JP2010267551A - 燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に供給される燃料ガスの流量制御範囲を小流量域から大流量域まで広範囲に設定して制御すること。
【解決手段】燃料ガス流量制御装置は、燃料電池システム１の燃料電池２へ供給される水素ガスの流量を制御する。この装置は、燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給通路１１と、同通路１１に並列に設けられ、水素ガス流量を所定範囲で調節可能な４本のインジェクタ４〜７と、燃料電池２へ必要流量だけ水素ガスを供給するために、４本のインジェクタ４〜７のうち必要本数のインジェクタ４〜７だけ制御するコントローラ２０とを備える。コントローラ２０は、インジェクタ４〜７の１本当たりのデューティ制御の作動回数が規定回数を超えたときに、使用中の少なくとも１本のインジェクタ４〜７を停止させ、代わりに残りの停止中の少なくとも１本のインジェクタ４〜７を作動させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池を含む燃料電池システムに係り、詳しくは、燃料電池に供給される燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御装置に関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載される装置が知られている。この装置は、燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給通路を備え、このガス供給通路には、複数の流量制御弁が並列に設けられる。また、この装置は、複数の流量制御弁の故障の有無を検知する手段を備え、この検知手段により少なくとも１つの流量制御弁が正常で、かつ、少なくとも１つが故障していることが検知されたときは、燃料電池に供給される燃料ガス流量を、故障していない流量制御弁により制御するようになっている。

特開２００５−３０２５６３号公報 特開２００８−５３１５１号公報 特開２００３−３３８３０２号公報

ところが、特許文献１に記載の装置では、流量制御弁の故障に対処して燃料電池に供給される燃料ガス流量を制御できるものの、そのガス流量の制御範囲の拡大や、各流量制御弁の耐用寿命の延長については何も考慮されておらず、開示や示唆もない。燃料電池システムの制御性向上と、燃料ガス圧力の安定性確保を考慮した場合、燃料ガス流量の制御範囲を拡大させることや各流量制御弁の耐用寿命を延ばすことが望まれる。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料電池に供給される燃料ガスの流量制御範囲を小流量域から大流量域まで広範囲に設定して制御可能とした燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置を提供することにある。この発明の別の目的は、上記目的に加え、複数の燃料ガス流量調節手段の耐用寿命の延長を可能とした燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池システムを構成する燃料電池へ供給される燃料ガスの流量を制御する燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置であって、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路と、燃料ガス供給通路に並列に設けられ、燃料ガスの流量を所定範囲で調節可能に構成された複数の燃料ガス流量調節手段と、燃料電池へ必要流量だけ燃料ガスを供給するために、複数の燃料ガス流量調節手段のうち必要な数の燃料ガス流量調節手段だけ制御する制御手段とを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、燃料電池へ必要流量だけ燃料ガスを供給するために、燃料ガス供給通路に並列に設けられた複数の燃料ガス流量調節手段のうち必要な数の燃料ガス流量調節手段が制御手段により制御される。従って、下は１つの燃料ガス流量調節手段により調節される燃料ガス流量から、上は全部の燃料ガス流量調節手段により調節される燃料ガス流量までの間で、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量が調節可能となる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、制御手段は、燃料ガスの必要流量が所定の小流量となるときは、１つの燃料ガス流量調節手段を制御することにより燃料ガスの流量調節を行い、必要流量が１つの燃料ガス流量調節手段による最大流量を超えたときは、別の少なくとも１つの燃料ガス流量調節手段を併せて制御することにより燃料ガスの流量調節を行うことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、燃料ガスの必要流量が所定の小流量となるときは、１つの燃料ガス流量調節手段が制御手段により制御されることで、１つの燃料ガス流量調節手段による調節可能な範囲内で燃料ガスの流量が調節される。燃料ガスの必要流量が１つの燃料ガス流量調節手段による最大流量を超えたときは、別の燃料ガス流量調節手段が、必要流量に応じた数だけ制御されることで、２つ以上の燃料ガス調節手段による調節可能な範囲内で燃料ガスの流量が調節される。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、制御手段は、燃料ガス流量調節手段１つ当たりの作動回数が規定回数を超えたときに、使用中の少なくとも１つの燃料ガス流量調節手段を停止させ、代わりに残りの停止中の少なくとも１つの燃料ガス流量調節手段を作動させるように複数の燃料ガス流量調節手段を制御することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、燃料ガス流量調節手段１つ当たりの作動回数が規定回数を超えたときに、使用中の少なくとも１つの燃料ガス流量調節手段を停止させ、代わりに残りの停止中の少なくとも１つの燃料ガス流量調節手段を作動させるように複数の燃料ガス流量調節手段が制御手段により制御される。従って、複数の燃料ガス流量調節手段それぞれの使用頻度がほぼ均等化される。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、制御手段は、複数の燃料ガス流量調節手段を同時に制御する場合に、複数の燃料ガス流量調節手段を同じ作動周期で、かつ、個々の燃料ガス流量調節手段の作動周期の位相を順次ずらしながらデューティ制御することを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、複数の燃料ガス流量調節手段それぞれからの燃料ガス流量の脈動が相互に相殺するかたちで作用し合う。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、制御手段は、複数の燃料ガス流量調節手段を同時に制御する場合に、複数の燃料ガス流量調節手段を少なくとも２つを一組として複数の組に分け、各組を構成する燃料ガス流量調節手段を同じ作動周期で、かつ、同じ位相でデューティ制御すると共に、各組の作動周期の位相を順次ずらすことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、各組の燃料ガス流量調節手段からの燃料ガス流量の脈動が各組相互に相殺するかたちで作用し合う。

