JP2006344394A - 燃料電池付きアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】スーパーキャパシタの充電中に駆動指令を受けた場合の充電不足状態でのコントロールバルブの駆動を防ぐ。
【解決手段】スーパーキャパシタの充電中にコントロールバルブ（コントロールバルブ内のモータ）に対する駆動指令を受けた場合、燃料電池の発電能力をアップし、スーパーキャパシタを急速充電させる。例えば、燃料電池を２セル構造とし、通常は１つのセルで発電を行うようにし、この１つのセルでのスーパーキャパシタへの充電中にコントロールバルブに対する駆動指令を受けた場合、もう１つのセルを追加発電する。
【選択図】 図１２

Description

この発明は、電源として燃料電池を備えた燃料電池付きアクチュエータに関するものである。

従来より、例えば空調用の配管には、配管内を流れる温水や冷水の流量を制御するコントロールバルブを設けている。このコントロールバルブは、電源線、制御信号線などの配線工事を必要とする。このため、このコントロールバルブを既設建物の配管に設置する場合はもちろんのこと、新設建物の配管に設置する場合においても、配線工事を伴うことになる。この配線工事は、天井裏等の作業が困難な場所であることが多く、かなりの手間と時間を必要とする。また、線材などの材料費も掛かる。

なお、コントロールバルブに無線で制御指令を与えるタイプもあるが（特許文献１）、電源は電灯電源などから取るしかなく、制御信号線の配線工事は省略することができても、電源線の配線工事を省略することはできない。
また、電源を１次電池や２次電池とすることも考えられるが、コントロールバルブを駆動するためには大型の電池を必要とし、広いスペースを必要とするため、コントロールバルブに電池を別途配線により接続しなければならない（特許文献２）。
また、装置と一体化しての１次電池や２次電池の使用は、測定器のような電力消費量が非常に少ない機器に限られていた（特許文献１）。

特開平１１−２３７０９９号公報 特開２００２−９０１９０号公報

これに対して、最近、電池として高分子電解質膜を用いた固体高分子形の燃料電池が脚光を浴び始めている。固体高分子形の燃料電池は、作動温度が常温〜９０℃と低く、起動に必要な時間が短く、頻繁に運転／停止が行われる用途に適している。

例えば、ＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell ）と呼ばれる燃料電池は、高分子電解質膜を２つの電極で挟み込んだ構造とされている。このＤＭＦＣでは、アノード側でメタノール（ＣＨ₃ ＯＨ）と水（Ｈ₂ Ｏ）から水素イオンが作られ、この水素イオンが電解質膜を通過し、カソード側で酸素と反応し、この時、両電極間に接続された負荷に電流が流れる。すなわち、ＤＭＦＣは、メタノールや水を燃料とし、酸素と反応して、発電を行う。

本出願人は、この固体高分子形の燃料電池をコントロールバルブに装着することによって、コントロールバルブから電源線をなくすことを考えている。具体的には、コントロールバルブに、固体高分子形の燃料電池と、この燃料電池が発電する電力の供給を受けて充電される大容量２重電気層キャパシタ（スーパーキャパシタ）とを設け、スーパーキャパシタに充電された電力によってコントロールバルブを駆動することを考えている。

以下、この燃料電池を装着したコントロールバルブを燃料電池付きコントロールバルブと呼ぶ。また、正確に言うと、コントロールバルブ内のモータをアクチュエータとして駆動するが、コントロールバルブを総称してアクチュエータと呼ぶ。この燃料電池付きコントロールバルブによれば、電源線が不要であり、無線で制御指令を与えるようにすることによって、電源線と制御信号線の両方を省略した配線工事を全く必要としないコントロールバルブを提供することが可能となる。

また、本出願人は、燃料電池付きコントロールバルブのスーパーキャパシタへの充電方式として、スーパーキャパシタの充電量を監視し、この充電量が予め定められた閾値よりも低くなった場合、スーパーキャパシタが満充電状態に達するまで、燃料電池の発電を行わせることを考えている。このような充電方式を採用すると、スーパーキャパシタの充電量が自然放電やコントロールバルブの駆動などによって閾値よりも低くなった場合にだけ、燃料電池の発電が行われるので、燃料の消費を低減することができる。

この充電方式では、スーパーキャパシタの充電中にコントロールバルブに対する駆動指令を受けた場合、その時のスーパキャパシタの充電量が少ないと、その駆動指令に従うコントロールバルブの駆動に要する電力量を確保することができず、バルブが目標開度位置に達する前にモータが自然に停止してしまう虞れがある。なお、スーパキャパシタが満充電に達するまで充電中の駆動指令に従う動作を遅らせることが考えられるが、このようにするとスーパキャパシタが満充電に達するまで待たなければならず、迅速な動作が阻害される。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、キャパシタの充電中に駆動指令を受けても、充電量が不足した状態でアクチュエータが駆動されてしまう虞れがなく、その駆動指令に従う迅速な動作を行わせることも可能な燃料電池付きアクチュエータを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、燃料電池と、この燃料電池が発電する電力の供給を受けて充電されるキャパシタと、このキャパシタに充電された電力の供給を受けて駆動されるアクチュエータとを備えた燃料電池付きアクチュエータにおいて、キャパシタの充電中にアクチュエータに対する駆動指令を受けた場合、燃料電池の発電能力をアップし、キャパシタを急速充電させる手段を設けたものである。
この発明によれば、キャパシタの充電中にアクチュエータに対する駆動指令を受けると、すなわち燃料電池を発電させてのキャパシタの充電中にアクチュエータに対する駆動指令を受けると、燃料電池の発電能力がアップし、キャパシタが急速充電される。なお、燃料電池の発電能力のアップは、例えば、燃料電池を２セル構造とし、通常は１つのセルで発電を行うようにし、この１つのセルでのキャパシタへの充電中にアクチュエータに対する駆動指令を受けた場合、もう１つのセルを追加発電することによって実現することが可能である。

