１２の弁体３２の開閉などを調整し、燃料電池スタック１０への反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）の供給量を調整する。
【００３７】
本実施形態に係る燃料電池システム、燃料電池システムの燃料ガス供給システムおよび燃料電池システムの燃料ガス供給方法は、車両用の電源システムなどに用いることができるが、これに限られるものではない。
【符号の説明】
【００３８】
１  燃料電池システム、３  燃料ガス供給システム、１０  燃料電池スタック、１２  インジェクタ、１４  一次圧力センサ、１６  演算部、１８  制御部、２０  バッテリ、２２  燃料ガス供給源、２４  エアコンプレッサ、２６  加湿器、２８  制御装置、３０  燃料ガス供給流路、３２  弁体、３４  ソレノイドコイル、３６  可動部、３８  噴射孔。
【図１】
2011003404.tif 000003
【図２】
2011003404.tif 000004
【図３】
2011003404.tif 000005
【図４】
2011003404.tif 000006
【図５】
2011003404.tif 000007
【図６】
2011003404.tif 000008
【図７】
2011003404.tif 000009