上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れか一つに記載の発明において、複数の燃料ガス流量調節手段の調節可能流量が互いに同じであることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至５の何れか一つに記載の発明の作用に加え、複数の燃料ガス流量調節手段に同じ規格品を使用することが可能となる。

上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明において、複数の燃料ガス流量調節手段の調節可能流量が互いに異なることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明の作用に加え、標準規格の燃料ガス流量調節手段と、それよりも大きい規格の燃料ガス流量調節手段を使用することで、同じ規格の燃料ガス流量調節手段を複数使用する場合に比べて燃料ガス流量調節手段の使用本数を少なくすることが可能となる。

上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明において、制御手段は、複数の燃料ガス流量調節手段を順次１つずつ作動させることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明の作用に加え、複数の燃料ガス流量調節手段それぞれの使用頻度がほぼ均等化される。

請求項１に記載の発明によれば、燃料電池に供給される燃料ガスの流量制御範囲を小流量域から大流量域まで広範囲に設定して制御することができる。

請求項２に記載の発明によれば、燃料電池に供給される燃料ガスの流量制御範囲を小流量域から大流量域まで広範囲に設定して制御することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、複数の燃料ガス流量調節手段の耐用寿命を延ばすことができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、複数の燃料ガス流量調節手段から燃料電池へ流れる合計の燃料ガス流量の脈動レベルを低減させることができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、複数の燃料ガス流量調節手段から燃料電池へ流れる合計の燃料ガス流量の脈動レベルを低減させることができる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項１乃至５の何れか一つに記載の発明の効果に加え、装置を構成する部品の種類数を減らすことができ、コスト低減を図ることができる。

請求項７に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明の効果に加え、装置を構成する部品点数を減らすことができ、装置の簡略化を図ることができる。

請求項８に記載の発明によれば、請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明の効果に加え、複数の燃料ガス流量調節手段の耐用寿命を延ばすことができる。