本発明において、キャパシタの充電中にアクチュエータに対する駆動指令を受けた場合、その駆動指令に従うアクチュエータの駆動に要する電力量を演算するようにし、この演算したアクチュエータの駆動に要する電力量とキャパシタの充電量とを比較して急速充電を行わせるか否かを判定するようにしてもよい。この場合、アクチュエータの駆動に要する電力量がキャパシタの充電量よりも少なければ、現在のキャパシタの充電量で賄うことが可能であると判断し、燃料電池の発電能力のアップは行わない。これに対し、アクチュエータの駆動に要する電力量がキャパシタの充電量よりも多ければ、現在のキャパシタの充電量では賄うことができないと判断し、燃料電池の発電能力のアップを行う。

また、本発明では、急速充電させながら充電中の駆動指令に従う動作を行わせるようにしてもよいが、このようにすると放電しながらの充電となり、燃料消費量が増す。これを避けるためには、急速充電によって、キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、駆動指令に従うアクチュエータの駆動を開始させるようにすればよい。この場合、キャパシタが規定の充電量になるまで充電中の駆動指令に従う動作が遅れることになるが、キャパシタは急速充電によってその充電量が増大するため、遅れる量は小さい。

また、本発明において、アクチュエータの駆動中、燃料電池の発電を禁止するようにしてもよい。このようにすると、アクチュエータが駆動されている間（駆動開始から駆動停止までの期間）は、キャパシタの充電量が低下しても、燃料電池の発電は行われない。すなわち、アクチュエータの駆動中はキャパシタの充電量が低下して行くが、このキャパシタの充電量を高めようとする燃料電池からの充電は行われない。充電が行われるのは、アクチュエータの駆動が完了してからであり、これにより効率よくキャパシタを充電し、燃料電池の発電効率を上げ、燃料消費を抑えることが可能となる。

また、アクチュエータの駆動中の燃料電池の発電を禁止するようにした場合、キャパシタの充電中にアクチュエータに対する駆動指令を受けると、すぐにその駆動指令に従うのではなく、キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、その駆動指令に従わせるようにするとよい。このようにすると、キャパシタの充電量が規定の充電量（Ｖful+）に達した後に、それまで待たされていた充電中の駆動指令に従うアクチュエータの駆動が開始される。これにより、キャパシタの充電量が不足した状態で、アクチュエータが駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。

また、本発明において、アクチュエータの駆動中の燃料電池の発電を禁止するようにした場合、第１の駆動指令に従うアクチュエータの駆動中に第２の駆動指令を受信すると、第１の駆動指令に従うアクチュエータの駆動が完了した後に燃料電池の発電を開始させ、この燃料電池からの電力の供給を受けて充電されるキャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、第２の駆動指令に従うアクチュエータの駆動を開始させるようにしてもよい。

この場合、第１の駆動指令（現在コマンド）に従うアクチュエータの駆動中に第２の駆動指令（新コマンド）を受けても、すぐにはその駆動指令に従わず、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動が続けられる。すなわち、現在コマンドが優先され、新コマンドが待たされる。そして、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動が完了すると、燃料電池の発電が開始され、キャパシタへの充電が行われる。そして、このキャパシタの充電量が規定の充電量（Ｖful+）に達した後に、それまで待たされていた新コマンドに従うアクチュエータの駆動が開始される。これにより、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動が完了した後、キャパシタの充電量が不足した状態で、新コマンドに従うアクチュエータの駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。

また、本発明において、アクチュエータの駆動中の燃料電池の発電を禁止するようにした場合、第１の駆動指令に従うアクチュエータの駆動中に第２の駆動指令を受信した場合、アクチュエータの駆動を停止させるとともに燃料電池の発電を開始させ、この燃料電池からの電力の供給を受けて充電されるキャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、第２の駆動指令に従うアクチュエータの駆動を開始させるようにしてもよい。

この場合、第１の駆動指令（現在コマンド）に従うアクチュエータの駆動中に第２の駆動指令（新コマンド）を受けると、新コマンドが優先され、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動が直ちに停止される。但し、すぐには新コマンドに従わず、アクチュエータの駆動停止後、燃料電池の発電が開始され、キャパシタへの充電が行われ、このキャパシタの充電量が規定の充電量（Ｖful+）に達した後に、それまで待たされていた新コマンドに従うアクチュエータの駆動が開始される。これにより、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動を停止させた後、キャパシタの充電量が不足した状態で、新コマンドに従うアクチュエータの駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。

なお、本発明において、アクチュエータとしては、配管やダクト内を流れる流体の流量を制御するコントロールバルブ（コントロールバルブ内のモータ）が代表例として挙げられるが、他のタイプのアクチュエータであってもよい。すなわち、本発明において、アクチュエータはコントロールバルブに限られるものではなく、種々のタイプのアクチュエータについて同様の手法を適用することが可能である。
また、本発明では、通常の場合の制御方法として、キャパシタの充電量を監視し、この充電量が予め定められた閾値（Ｖful ）よりも低くなった場合、キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量（Ｖful+）に達するまで、燃料電池の発電を行わせるように制御することが望まれるが、必ずしもこのような制御を行わなくてもよく、燃料電池を常に発電状態としておくようにしてもよい。

