(57)【要約】【課題】本明細書は、燃料電池スタックへの反応ガスへの供給を制御する開閉弁を開状態に保持するための下限値を正確に決定する。【解決手段】燃料電池システムは、開閉弁と、コントローラと、電流センサと、圧力センサを備えている。開閉弁は、燃料電池スタックへの反応ガスの供給路に設けられている。開閉弁は、駆動電流によって開閉が制御される。コントローラは、デューティ比によって開閉弁の駆動電流を制御する。電流センサは、開閉弁に流れる電流を計測する。圧力センサは、供給路の開閉弁よりも下流側に設けられている。コントローラは、開閉弁が開いているときにデューティ比を漸減させていき、圧力センサの計測値の変化に基づいて開閉弁の開から閉への切り換わりを判定する。コントローラは、開閉弁が開から閉へ切り換わったときの電流センサの計測値に基づいて、開閉弁を開状態に保持のための電流の下限値を決定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックへの反応ガスの供給路に設けられており、電流制御される開閉弁と、
デューティ比によって前記開閉弁の駆動電流を制御するコントローラと、
前記開閉弁に流れる電流を計測する電流センサと、
前記供給路の前記開閉弁よりも下流側に設けられている圧力センサと、
を備えており、
前記コントローラは、前記開閉弁が開いているときに前記デューティ比を漸減させていき、前記圧力センサの計測値の変化に基づいて前記開閉弁の開から閉への切り換わりを判定し、前記開閉弁が開から閉へ切り換わったときの前記電流センサの計測値に基づいて、前記開閉弁の開状態を保持する電流の下限値を決定する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。特に、燃料電池スタックへ反応ガスを供給する供給路に設けられている開閉弁を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池スタックへの反応ガスの供給路にインジェクタと呼ばれる開閉弁を備えている。電流が遮断したときにガスが漏れないように、開閉弁には、通電電流（駆動電流）によって開くノーマルクローズタイプが用いられる。コントローラは、ＰＷＭ信号のデューティ比によって開閉弁の駆動電流を制御する。燃料電池システム自体の消費電力を抑えるため、必要最低限の電流で開閉弁の開状態を保持できることが望ましい。特許文献１には、開閉弁が開いた状態で、開閉弁に供給するデューティ比を漸減させていき、開閉弁が閉じたときのデューティ比を、開状態を保持するためのデューティ比の下限値とする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０８６３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
開閉弁に供給するデューティ比と開閉弁に流れる駆動電流の関係は、駆動電流の電源の電圧変化や、開閉弁の内部抵抗の経時変化によって変動することがある。それゆえ、特許文献１の技術では、保持したデューティ比が真の下限値からずれるおそれがある。本明細書は、燃料電池スタックに反応ガスを供給する供給路に設けられている開閉弁を開状態に保持するための制御の下限値を正確に決定する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する燃料電池システムは、開閉弁と、コントローラと、電流センサと、圧力センサを備えている。開閉弁は、燃料電池スタックへの反応ガスの供給路に設けられている。開閉弁は、駆動電流によって開閉が制御される。コントローラは、デューティ比によって開閉弁への駆動電流を制御する。電流センサは、開閉弁に流れる電流を計測する。圧力センサは、供給路の開閉弁よりも下流側に設けられている。コントローラは、開閉弁が開いているときにデューティ比を漸減させていき、圧力センサの計測値の変化に基づいて開閉弁の開から閉への切り換わりを判定する。コントローラは、開閉弁が開から閉へ切り換わったときの電流センサの計測値に基づいて、開閉弁の開状態保持のための電流の下限値を決定する。本明細書が開示する燃料電池システムは、開閉弁が開から閉に切り換わったときのデューティ比ではなく、電流値に基づいて下限値を決定する。それゆえ、コントローラは、決定された下限値以上の電流を流すことで、バッテリの状態、あるいは、開閉弁の内部抵抗の変動に関わらずに、開閉弁の開状態を確実に保持することができる。なお、コントローラは、例えば、開閉弁が開から閉へ切り換わったときの電流センサの計測値に所定のマージンを加えた値を下限値として保持してもよい。また、コントローラは、今回取得した電流値と過去に取得した電流値を合わせて、所定の学習アルゴリズムによって下限値を決定してもよい。
【０００６】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の燃料電池システムのブロック図である。