第１実施形態に係り、燃料ガス流量制御装置を含む燃料電池システムを示す概略構成図。 同じく、コントローラが実行する制御プログラムを示すフローチャート。 同じく、４本のインジェクタの作動方法を示すタイムチャート。 第２実施形態に係り、コントローラが実行する制御プログラムを示すフローチャート。 同じく、水素ガス流量の挙動を示すタイムチャート。 同じく、比較例につき水素ガス流量の挙動を示すタイムチャート。 第３実施形態に係り、燃料ガス流量制御装置を含む燃料電池システムを示す概略構成図。 同じく、コントローラが実行する制御プログラムを示すフローチャート。 第４実施形態に係り、３本のインジェクタを相互に噴射周期の位相をずらしながらデューティ制御した場合のオンタイミングの違いを示すタイムチャート。 同じく、３本のインジェクタによる水素ガス流量の挙動を示すタイムチャート。 同じく、比較例につき３本のインジェクタによる水素ガス流量の挙動を示すタイムチャート。 第５実施形態に係り、４本のインジェクタを２本一組ずつ相互に噴射周期の位相をずらしながらデューティ制御する場合のオンタイミングの違いを示すタイムチャート。 同じく、４本のインジェクタによる水素ガス流量の挙動を示すタイムチャート。 同じく、比較例につき４本のインジェクタによる水素ガス流量の挙動を示すタイムチャート。 第６実施形態に係り、３本のインジェクタを相互に噴射周期の位相をずらしながらデューティ制御した場合のオンタイミングの違いを示すタイムチャート。 同じく、３本のインジェクタによる水素ガス流量の挙動を示すタイムチャート。 同じく、比較例につき３本のインジェクタによる水素ガス流量の挙動を示すタイムチャート。

［第１実施態］
以下、本発明における燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置を具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態の燃料ガス流量制御装置を含む燃料電池システム１を概略構成図により示す。この燃料電池システム１は、電動車両に搭載され、その駆動用のモータに電力を供給するために使用される。燃料電池システム１は、燃料電池２を備え、燃料電池２のアノード側には、水素タンク３、複数の燃料ガス流量調節手段としての４本のインジェクタ４，５，６，７、エジェクタ８、水素ポンプ９及び三方弁１０が設けられる。４本のインジェクタ４〜７は、水素タンク３から燃料電池２へ燃料ガスとしての水素ガスを供給するための燃料ガス供給通路としての水素ガス供給通路１１にて並列に設けられる。これらインジェクタ４〜７は、相互に同じ構成を備え、水素ガスの噴射流量を調節可能な範囲も相互に同じとなっている。エジェクタ８は、４本のインジェクタ４〜７の下流側にて水素ガス供給通路１１に設けられる。水素ポンプ９及び三方弁１０は、燃料電池２からエジェクタ８へ燃料オフガスとしての水素オフガスを循環させる燃料オフガス循環通路１２に設けられる。燃料電池２で生成した電力は、インバータ（図示略）を介してモータ（図示略）に供給されるようになっている。このモータは、別途の指令に基づいて制御されるようになっている。

水素タンク３に貯留された水素ガスは、水素ガス供給通路１１を通り、各インジェクタ４〜７及びエジェクタ８を介して燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された水素ガスは、同電池２にて発電に使用された後、同電池２から燃料オフガス循環通路１２へ排出される。排出された水素オフガスは、三方弁１０の切り替えにより、水素ポンプ９へ供給可能に構成される。水素ポンプ９へ供給された水素オフガスは、同ポンプ９によりエジェクタ８へ吐出され、エジェクタ８を流れる水素ガスと混合されて燃料電池２へ循環する。

一方、燃料電池２のカソード側には、酸化剤ガスとしての空気が、エアコンプレッサ（図示略）等により供給されるようになっている。燃料電池２に供給された空気は、同電池２にて発電に使用された後、空気オフガスとして燃料電池２から排出されるようになっている。

この実施形態で、燃料電池システム１は、本発明の制御手段としてのコントローラ２０を備える。このコントローラ２０は、エジェクタ８に供給される水素ガスの流量を制御するために４本のインジェクタ４〜７を制御するように構成される。コントローラ２０には、燃料電池２から、その電圧値及び電流値がデータとして入力されるようになっている。また、コントローラ２０には、電動車両の運転に係る指令がデータとして入力されるようになっている。コントローラ２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）及びメモリを備え、燃料電池２へ供給する水素ガス流量を制御するために、メモリに記憶された所定の制御プログラムに基づいて各インジェクタ４〜７を制御するようになっている。