本発明によれば、キャパシタの充電中に駆動指令を受けた場合、燃料電池の発電能力をアップし、キャパシタを急速充電させるようにしたので、充電量が不足した状態でアクチュエータが駆動されてしまう虞れがなく、その駆動指令に従う迅速な動作を行わせることも可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明の一実施の形態を示す燃料電池付きコントロールバルブのブロック構成図である。この燃料電池付きコントロールバルブ１００において、１０１はコントロールバルブ、１０２は電源供給部であり、コントロールバルブ１０１と電源供給部１０２とは一体化されている。

コントロールバルブ１０１は、モータ１と、バルブ駆動部２と、制御部３と、無線信号受信部４とを備えている。無線信号受信部４は、上位装置からの無線信号を受信し、受信した無線信号を制御部３へ送る。制御部３は、無線信号受信部４を介して送られてくる無線信号に含まれる指令に基づき、モータ１の起動・停止を制御する。モータ１は、バルブ駆動部２を介して、バルブ２−１の開閉角度位置を変える。

電源供給部１０２は、燃料電池５と、スーパーキャパシタ（大容量２重電気層キャパシタ）６とを備えている。燃料電池５は、燃料電池本体５−１と、燃料タンク５−２とを備え、燃料タンク５−２は交換可能とされている。本実施の形態において、燃料電池５としては、ＤＭＦＣを用いている。したがって、燃料タンク５−２には、メタノール（ＣＨ₃ ＯＨ）と水（Ｈ₂ Ｏ）が燃料として蓄えられている。なお、燃料電池５として、ＤＭＦＣ以外のタイプのものを用いてもよいことは言うまでもない。

図２に燃料電池本体５−１の要部（セル構造）を示す。燃料電池本体５−１は、燃料極（アノード）５Ａと、空気極（カソード）５Ｂと、燃料極５Ａと空気極５Ｂとの間に挟まれた高分子電解質膜５Ｃとを有している。この燃料電池本体５−１において、発電する場合、燃料タンク５−２に蓄えられているメタノールと水を燃料極５Ａへ送り、空気ないしは酸素を空気極５Ｂへ送る。なお、図示してはいないが、燃料電池本体５−１には燃料極５Ａへ燃料（メタノールと水）を送るためのポンプや空気極５Ｂへ空気ないしは酸素を送るためのファンなどが設けられている。

これにより、燃料極５Ａ側（アノード側）でメタノール（ＣＨ₃ ＯＨ）と水（Ｈ₂ Ｏ）から水素イオンが作られ（ＣＨ₃ ＯＨ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋６Ｈ⁺ ＋６ｅ^- ）、この水素イオンが高分子電解質膜５Ｃを通過し、空気極５Ｂ側（カソード側）で酸素と反応し（３／２Ｏ₂ ＋６Ｈ⁺ ＋６ｅ^- →３Ｈ₂ Ｏ）、この時、両電極５Ａ，５Ｂ間に接続された負荷Ｌに電流が流れる。

本実施の形態において、負荷Ｌは、スーパーキャパシタ６とされている。すなわち、本実施の形態において、スーパーキャパシタ６は、燃料電池５が発電する電力の供給を受けて充電されるように、燃料電池本体５−１の燃料極５Ａと空気極５Ｂとの間に負荷Ｌとして接続されている。また、スーパーキャパシタ６には、このスーパーキャパシタ６からの電力の供給を受けて駆動されるように、モータ１が接続されている。

制御部３は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、本実施の形態特有の機能として燃料消費を最小限に抑えるための燃料消費削減機能と、モータ駆動中に新しい駆動指令を受けた場合の駆動指令遅延機能と、充電中に駆動指令を受けた場合の駆動指令遅延機能と、充電中に駆動指令を受けた場合の急速充電機能とを有している。これらの機能については、後述する。

図３に燃料電池５とスーパーキャパシタ６とモータ１との電気的な接続関係を示す。この回路図からも分かるように、本実施の形態では、燃料電池５を第１のセルＣＥＬ１と第２のセルＣＥＬ２との２セル構造としており、この２セル構造の燃料電池５に対して、スーパーキャパシタ６とモータ１とを並列に接続している。第１のセルＣＥＬ１と第２のセルＣＥＬ２はその発電能力が同一とされている。

なお、この回路図では、説明を分かり易くするために、燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１の起動・停止がスイッチＳＷ１により、燃料電池５の第２のセルＣＥＬ２の起動・停止がスイッチＳＷ２により、モータ１の起動・停止がスイッチＳＷ３により行われるものとしている。この回路図において、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、制御部３からの指示を受けてオン／オフされる。

燃料電池５における第１のセルＣＥＬ１の起動・停止は、実際には、図４に示すように、第１のセルＣＥＬ１の燃料極５Ａ１への燃料（メタノールと水）の供給通路に設けられたマイクロバルブＶＢ１，ＶＢ２、空気極５Ｂ１への空気ないしは酸素の供給通路に設けられたマイクロバルブＶＢ３，ＶＢ４をオン・オフすることによって行われる。また、燃料電池５における第２のセルＣＥＬ２の起動・停止は、第２のセルＣＥＬ２の燃料極５Ａ２への燃料（メタノールと水）の供給通路に設けられたマイクロバルブＶＢ５，ＶＢ６、空気極５Ｂ２への空気ないしは酸素の供給通路に設けられたマイクロバルブＶＢ７，ＶＢ８をオン・オフすることによって行われる。

この構成において、制御部３は、マイクロバルブＶＢ１〜ＶＢ４の全てを同時にオン（開）とすることによって第１のセルＣＥＬ１の発電を開始させ、マイクロバルブＶＢ１〜ＶＢ４の全てを同時にオフ（閉）とすることによって第１のセルＣＥＬ１の発電を停止させる。また、マイクロバルブＶＢ５〜ＶＢ８の全てを同時にオン（開）とすることによって第２のセルＣＥＬ２の発電を開始させ、マイクロバルブＶＢ５〜ＶＢ８の全てを同時にオフ（閉）とすることによって第２のセルＣＥＬ２の発電を停止させる。