【図２】コントローラが実行する下限値決定処理のフローチャートである。
【図３】下限値決定処理のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。図１に、燃料電池システム２のブロック図を示す。燃料電池システム２は、自動車に搭載され、走行用モータに電力を供給する装置である。図１において、破線矢印線は、信号線を意味している。
【０００９】
燃料電池システム２は、燃料電池スタック３と、水素タンク４と、水素タンク４から燃料電池スタック３へ水素ガス（反応ガス）を供給する供給路５と、インジェクタ６と、コントローラ１０を備えている。燃料電池スタック３は、セルと呼ばれる多数の発電単位を直列に接続したものである。燃料電池スタック３は、燃料極（アノード）に水素が供給され、空気極（カソード）に酸素（空気）が供給されると発電する。なお、燃料電池システム２は、酸素（空気）を供給する系を有しているが、酸素供給系については図示を省略してある。燃料電池スタック３での反応で残った酸素（空気）は、空気排出路２４とマフラ２５を通じて外部へ排出される。
【００１０】
水素ガスは、水素タンク４から供給路５を通じて燃料電池スタック３の燃料極に送られる。供給路５には、インジェクタ６と、２個の圧力センサ７、８が備えられている。圧力センサ７はインジェクタ６よりも下流側で供給路５に取り付けられており、圧力センサ８は、インジェクタ６よりも上流側で供給路５に取り付けられている。圧力センサ７（８）は、インジェクタ６の下流側（上流側）の供給路５の内部圧力を計測する。圧力センサ７、８が計測した圧力は、コントローラ１０に送られる。
【００１１】
インジェクタ６は、水素タンク４の水素ガスの圧力を燃料電池スタック３に適した圧力に制限するデバイスであるが、構造は単純な開閉弁である。インジェクタ６は、電磁弁で開閉するので、ＤＣ電源２１が接続されている。インジェクタ６は、電力が遮断されたときに水素ガスを逃がさないように、ノーマルクローズタイプである。インジェクタ６は、所定の電流値よりも大きい電流（駆動電流）が供給されると開き、所定の電流値を下回る駆動電流では、閉じたままとなる。
【００１２】
ＤＣ電源２１とインジェクタ６の間の電力線には電流センサ９が備えられている。電流センサ９は、ＤＣ電源２１からインジェクタ６に供給される駆動電流を計測する。計測された電流値は、コントローラ１０に送られる。
【００１３】
コントローラ１０は、インジェクタ６を含め、燃料電池システム２の全体を制御する。本実施例では、インジェクタ６の制御に注目しているので、インジェクタ６以外のデバイスの制御については図示と説明を割愛する。コントローラ１０は、上位コントローラ３０からの指令を受け、インジェクタ６と他のデバイスを制御する。コントローラ１０は、プログラムそのほかを記憶しているメモリ１２と、メモリ１２に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ１３（Central Processing Unit １３）を備えている。メモリ１２には、プログラムのほか、インジェクタ６を開状態に保持するのに必要な電流の下限値などのデータも記憶されている。
【００１４】
先に述べたように、インジェクタ６は、所定の電流値よりも大きい駆動電流が供給されると開き、所定の電流値よりも小さい駆動電流では閉じたままとなる。コントローラ１０は、ＰＷＭ信号をインジェクタ６に供給し、インジェクタ６の駆動電流を制御する。ＰＷＭ信号のデューティ比が大きいほど、大きい駆動電流が流れる。
【００１５】
インジェクタ６を長期間使っていると、インジェクタの電気抵抗成分が大きくなって、同じデューティ比でも流れる電流が小さくなり、インジェクタが閉弁することがある。一方、インジェクタ６の開状態を保持するのに切換電流閾値よりも十分大きい電流を流し続けるのは消費電力の無駄である。そこで、コントローラ１０は、インジェクタ６の開状態を保持する電流の下限値を特定する（決定する）処理を実行する。そのような処理は、パーキングパージの際に実行される。パーキングパージとは、車両が停車しているときに、燃料電池スタック３の残留ガスを吐き出すとともに、マフラ２５に残っている水分を外部へ吐き出す処理である。車両走行中は、燃料電池スタック３で発電される電力を精緻に制御するため、インジェクタ６の開閉は素早く行われる。一方、パーキングパージの際には、インジェクタ６を閉じる際に高速な動作が要求されないので、コントローラ１０は、パーキングパージの時に電流の下限値を決定する処理を実行する。以下では、インジェクタ６の開状態を保持するのに必要な電流の下限値を単純に「下限値」と称する。
【００１６】