次に、燃料電池２に供給される水素ガスの流量を制御するためにコントローラ２０が実行する制御内容について説明する。図２に、この制御プログラムをフローチャートにより示す。

水素ガスの供給が開始され、処理がこのルーチンへ移行すると、ステップ１００で、コントローラ２０は、燃料電池２へ供給すべき水素ガスの必要流量Ｑｒが、インジェクタ４〜７の１本当たりの最大流量Ｑ１maxよりも多いか否かを判断する。コントローラ２０は、この判断を、燃料電池２の電圧値及び電流値を参照することにより行う。この判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は、処理をステップ１９０へ移行する。この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は、処理をステップ１１０へ移行する。

ステップ１１０では、コントローラ２０は、必要流量Ｑｒの水素ガスを確保するためにインジェクタ４〜７を必要本数だけ作動させる。例えば、２本、３本又は４本のインジェクタ４〜７を同時に作動させる。この実施形態で、コントローラ２０は、各インジェクタ４〜７をデューティ制御により作動させる。

次に、ステップ１２０で、コントローラ２０は、停止中のインジェクタ４〜７があるか否かを判断する。例えば、４本全てのインジェクタ４〜７を作動させる場合は、この判断結果が否定となり、それ以外の本数のインジェクタ４〜７を作動させる場合は、この判断結果が肯定となる。

ステップ１２０の判断結果が否定となる場合は、コントローラ２０は、ステップ１３０で、水素ガスの供給停止指令が有るか否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は、ステップ１４０で、４本全てのインジェクタ４〜７を変更なく連続作動させた後、処理をステップ１３０へ戻る。一方、この判断結果が肯定となる場合、ステップ１５０で、コントローラ２０は、作動中のインジェクタ４〜７の作動を停止させた後、その後の処理を一旦終了する。

ステップ１２０の判断結果が肯定となる場合は、コントローラ２０は、ステップ１６０で、インジェクタ４〜７の１本当たりの作動回数（実回数）Ｎtoが所定の規定回数Ｎ１よりも多いか否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は、処理をステップ１２０へ戻る。一方、この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は、処理をステップ１７０へ移行する。

そして、ステップ１７０で、コントローラ２０は、燃料電池２への水素ガスの供給停止指令があるか否かを判断する。この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は、ステップ１５０で、作動中のインジェクタ４〜７の作動を停止させた後、その後処理を一旦終了する。一方、この判断結果が否定となる場合、ステップ１８０で、コントローラ２０は、作動させるインジェクタ４〜７を停止中のインジェクタ４〜７と交替させた後、処理をステップ１６０へ戻る。

一方、ステップ１００から移行してステップ１９０では、コントローラ２０は、４本のインジェクタ４〜７のうちの１本を作動させる。

次に、ステップ２００で、コントローラ２０は、インジェクタ４〜７の１本当たりの作動回数（実回数）Ｎtoが所定の規定回数Ｎ１よりも多くなるのを待ってステップ２１０へ移行する。

ステップ２１０では、コントローラ２０は、燃料電池２への水素ガスの供給停止指令が有るか否かを判断する。この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は、ステップ１５０で、作動中のインジェクタ４〜７の作動を停止させた後、その後処理を一旦終了する。一方、この判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は、ステップ２２０で、４本のインジェクタ４〜７のうち作動させる１本を順次ローテーションさせた後、処理をステップ２００へ戻る。

ステップ２２０のローテーションの方法として、例えば、図３に示すように、No.１〜No.４の４本のインジェクタにつき、一定の規定回数Ｎ１毎に、作動させるインジェクタを連続的にずらすことができる。図３には、No.１〜No.４の４本のインジェクタの作動方法をタイムチャートにより示す。