図５にこの燃料電池付きコントロールバルブ１００を配管２００に取り付けた状態を示す。配管２００には空調用の温水や冷水が流れる。この配管２００の途中に燃料電池付きコントロールバルブ１００が取り付けられている。

この燃料電池付きコントロールバルブ１００において、制御部３や無線信号受信部４、燃料電池本体５−１、スーパーキャパシタ６などはコントロールボックス７の内部に収容されており、このコントロールボックス７に対してカートリッジ式の燃料タンク５−２が着脱可能に取り付けられている。また、コントロールボックス７にはアンテナ８が設けられており、このアンテナ８を介して上位装置からの無線信号がコントロールボックス７内の無線信号受信部４へ送られるようになっている。

この燃料電池付きコントロールバルブ１００は、配管２００の設置状況に応じ、天井裏、空調機械室内、空調装置内等に置かれるが、電源として燃料電池５を用いているので電源線を必要とせず、また上位装置からの指令も無線で送られてくるので制御信号線を必要ともしない。したがって、既設建物の配管に設置する場合はもちろんのこと、新設建物の配管に設置する場合においても、配線工事を必要とせず、工事費を大幅に削減することができる。また、線材などの材料費も削減され、現場設置の自由度も高まる。

〔燃料消費削減機能〕
この燃料電池付きコントロールバルブ１００において、スーパーキャパシタ６への充電は、制御部３が有する燃料消費削減機能に従って、次のようにして行われる。

〔前提条件１〕
なお、以下の説明では、制御部３がコントロールバルブ１０１（コントロールバルブ１０１内のモータ１）に対する駆動指令としてバルブ１００％開コマンドを受信した場合、このバルブ１００％開コマンドに従って全閉状態にあるバルブ２−１を全開状態とするまでの時間、すなわちバルブ２−１を全閉から全開とするまでのモータ１の駆動時間は、６０秒とする（図６（ａ）参照）。また、バルブ２−１を全閉から全開とするまでのモータ１の駆動により、すなわちモータ１の６０秒間の駆動により、満充電状態（充電々圧Ｖcap ＝Ｖful+）にあるスーパーキャパシタ６の充電量が零（Ｖcap ＝０）まで低下するものとする（図６（ｂ）参照）。

〔前提条件２〕
また、以下の説明では、充電量零（Ｖcap ＝０）の状態にあるスーパーキャパシタ６が燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１からの電力の供給を受けて満充電状態（Ｖcap ＝Ｖful+）となるまでの時間は、６０秒とする（図７（ａ），（ｂ）参照）。すなわち、燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１を６０秒間発電すると、充電量零（Ｖcap ＝０）の状態にあるスーパーキャパシタ６が満充電状態（Ｖcap ＝Ｖful+）になるものとする。

〔場合１：モータ１が停止している場合〕
制御部３は、スーパーキャパシタ６の充電量としてその充電々圧Ｖcap を監視し、この充電々圧Ｖcap が予め定められた閾値（Ｖful ：Ｖful ＜Ｖful+）よりも低くなった場合（図８に示すｔ１点）、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達するまで（図８に示すｔ２点）、燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１の発電を行わせる。図３に示した回路で言えば、図８に示す期間ｔ１〜ｔ２のＸ秒間、スイッチＳＷ１をオンとする。

この場合、スイッチＳＷ２はオフのままとし、燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１のみによって発電を行う。以下、この第１のセルＣＥＬ１のみによる発電を通常の発電と呼び、第２のセルＣＥＬ２を加えた発電を能力アップ時の発電と呼ぶ。能力アップ時の発電については後述する。

これにより、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap が自然放電などによってＶful よりも低くなった場合にのみ、充電々圧Ｖcap がＶful+に達するまで、燃料電池５の発電が行われ、燃料の消費が低減される。

〔場合２：モータ１が駆動中である場合〕
制御部３は、上位装置からの無線信号に含まれる指令に基づき、モータ１の起動・停止を制御する。例えば、今、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful であり、バルブ２−１が全閉状態にあるものとする。このような状態で、上位装置からの駆動指令としてバルブ１００％開コマンドが受信され、制御部３へ与えられたとする。

この場合、制御部３は、モータ１へ起動指令を送り、バルブ２−１を開く方向へモータ１を６０秒間駆動する（図９に示すｔ１〜ｔ２点）。図３に示した回路で言えば、図９に示す期間ｔ１〜ｔ２の６０秒間、スイッチＳＷ３をオンとする。これにより、バルブ２−１が開かれて行き、全開状態となる。一方、モータ１はスーパーキャパシタ６からの電力の供給を受けて駆動されるので、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap は低下して行く。

ここで、上述した「場合１」の制御に従えば、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful よりも低下すると、燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１の発電が開始されるものとなる。しかし、この「場合１」の制御は、あくまでもモータ１が停止している場合に行われるものであって、モータ１の駆動中は適用されない。

モータ１の駆動中は、「場合１」の制御ではなく、「場合２」の制御が適用される。「場合２」の制御において、制御部３は、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful を下回っても、燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１の発電は行わない。すなわち、制御部３は、モータ１が駆動されている間（図９に示す期間ｔ１〜ｔ２の間）、燃料電池５の発電を禁止する。