図２に、下限値を決定する処理のフローチャートを示す。図２の処理は、パーキングパージにおいて、コントローラ１０が、上位コントローラから３０からインジェクタ６を閉じる指令を受けると実行される。図２の処理が開示される前は、上位コントローラ３０からインジェクタ６を開く指令が出力されている。コントローラ１０は、上位コントローラ３０からの指令に基づき、所定のデューティ比のＰＷＭ信号をインジェクタ６に供給し、インジェクタ６の開状態を保持している。
【００１７】
インジェクタ６を閉じる指令を上位コントローラ３０から受信すると、コントローラ１０は、インジェクタ６に供給するＰＷＭ信号のデューティ比を、それまでのデューティ比からわずかに下げる（ステップＳ２）。コントローラ１０は、例えば、デューティ比を３％下げる。デューティ比が下がるので、ＰＷＭ信号を受けたインジェクタ６では、駆動電流がわずかに低下する。
【００１８】
次にコントローラ１０は、圧力センサ７、８の計測データを取得し、インジェクタ６の上流と下流の圧力差を算出する（ステップＳ３）。コントローラ１０は、ステップＳ３で算出した圧力差と所定の圧力差閾値を比較する（ステップＳ４）。インジェクタ６が開いている間は、圧力差は小さい。インジェクタ６が閉じると、下流側の圧力が下がり、上流側の圧力が上がるので、圧力差は急激に大きくなる。圧力差閾値には、インジェクタ６が閉じたときに生じる圧力差の推定値と、インジェクタ６が開いているときの圧力差の推定値の中間の値が設定されている。即ち、ステップＳ４の判定がＮＯのときは、インジェクタ６がまだ開いたままであることを意味し、ステップＳ４の判定がＹＥＳになると、インジェクタ６が閉じたことを意味する。ステップＳ４の処理により、コントローラ０は、インジェクタ６が開から閉への切り換わりを判定する（検知する）。
【００１９】
ステップＳ４の判定がＮＯの場合（即ち、インジェクタ６が開いている場合）、コントローラ１０は、ステップＳ２の処理に戻り、ＰＷＭ信号のデューティ比をさらにわずかに下げる。そして、コントローラ１０は、ステップＳ３、Ｓ４の処理を繰り返す。コントローラ１０は、ステップＳ４の判定がＹＥＳとなるまで、ステップＳ２−Ｓ４の処理を繰り返す。ステップＳ２−Ｓ４の処理が繰り返される毎に、インジェクタ６へ指令するデューティ比がわずかに下がる。即ち、コントローラ１０は、インジェクタ６へ指令するデューティ比を漸減させる。
【００２０】
ステップＳ４の判定がＹＥＳになると、コントローラ１０は、電流センサ９から、そのときのインジェクタ６の駆動電流を取得する（ステップＳ５）。このときの電流値は、インジェクタ６が開から閉に切り換わるときの電流値である。すなわち、このときの電流値が、先に述べた切換電流閾値に相当する。このときの電流値（切換電流閾値）よりもわずかに高い電流値が、インジェクタ６を開状態に保持するのに必要な電流の下限値に相当する。
【００２１】
切換電流閾値が特定できたら、コントローラ１０は、デューティ比を一気にゼロに下げ（ステップＳ５）。最後に、コントローラ１０は、取得した電流値（切換電流閾値）と過去の下限値決定処理で取得したデータに基づいて新たな下限値を決定する（ステップＳ６）。ステップＳ６の処理では、コントローラ１０は、具体的には、次の処理を行い、新たな下限値を決定する。コントローラ１０は、下限値決定処理の過去１０回分、ステップＳ５で取得した電流値をメモリ１２に記憶している。コントローラ１０は、今回新たに取得した電流値と、過去１０回分の電流値の移動平均を算出する。算出された移動平均に所定のマージンを加えた値を、新たな下限値として、メモリ１２の過去の下限値を更新する。
【００２２】
以上の処理により、コントローラ１０は、インジェクタ６を開状態に保持するために必要な電流の下限値を更新する。以後、コントローラ１０は、上位コントローラ３０からインジェクタ６を開く指令を受けると、インジェクタ６の駆動電流が下限値以上となるように、デューティ比を決定する。こうして、燃料電池システム２は、無駄な電力を消費することなく、かつ、確実に、インジェクタ６を開状態に保持することができる。
【００２３】
図３を用いて、下限値を決定するときのパーキングパージ処理のタイムチャートを説明する。なお、パーキングパージ処理であることは、既に上位コントローラ３０からコントローラ１０に通知されているとする。図３（１）は、上位コントローラ３０がコントローラ１０に与える指令を示している。上位コントローラ３０は、時刻ｔ１にインジェクタ６を開く指令を出力し、時刻ｔ４にパーキングパージ処理を終了するためにインジェクタ６を閉じる指令を出力する。
【００２４】
図３（２）は、コントローラ１０がインジェクタ６に与えるＰＷＭ信号のデューティ比を示している。図３（３）は、インジェクタ６の駆動電流を示している。図３（４）は、インジェクタ６の上流と下流の圧力差を示している。時刻ｔ１以前は、インジェクタ６が閉じているので、圧力差は大きい（図３の矢印Ｐ１が示す箇所）。
【００２５】