以上説明したこの実施形態の燃料ガス流量制御装置によれば、燃料電池２へ必要流量Ｑｒだけ水素ガスを供給するために、水素ガス供給通路１１に並列に設けられた４本のインジェクタ４〜７のうち必要本数のインジェクタ４〜７がコントローラ２０により制御される。従って、下は１本のインジェクタ４〜７により調節される水素料ガス流量から、上は４本全部のインジェクタ４〜７により調節される水素ガス流量までの範囲で、燃料電池２に供給される水素ガスの供給量が調節可能となる。詳しくは、燃料電池２に対する水素ガスの必要流量Ｑｒが１本当たりの最大流量Ｑ１maxより少ない小流量となるときは、１本のインジェクタ４〜７がコントローラ２０により制御されることで、１本のインジェクタ４〜７による調節可能な範囲内で水素ガス流量が調節される。また、燃料電池２に対する水素ガスの必要流量Ｑｒが最大流量Ｑ１maxを超えたときは、別のインジェクタ４〜７が、必要流量Ｑｒに応じた本数だけコントローラ２０により制御されることで、２本以上のインジェクタ４〜７による調節可能な範囲内で水素ガス流量が調節される。このため、燃料電池２に供給される水素ガスの流量制御範囲を小流量域から大流量域まで広範囲に設定して制御することができる。

また、この実施形態では、インジェクタ４〜７の１本当たりの作動回数Ｎtoが規定回数Ｎ１を超えたときに、使用中の少なくとも１本のインジェクタ４〜７を停止させ、代わりに残りの停止中の少なくとも１本のインジェクタ４〜７を作動させるように４本のインジェクタ４〜７がコントローラ２０により制御される。換言すると、４本のインジェクタ４〜７のうち１本を使う場合に、４本のインジェクタ４〜７が順次１本ずつ作動することとなる。従って、４本のインジェクタ４〜７それぞれの使用頻度がほぼ均等化される。この結果、４本のインジェクタ４〜７それぞれの耐用寿命を延ばすことができる。

この実施形態では、４本のインジェクタ４〜７の水素ガスの調節可能流量が互いに同じであることから、４本のインジェクタ４〜７に同じ規格品を使用することが可能となる。このため、装置を構成する部品の種類数を減らすことができ、コスト低減を図ることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明における燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置を具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同等の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に説明するものとする。

この実施形態では、コントローラ２０が実行する制御プログラムの内容の点で第１実施形態と構成が異なる。図４に、この実施形態で、コントローラ２０が実行する制御プログラムをフローチャートにより示す。この実施形態では、第１実施形態の図２に示すフローチャートと比べて、ステップ１００とステップ１２０との間の処理内容の点で異なる。すなわち、第１実施形態では、ステップ１１０で、燃料電池２へ供給すべき水素ガスの必要流量Ｑｒを確保するために、４本のインジェクタ４〜７を必要本数だけそれぞれデューティ制御した。これに対し、本実施形態では、図４に示すように、ステップ１１０とステップ１２０の間で、ステップ１１１〜ステップ１１５の処理を実行する。

詳しくは、ステップ１００から移行してステップ１１１では、コントローラ２０は、必要流量Ｑｒが、１本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ１maxよりも大きく、かつ、２本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ２maxよりも少ないか否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は、処理をステップ１１３へ移行する。一方、この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は、ステップ１１２で、２本のインジェクタ４〜７を使うものとし、そのうち１本のインジェクタ４〜７を全開に制御し、他の１本のインジェクタ４〜７をデューティ制御により作動させる。その後、コントローラ２０は、処理をステップ１２０へ移行する。すなわち、ステップ１１２では、図５に示すように、１本のインジェクタ４〜７を全開に制御することにより、１本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ１maxの分の水素ガス流量を確保すると共に、残りの１本分の最大流量Ｑ１maxに満たない水素ガス流量は、他の１本のインジェクタ４〜７をデューティ制御することで確保するのである。図５には、このステップ１１２の処理の結果得られる水素ガス流量の挙動をタイムチャートにより示す。