そして、制御部３は、モータ１の駆動を完了した後（図９に示すｔ２点）、「場合１」の制御に戻り、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達するまで（図９に示すｔ３点）、燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１の発電を行わせる。図３に示した回路で言えば、図９に示す期間ｔ２〜ｔ３の６０秒間、スイッチＳＷ１をオンとする。

このように、本実施の形態では、モータ１の駆動中はスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap が低下して行くが、その間の燃料電池５の発電が禁止されるため、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap を高めようとする燃料電池５からの充電は行われない。すなわち、放電しながらの充電は行われない。充電が行われるのは、モータ１の駆動が完了してからであり、これにより効率よくスーパーキャパシタ６を充電し、燃料電池５の発電効率を上げ、燃料消費を最小限に抑えることが可能となる。

なお、この実施の形態において、制御部３は、上位装置から駆動指令としてバルブ１００％開コマンドを受信した場合、このバルブ１００％開コマンドに従ってモータ１を起動してから６０秒間をモータ１の駆動中と判断し、モータ１の駆動中の燃料電池５の発電を禁止するが、モータ１を起動してからの時間ではなく、モータ１の運転を実際にチェックし、モータ１が実際に運転されている間、燃料電池５の発電を禁止するようにしてもよい。

図１０にモータ１の運転を実際にチェックするようにした場合のフローチャートを示す。なお、このフローチャートにおいて、モータ１の運転状態は、例えばバルブ２−１に対して設けられたポテンショメータ（図示せず）などからの信号に基づいて検出するものとする。以下、このフローチャートに従い、制御部３が行うモータ１が停止している場合の処理動作（処理動作１）と、モータ１が駆動中である場合の処理動作（処理動作２）について説明する。

〔処理動作１：モータ１が停止している場合〕
制御部３は、モータ１の運転状態をチェックし（ステップ３０１）、モータ１が停止中であれば（ステップ３０２のＮＯ）、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap をチェックする（ステップ３０３）。

ここで、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful を下回っていれば（ステップ３０４のＹＥＳ）、燃料電池５の発電状態をチェックし（ステップ３０５）、燃料電池５の発電が停止していれば（ステップ３０６のＮＯ）、燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１の発電を開始させる（ステップ３０７）。この場合、第１のセルＣＥＬ１の発電のみで、第２のセルＣＥＬ２は発電停止状態を維持する。

これにより、スーパーキャパシタ６の充電が開始され、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap が上昇して行く。スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap が上昇しても、Ｖful 以上となるまでは、ステップ３０６のＹＥＳに応じてステップ３０８へ進み、第１のセルＣＥＬ１の発電を続ける。

スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap が上昇し、Ｖful 以上となると（ステップ３０４のＮＯ）、Ｖful+以上となったか否かをチェックする（ステップ３０９）。充電々圧Ｖcap がＶful+以上となるまでは、ステップ３０９のＮＯに応じてステップ３１０，３１１へ進み、燃料電池５が発電中であることを確認して、第１のセルＣＥＬ１の発電を続ける（ステップ３０８）。

充電々圧Ｖcap がＶful+以上となると（ステップ３０９のＹＥＳ）、燃料電池５の第１のセルＣＥＬ１の発電を停止する（ステップ３１２）。これにより、スーパーキャパシタ６への充電が停止され、スーパーキャパシタ６が満充電状態（Ｖcap ＝Ｖful+）となる。

満充電状態とされた後、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap が自然放電などで低下し、Ｖful+を下回ると（ステップ３０９のＮＯ）、燃料電池５の発電状態をチェックする（ステップ３１０）。この場合、燃料電池５の発電は停止されているので、ステップ３１１のＹＥＳに応じてステップ３１３へ進み、燃料電池５の発電停止を続ける。

スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がさらに低下し、Ｖful を下回ると（ステップ３０４のＹＥＳ）、再びステップ３０５，３０６の処理へと進む。この場合、燃料電池５の発電は停止しているので、ステップ３０６のＮＯに応じてステップ３０７へ進み、燃料電池５の発電（第１のセルＣＥＬ１）の発電を開始させる。

このようにして、制御部３は、モータ１が停止している場合、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap が自然放電などによってＶful よりも低くなった場合にのみ、充電々圧Ｖcap がＶful+に達するまで、燃料電池５の発電（第１のセルＣＥＬ１の発電）を行わせる。

〔処理動作２：モータ１が運転中（駆動中）である場合〕
制御部３は、モータ１の運転状態をチェックし（ステップ３０１）、モータ１が運転中であれば（ステップ３０２のＹＥＳ）、燃料電池５の発電状態をチェックする（ステップ３１４）。ここで、燃料電池５が発電中であれば（ステップ３１５のＹＥＳ）、燃料電池５の発電を直ちに停止する（ステップ３１６）。燃料電池５が発電中でなければ（ステップ３１５のＮＯ）、発電停止を続ける（ステップ３１３）。

このようにして、制御部３は、モータ１が運転中である場合、燃料電池５の発電を禁止し、モータ１の運転中のスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap の低下に対し、この充電々圧Ｖcap を高めようとする燃料電池５からの充電を行わせないようにする。

〔モータ駆動中の駆動指令遅延機能〕
制御部３は、上述した燃料消費削減機能に加え、モータ駆動中に新しい駆動指令を受けた場合の駆動指令遅延機能を有している。このモータ駆動中の駆動指令遅延機能には、現在コマンド優先型と、新コマンド優先型の２つのタイプが考えられる。何れのタイプを用いるかは自由であるが、本実施の形態では新コマンド優先型を採用している。