時刻ｔ１に開指令を上位コントローラ３０から受けると、コントローラ１０は、まず１００％のデューティ比のＰＷＭ信号をインジェクタ６へ送る（図３の矢印Ｐ２が示す箇所）。そうすると、インジェクタ６には、最大駆動電流Ｉ１が流れ（図３の矢印Ｐ３の箇所）、インジェクタ６は閉状態から直ちに開状態に切り換わる。インジェクタ６が開状態に切り換わるので、圧力差は急激に小さくなる（図３の矢印Ｐ４が示す箇所）。一方、コントローラ１０は、１００％のデューティ比を一定時間指令した後、駆動電流がそのときの下限値Ｉ２を保持するように、デューティ比を調整する（図３の矢印Ｐ５、Ｐ６の箇所）。下限値Ｉ２は、前回の図２の処理で決定された下限値である。インジェクタ６の駆動電流が下限値Ｉ２に保持されている間、インジェクタ６は開いているので、圧力差は小さいままである（図３の矢印Ｐ７の箇所）。
【００２６】
時刻ｔ４に上位コントローラ３０からインジェクタ６を閉じる指令を受け取ると、コントローラ１０は、デューティ比を漸減させる（図３の矢印Ｐ８の箇所）。デューティ比が下がるにつれて、インジェクタ６の駆動電流も漸減する（図３の矢印Ｐ９の箇所）。
【００２７】
駆動電流の大きさが、インジェクタ６の電磁弁が開を保持するのに必要な電流を下回ったところでインジェクタ６が開から閉に切り換わる。インジェクタ６が開から閉に切り換わると、圧力差が急激に大きくなる（図３の矢印Ｐ１０が示す箇所）。コントローラ１０は、圧力差が急激に大きくなったときの駆動電流の値（電流値Ｉ３）を取得し、図２のステップＳ６の処理により、新たな下限値を決定する。電流値Ｉ３が、先に述べた切換電流閾値に相当する。
【００２８】
実施例の燃料電池システム２が実行する下限値決定処理の利点を挙げる。コントローラ１０は、インジェクタ６の駆動電流をモニタしており、圧力差からインジェクタ６が閉じたと推定される時点を特定し、その時点の駆動電流に基づいて、電流の下限値を決定する。一般に、インジェクタ６に与えられるデューティ比と、そのデューティ比によって流れる駆動電流との間の関係はずれることがある。ずれる原因は、駆動電流の電源（図１のＤＣ電源２１）の電圧変動や、インジェクタ６の電磁弁の内部抵抗の変動などである。即ち、同じデューティ比であっても、駆動電流は変わることがある。それゆえ、インジェクタ６を開に保持する下限値をデューティ比で決定してしまうと、正確ではなくなるおそれがある。実施例の燃料電池システム２では、インジェクタ６の開状態を保持するのに必要な制御の下限値を駆動電流の大きさで決定する。それゆえ、上記したデューティ比の問題は生じない。
【００２９】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の下限値決定処理では、圧力差が急変したときの電流値と過去の電流値の移動平均を使って切換電流閾値を特定し、その値に基づいて新たな下限値を決定した。コントローラ１０は、別のアルゴリズムで新たな下限値を決定してもよい。コントローラ１０は、例えば、最新の電流値と過去の電流値を用いた学習アルゴリズムを使って新たな下限値を決定してもよい。あるいは、コントローラ１０は、単純に、ステップＳ５で取得した電流値に所定のマージンを加えた値を新たな下限値として決定してもよい。コントローラ１０は、デューティ比を漸減させている間に圧力差が急変したときの電流値に基づいて新たな下限値を決定すれはよい。
【００３０】
図２のフローチャートでは、コントローラ１０は、インジェクタ６の上流側の圧力と下流側の圧力の差（圧力差）に基づいてインジェクタ６が開状態から閉状態への切り換わりを検知した。コントローラ１０は、インジェクタ６の下流側の圧力の変化から、開状態から閉状態への切り換わりを検知するようにしてもよい。インジェクタ６が開から閉に切り換わると、下流側の圧力は急激に下がるからである。
【００３１】
実施例のインジェクタ６が、開閉弁の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、燃料電池スタックへ反応ガスを供給する供給路に設けられている開閉弁の下限値決定に適用可能である。即ち、本明細書が開示する技術は、燃料電池スタックへ酸素ガス（空気）を供給する供給路に設けられている開閉弁の下限値決定に適用してもよい。
【００３２】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３３】
２：燃料電池システム
３：燃料電池スタック
４：水素タンク
５：供給路
６：インジェクタ
７、８：圧力センサ
９：電流センサ
１０：コントローラ
１２：メモリ
１３：ＣＰＵ
２１：ＤＣ電源
２４：空気排出路
２５：マフラ
３０：上位コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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