ステップ１１１から移行してステップ１１３では、コントローラ２０は、必要流量Ｑｒが、２本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ２maxよりも大きく、かつ、３本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ３maxよりも少ないか否かを判断する。この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は、ステップ１１４で、３本のインジェクタ４〜７を使うものとし、そのうち２本のインジェクタ４〜７を全開に制御し、残りの１本のインジェクタ４〜７をデューティ制御により作動させる。その後、コントローラ２０は、処理をステップ１２０へ移行する。すなわち、ステップ１１４では、２本のインジェクタ４〜７を全開に制御することにより、２本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ２maxの分の水素ガス流量を確保すると共に、残りの１本分の最大流量Ｑ１maxに満たない水素ガス流量は、他の１本のインジェクタ４〜７をデューティ制御することで確保するようにしている。

一方、ステップ１１３の判断結果が否定となる場合は、コントローラ２０は、処理をステップ１１５へ移行し、４本全てのインジェクタ４〜７を使うものとし、そのうち３本のインジェクタ４〜７を全開に制御し、残りの１本のインジェクタ４〜７をデューティ制御により作動させる。その後、コントローラ２０は、処理をステップ１２０へ移行する。すなわち、ステップ１１５では、３本のインジェクタ４〜７を全開に制御することにより、３本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ３maxの分の水素ガス流量を確保すると共に、残りの１本分の最大流量Ｑ１maxに満たない水素ガス流量は、他の１本のインジェクタ４〜７をデューティ制御することで確保するようにしている。

従って、この実施形態の燃料ガス流量制御装置によれば、燃料電池２に供給すべき水素ガスの必要流量Ｑｒが、１本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ１maxよりも大きく、かつ、２本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ２maxよりも少ない場合は、２本のインジェクタ４〜７のうち１本のインジェクタ４〜７を全開に制御し、他の１本のインジェクタ４〜７をデューティ制御により作動させる。また、水素ガスの必要流量Ｑｒが、２本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ２maxよりも大きく、かつ、３本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ３maxよりも少ない場合は、３本のインジェクタ４〜７のうち２本のインジェクタ４〜７を全開に制御し、他の１本のインジェクタ４〜７をデューティ制御により作動させる。更に、水素ガスの必要流量Ｑｒが、３本のインジェクタ４〜７による最大流量Ｑ３maxよりも多い場合は、４本のインジェクタ４〜７のうち３本のインジェクタ４〜７を全開に制御し、他の１本のインジェクタ４〜７をデューティ制御により作動させるようにしている。このため、燃料電池２に必要流量Ｑｒの水素ガスを供給するために、図５に示すように、デューティ制御する１本のインジェクタ４〜７を除いて、他のインジェクタ４〜７を全開に制御することで、必要流量Ｑｒの大半を一定流量で供給することとなり、水素ガスの圧力脈動を低減させることができる。この効果は、図６のタイムチャートと比較することで明らかである。すなわち、図６は、必要流量Ｑｒの水素ガスを燃料電池に供給するために複数のインジェクタを全て同期させてデューティ制御した「比較例」の水素ガス流量の挙動をタイムチャートにより示す。図５及び図６から明らかなように、本実施形態（図５）の水素ガス流量の挙動は、比較例（図６）のそれと比べて圧力脈動の振幅が小さいことが分かる。

また、この実施形態では、制御される４本のインジェクタ４〜７のうち、１本を除く他のインジェクタ４〜７を全開に制御することから、全てのインジェクタをデューティ制御する場合に比べて、インジェクタ４〜７の作動回数を低減させることができ、インジェクタ４〜７の耐用寿命を延ばすことができる。更に、インジェクタ４〜７の作動回数を低減できることから、作動音の発生を抑制することができ、装置の静粛化を図ることができる。その他の作用効果は、基本的に第１実施形態のそれと同じである。