〔現在コマンド優先型〕
図９に示したタイムチャートにおいて、期間ｔ１〜ｔ２のモータ駆動中に、すなわち現在コマンド（第１の駆動指令）に従うモータ駆動中に、上位装置から制御部３へモータ１への新コマンド（第２の駆動指令）が与えられることがある。

この場合、制御部３は、モータ駆動中の駆動指令遅延機能（現在コマンド優先型）により、現在コマンドに従うモータ１の駆動が完了した後に燃料電池５の発電を開始させ、この燃料電池５からの電力の供給を受けて充電されるスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、新コマンドに従うモータ１の駆動を開始させる。

すなわち、現在コマンド優先型では、現在コマンドに従うモータ１の駆動中に新コマンドを受けても、すぐにはそのコマンドに従わず、現在コマンドに従うモータ１の駆動が続けられる。そして、現在コマンドに従うモータ１の駆動が完了すると、燃料電池５の発電が開始され、スーパーキャパシタ６への充電が行われる。そして、このスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、それまで待たされていた新コマンドに従うモータ１の駆動が開始される。これにより、現在コマンドに従うモータ１の駆動が完了した後、スーパーキャパシタ６の充電量が不足した状態で、新コマンドに従うモータ１の駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。

〔新コマンド優先型〕
図９に示したタイムチャートにおいて、期間ｔ１〜ｔ２のモータ駆動中に、上位装置から新コマンドが与えられると、制御部３は、モータ駆動中の駆動指令遅延機能（新コマンド優先型）により、モータ１の駆動を停止し、燃料電池５の発電を開始させる。そして、この燃料電池５からの電力の供給を受けて充電されるスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、新コマンドに従うモータ１の駆動を開始させる。

すなわち、新コマンド優先型では、現在コマンドに従うモータ１の駆動中に新コマンドを受けると、この新コマンドが優先され、現在コマンドに従うモータ１の駆動が直ちに停止される。但し、すぐには新コマンドには従わず、燃料電池５の発電が開始され、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、それまで待たされていた新コマンドに従うモータ１の駆動が開始される。これにより、現在コマンドに従うモータ１の駆動を停止した後、スーパーキャパシタ６の充電量が不足した状態で、新コマンドに従うモータ１の駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。

なお、この新コマンド優先型において、モータ駆動中に新コマンドを受けた場合、スーパーキャパシタ６の現在の充電々圧Ｖcap をチェックするようにし、この充電々圧Ｖcap に基づいて新コマンドを遅延させるか否かを判断するようにしてもよい。
この場合、新コマンドに従うモータ１の駆動に必要な電力量を求め、この必要電力量が現在のスーパーキャパシタ６の充電量よりも多ければ、スーパーキャパシタ６の充電量で賄うことが可能であると判断し、直ちに新コマンドに従うモータ１の駆動を開始させるようにする。
これに対し、スーパーキャパシタ６の充電量が必要電力量よりも少なければ、スーパーキャパシタ６の充電量では賄うことができないと判断し、燃料電池５の発電を開始させてスーパーキャパシタ６への充電を行い、このスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、新コマンドに従うモータ１の駆動を開始させるようにする。

モータ駆動中に新しい駆動指令を受けた場合の対応方法としては、上述した「現在コマンド優先型」、「新コマンド優先型」以外にも色々な方法が考えられる。例えば、新コマンドを無視し、現在コマンドに従うモータ１の駆動を続けたり、現在コマンドと新コマンドの両方を無視し、モータ１を停止させるなどの方法が考えられる。

〔充電中の駆動指令遅延機能〕
図９に示したタイムチャートにおいて、期間ｔ２〜ｔ３の充電中に、上位装置から制御部３へモータ１への駆動指令が与えられることがある。この駆動指令の受信時、図１１に示すように、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful 以下のＶ１であった場合、スーパーキャパシタ６の充電量が不足し、バルブ２−１が目標開度位置に達する前にモータ１が停まってしまう虞れがある。

例えば、充電中にバルブ２０％開コマンドを受信した場合、図１１に太枠で囲んだ三角形ＡＢＣの面積に相当する電力が必要であるのに対し、この三角形ＡＢＣ中の網線で示した部分の面積に相当する電力が不足していると、バルブ２−１が目標開度位置である２０％開度となる前にモータ１が自然に停止してしまう。

このような虞れがないように、制御部３は、「充電中の駆動指令遅延機能」により、充電中にモータ１に対する駆動指令を受けた場合、すぐにはその駆動指令には従わず、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、その駆動指令に従うという処理動作を行う。これにより、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、それまで待たされていた充電中の駆動指令に従うモータ１の駆動が開始され、スーパーキャパシタ６の充電量が不足した状態で、モータ１が駆動されてしまう虞れがなくなる。

〔急速充電機能〕
図９に示したタイムチャートにおいて、期間ｔ２〜ｔ３の充電中に、上位装置から制御部３へモータ１への駆動指令が与えられることがある。この場合、上述した「充電中の駆動指令遅延機能」によって、すぐにはその駆動指令には従わず、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、その駆動指令に従うという処理動作が行われる。しかし、この場合、第１のセルＣＥＬ１の発電だけでは、スーパーキャパシタ６への供給電力量が少なく、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達するまでに時間がかかる。

本実施の形態では、充電中に駆動指令を受けると、上述した「充電中の駆動指令遅延機能」による処理動作と合わせて、「急速充電機能」による燃料電池５の能力アップが図られ、スーパーキャパシタ６の急速充電が行われる。すなわち、図１２に示すｔ３点において、例えばバルブ１００％閉コマンドを受けたとする。この場合、制御部３は、急速充電機能により、燃料電池５の第２のセルＣＥＬ２の発電を開始する。図３に示した回路で言えば、スイッチＳＷ２をオンとする。