［第３実施形態］
次に、本発明における燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置を具体化した第３実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図７に、この実施形態の燃料ガス流量制御装置を含む燃料電池システム２１を概略構成図により示す。この実施形態では、水素ガス供給通路１１に３本のインジェクタ２２，２３，２４が並列に設けられており、それら３本のインジェクタ２２〜２４の、水素ガスの調節可能流量が相互に異なり、各インジェクタ２２〜２４の上流側の水素ガス供給通路１１にレギュレータ２５が設けられる点で、第１実施形態及び第２実施形態と構成が異なる。３本のインジェクタ２２〜２４のうち、第１インジェクタ２２は小流量用（アイドリング用）であり、第２インジェクタ２３は中流量用であり、第３インジェクタ２４は大流量用である。例えば、第１インジェクタ２２の最大流量Ｑ１maxを基準にすると、第２インジェクタ２３は、最大流量Ｑ１maxの２倍の最大流量Ｑ２maxを備え、第３インジェクタ２４は、最大流量Ｑ１maxの３倍の最大流量Ｑ３maxを備える。また、レギュレータ２５は、調節可能流量の異なる各インジェクタ２２〜２４に供給される水素ガスの圧力を均一に調整するようになっている。

次に、燃料電池２に供給する水素ガスの流量を制御するためにコントローラ２０が実行する制御内容について説明する。図８に、この制御プログラムをフローチャートにより示す。

水素ガスの供給が開始され、処理がこのルーチンへ移行すると、ステップ３００で、コントローラ２０は、燃料電池２へ供給すべき水素ガスの必要流量Ｑｒが所定流量Ｑ１より少ないか否か、すなわち、電動車両のアイドリング時に必要な小流量か否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は処理をステップ３８０へ移行する。一方、この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は処理をステップ３１０へ移行する。

ステップ３１０で、コントローラ２０は、小流量用の第１インジェクタ２２を選択する。続いて、ステップ３２０で、コントローラ２０は、必要流量Ｑｒが、第１インジェクタ２２の最大流量Ｑ１maxか否かを判断する。この判断結果が肯定となる場合、最大流量Ｑ１maxを確保するために、コントローラ２０は、ステップ３３０で、第１インジェクタ２２を全開で保持し、処理をステップ３５０へ移行する。一方、この判断結果が否定となる場合、必要流量Ｑｒを確保するために、コントローラ２０は、ステップ３４０で、第１インジェクタ２２をデューティ制御し、処理をステップ３５０へ移行する。

ステップ３３０又はステップ３４０から移行してステップ３５０では、コントローラ２０は、必要流量Ｑｒに変更が有るか否かを判断する。この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は、処理をステップ３００へ戻る。一方、この判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は、ステップ３６０で、水素ガスの供給停止指令が有るか否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は、処理をステップ３５０へ戻る。一方、この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は、ステップ３７０で、その第１インジェクタ２２の作動を停止させ、その後の処理を一旦終了する。

一方、ステップ３００から移行してステップ３８０では、コントローラ２０は、燃料電池２へ供給すべき水素ガスの必要流量Ｑｒが所定流量Ｑ１より多く所定流量Ｑ２より少ないか否か、すなわち、電動車両の通常走行時に必要な中流量か否かを判断する。この判断結果が否定となる場合、コントローラ２０は処理をステップ４３０へ移行する。一方、この判断結果が肯定となる場合、コントローラ２０は処理をステップ３９０へ移行する。

ステップ３９０で、コントローラ２０は、中流量用の第２インジェクタ２３を選択する。続いて、ステップ４００で、コントローラ２０は、必要流量Ｑｒが、第２インジェクタ２３の最大流量Ｑ２maxか否かを判断する。この判断結果が肯定となる場合、最大流量Ｑ２maxを確保するために、コントローラ２０は、ステップ４１０で、第２インジェクタ２３を全開で保持し、処理をステップ３５０へ移行し、上記したと同様にステップ３５０からステップ３７０の処理を実行する。一方、この判断結果が否定となる場合、必要流量Ｑｒを確保するために、コントローラ２０は、ステップ４２０で、第２インジェクタ２３をデューティ制御し、処理をステップ３５０へ移行し、上記したと同様にステップ３５０からステップ３７０の処理を実行する。