これにより、第１のセルＣＥＬ１の発電量に第２のセルＣＥＬ２の発電量が加わり、スーパーキャパシタ６への供給電力量が増大し、スーパーキャパシタ６が急速に充電されて行く。そして、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に（図１２に示すｔ４点）、それまで待たされていた充電中の駆動指令（バルブ１００％閉コマンド）に従うモータ１の駆動が開始される。なお、このバルブ１００％閉コマンドに従うモータ１の駆動中、すなわち図１２に示す期間ｔ４〜ｔ５の間、燃料電池５の発電（第１のセルＣＥＬ１および第２のセルＣＥＬ２の発電）は停止される。

なお、充電中に駆動指令を受けた場合、スーパーキャパシタ６の現在の充電々圧Ｖcap をチェックするようにし、この充電々圧Ｖcap に基づいて急速充電を行うか否かを判断するようにしてもよい。
この場合、充電中に受けた駆動指令に従うモータ１の駆動に必要な電力量を求め、この必要電力量がスーパーキャパシタ６の現在の充電量よりも多ければ、スーパーキャパシタ６の現在の充電量で賄うことが可能であると判断し、直ちにその駆動指令に従うモータ１の駆動を開始させるようにする。
これに対し、スーパーキャパシタ６の現在の充電量が必要電力量よりも少なければ、スーパーキャパシタ６の現在の充電量では賄うことができないと判断し、スーパーキャパシタ６への急速充電を行い、このスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、充電中の駆動指令に従うモータ１の駆動を開始させるようにする。

また、上述においては、急速充電後、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap がＶful+に達した後に、充電中の駆動指令に従うモータ１の駆動を開始させるようにしたが、急速充電と同時に充電中の駆動指令に従うモータ１の駆動を開始させるようにしてもよい。すなわち、スーパーキャパシタ６の急速充電を行いながら、充電中の駆動指令に従ってモータ１を駆動させるようにしてもよい。

また、燃料電池５におけるセルの数をさらに増やし、充電中に受けた駆動指令に従うモータ１の駆動に必要な電力量がスーパーキャパシタ６の現在の充電量よりも少ない場合、スーパーキャパシタ６の現在の充電量に応じて追加発電するセルの数（発電セルの並列度）を求めるようにしてもよい。

〔発電セルの並列度算出：例１〕
例えば、充電中に駆動指令を受けた場合、その時のスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap をチェックし、この充電々圧Ｖcap がその駆動指令に従うモータ１の駆動に必要な充電々圧よりも低い場合、充電々圧Ｖcap が低いほど追加発電するセルの数を増やすようにする。

例えば、図１３に示す充電々圧Ｖcap の変化に対し、Ｖcap1＞Ｖcap ≧Ｖcap2の電圧範囲にあるときに駆動指令を受けた場合には追加発電するセルの数を１個（発電セルの並列度１）とし、Ｖcap2＞Ｖcap の電圧範囲にあるときに駆動指令を受けた場合には追加発電するセルの数を２個（発電セルの並列度２）とする。

〔発電セルの並列度算出：例２〕
例えば、充電中に駆動指令を受けた場合、その時のスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap をチェックし、この充電々圧Ｖcap がその駆動指令に従うモータ１の駆動に必要な充電々圧よりも低い場合、充電々圧Ｖcap の上昇曲線の傾きが小さいほど追加発電するセルの数を増やすようにする。

例えば、充電々圧Ｖcap の変化に対し、この充電々圧Ｖcap の上昇曲線が傾きの大きい特性Ｉ（図１４参照）であれば追加発電するセルの数を１個（発電セルの並列度１）とし、傾きが小さい特性IIであれば追加発電するセルの数を２個（発電セルの並列度２）とする。

〔発電セルの並列度算出：例３〕
例えば、充電中に駆動指令を受けた場合、その時のスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap をチェックし、この充電々圧Ｖcap がその駆動指令に従うモータ１の駆動に必要な充電々圧よりも低い場合、その駆動指令に従うバルブの目標開度位置と現在のバルブの目標開度位置との差を求め、その差が大きいほど追加発電するセルの数を増やすようにする。

〔発電セルの並列度算出：例４〕
例えば、充電中に駆動指令を受けた場合、その時のスーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap をチェックし、この充電々圧Ｖcap がその駆動指令に従うモータ１の駆動に必要な充電々圧よりも低い場合、前回の駆動指令の受信タイミングと今回の駆動指令の受信タイミングとの時間差を求め、受信タイミングの時間差（受信時間差）が小さいほど追加発電するセルの数を増やすようにする。

図１５に発電セルの並列度を算出して急速発電を行う場合のフローチャートを例示する。制御部３は、充電中に駆動指令を受けると（ステップ４０１のＹＥＳ）、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap をチェックする（ステップ４０２）。そして、その駆動指令に従うモータ１の駆動に必要な充電々圧（必要充電々圧）を算出し（ステップ４０３）、チェックした充電々圧Ｖcap が必要充電々圧よりも高い場合には（ステップ４０４のＮＯ）、燃料電池５の発電を停止し（ステップ４０５）、モータ１の駆動を開始する（ステップ４０６）。

これに対し、チェックした充電々圧Ｖcap が必要充電々圧よりも低い場合には（ステップ４０４のＹＥＳ）、ステップ４０１で受けた駆動指令に従うモータ１の駆動に必要な電力量（必要電力量）を求め、この必要電力量とスーパーキャパシタ６の現在の充電量とから発電セルの並列度を求める（ステップ４０７）。そして、この求めた発電セルの並列度に従い燃料電池５における追加発電するセルを定め、そのセルを追加発電させて、スーパーキャパシタ６の急速発電を行わせる（ステップ４０８）。

なお、上述した実施の形態では、配管内を流れる冷水や温水の流量を制御するコントロールバルブを例にとって説明したが、ダクト内を流れる冷風や温風の流量を制御するコントロールバルブであってもよく、またこのようなコントロールバルブへの適用に限られるものでもない。すなわち、本発明において、アクチュエータはコントロールバルブ（コントロールバルブ内のモータ）に限られるものではなく、種々のタイプのアクチュエータについてコントロールバルブと同様にして適用することが可能である。

また、上述した実施の形態では、通常（モータ１の停止中）は、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap を監視し、この充電々圧Ｖcap がＶful よりも低くなった場合にＶful+に達するまで、燃料電池５の発電を行わせるようにしたが、燃料電池５を常に発電状態としておき、モータ１の駆動中のみ燃料電池５の発電を停止するようにしてもよい。モータ１の停止中は、スーパーキャパシタ６の充電々圧Ｖcap の大きな変動はなく、燃料電池５を常に発電状態としておいても燃料消費は少ない。

また、上述した実施の形態では、前提条件として図６を用いて説明した前提条件１と図７を用いて説明した前提条件２を掲げたが、この前提条件１，２はあくまでも説明を分かり易くするためのものであって、本発明はこれらの前提条件に縛られるものではない。
また、上述した実施の形態では、燃料電池付きコントロールバルブ１００に上位装置より無線で制御指令を与えるようにしたが、制御信号線を介して与えるようにしてもよい。

本発明の一実施の形態を示す燃料電池付きコントロールバルブのブロック構成図である。 この燃料電池付きコントロールバルブにおける燃料電池本体の要部（セル構造）を示す図である。 この燃料電池付きコントロールバルブにおける燃料電池とスーパーキャパシタとモータとの電気的な接続関係を示す回路図である。 燃料電池の起動・停止を行うためのマイクロバルブの設置例を示す図である。 この燃料電池付きコントロールバルブを配管に取り付けた状態を示す図である。 この燃料電池付きコントロールバルブの動作を説明するための前提条件１を説明するタイムチャートである。 この燃料電池付きコントロールバルブの動作を説明するための前提条件２を説明するタイムチャートである。 モータが停止している場合のスーパーキャパシタの充電量（充電々圧）の制御状況を説明するためのタイムチャートである。 モータが駆動中である場合のスーパーキャパシタの充電量（充電々圧）の制御状況を説明するためのタイムチャートである。 モータの運転を実際にチェックするようにした場合の燃料消費削減機能に従う制御部の処理動作を示すフローチャートである。 制御部が有する充電中の駆動指令遅延機能を説明するためのスーパーキャパシタの充電量（充電々圧）の変化を示すタイムチャートである。 制御部が有する急速充電機能を説明するためのスーパーキャパシタの充電量（充電々圧）の変化を示すタイムチャートである。 発電セルの並列度算出の例１において充電々圧の変化に対して定められる追加発電するセルの数を定めるための閾値を示す図である。 発電セルの並列度算出の例２において傾きが異なる充電々圧の上昇曲線を例示する図である。 発電セルの並列度を算出して急速発電を行う場合のフローチャートを例示する図である。

符号の説明

１…モータ、２…バルブ駆動部、２−１…バルブ、３…制御部、４…無線信号受信部、５…燃料電池、５−１…燃料電池本体、５−２…燃料タンク、５Ａ…燃料極、５Ｂ…空気極、５Ｃ…高分子電解質膜、ＣＥＬ１，ＣＥＬ２…セル、６…スーパーキャパシタ、Ｌ…負荷、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３…スイッチ、ＶＢ１〜ＶＢ８…マイクロバルブ、１００…燃料電池付きコントロールバルブ、１０１…コントロールバルブ、１０２…電源供給部。

Claims (8)

1. 燃料電池と、この燃料電池が発電する電力の供給を受けて充電されるキャパシタと、このキャパシタに充電された電力の供給を受けて駆動されるアクチュエータとを備えた燃料電池付きアクチュエータにおいて、
   前記キャパシタの充電中に前記アクチュエータに対する駆動指令を受けた場合、前記燃料電池の発電能力をアップし、前記キャパシタを急速充電させる手段
   を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。
2. 請求項１に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
   前記キャパシタの充電中に前記アクチュエータに対する駆動指令を受けた場合、その駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動に要する電力量を演算する演算手段と、
   この演算手段によって演算された前記アクチュエータの駆動に要する電力量と前記キャパシタの充電量とを比較して前記急速充電を行わせるか否かを判定する判定手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。
3. 請求項１に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
   前記急速充電によって、前記キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、前記駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動を開始させる手段
   を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。
4. 請求項１に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
   前記アクチュエータの駆動中の前記燃料電池の発電を禁止する手段
   を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。
5. 請求項４に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
   第１の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動中に第２の駆動指令を受信した場合、前記第１の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動が完了した後に前記燃料電池の発電を開始させ、この燃料電池からの電力の供給を受けて充電される前記キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、前記第２の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動を開始させる手段
   を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。
6. 請求項４に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
   第１の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動中に第２の駆動指令を受信した場合、前記アクチュエータの駆動を停止させるとともに前記燃料電池の発電を開始させ、この燃料電池からの電力の供給を受けて充電される前記キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、前記第２の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動を開始させる手段
   を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
   前記アクチュエータは、流体の流量を制御するコントールバルブであることを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
   前記キャパシタの充電量を監視し、この充電量が予め定められた閾値よりも低くなった場合、前記キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達するまで、前記燃料電池の発電を行わせる手段を
   備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。

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