一方、ステップ３８０から移行してステップ４３０で、コントローラ２０は、電動車両の高負荷走行時であるとして、大流量用の第３インジェクタ２４を選択する。続いて、ステップ４４０で、コントローラ２０は、必要流量Ｑｒが、第３インジェクタ２４の最大流量Ｑ３maxか否かを判断する。この判断結果が肯定となる場合、最大流量Ｑ３maxを確保するために、コントローラ２０は、ステップ４５０で、第３インジェクタ２４を全開で保持し、処理をステップ３５０へ移行し、上記したと同様にステップ３５０からステップ３７０の処理を実行する。一方、この判断結果が否定となる場合、必要流量Ｑｒを確保するために、コントローラ２０は、ステップ４６０で、第３インジェクタ２４をデューティ制御し、処理をステップ３５０へ移行し、上記したと同様にステップ３５０からステップ３７０の処理を実行する。

以上説明したこの実施形態の燃料ガス流量制御装置によれば、コントローラ２０は、電動車両の運転状態に応じた必要流量Ｑｒを確保するためにインジェクタ２２〜２４を選択する。そして、水素ガスの必要流量Ｑｒが、第１〜第３のインジェクタ２２〜２４の最大流量Ｑ１max,Ｑ２max,Ｑ３maxに相当するときは、対応するインジェクタ２２〜２４を全開に保持するようにしている。このため、各インジェクタ２２〜２４の作動回数を低減することができ、各インジェクタ２２〜２４の作動音を低減することができる。この結果、装置としての静粛化を図ることができる。

この実施形態では、電動車両で多く占める制御パターン（例えば「小流量用」、「中流量用」及び「大流量用」）に合った大きさのインジェクタ２２〜２４を搭載している。そして、例えば、電動車両のアイドリング時のインジェクタの作動音は、特にドライバーに聞こえ易いことから、小型の第１インジェクタ２２をアイドリング時専用に使用することで、その作動音（騒音）の発生を低減することができる。また、小型な第１インジェクタ２２は他のインジェクタ２３，２４と比べて水素ガスの調節可能流量が少ないことから、第１インジェクタ２２を、他のインジェクタ２３，２４を使用した流量調節領域における水素ガスの調節に際して、微細流量を補うために使うことができる。このため、精密に燃料ガス流量を調節することができる。

また、この実施形態では、水素ガス流量の調節を、リニアな調節から、各インジェクタ２２〜２４の大きさに応じて段階的にパターン化することにより、インジェクタのサイズ選定、組み合わせ制御を容易化及び簡素化することができる。

更に、この実施形態では、３本のインジェクタ２２〜２４の水素ガスの調節可能流量が互いに異なる。従って、この実施形態のように、小流量用の第１インジェクタ２２を基準として、それよりも大きい規格の中流量用の第２インジェクタ２３、それよりも大きい規格の大流量用の第３インジェクタ２４を使用することで、同じ規格のインジェクタ４〜７を複数使用する第１及び第２の実施形態の場合に比べて、インジェクタ２２〜２４の使用本数を４本から３本に減らすことが可能となる。この意味で、装置を構成する部品点数を減らすことができ、装置の簡略化を図ることができる。

［第４実施形態］
次に、本発明における燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置を具体化した第４実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、前記第１実施形態における図２のフローチャートのステップ１１０の処理内容をより具体化するものとする。ここで、複数のインジェクタ４〜７を同時にデューティ制御する場合に、複数のインジェクタ４〜９の作動周期（周期的にオンさせて燃料ガスを噴射させるタイミング（噴射周期））を同じ位相で制御することが考えられるが、複数のインジェクタ４〜９の噴射周期を相互に位相をずらしながら制御することができる。例えば、図９には、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３の３本のインジェクタの噴射周期を相互に位相をずらしながらデューティ制御する場合につき、各インジェクタのオンタイミングの違いをタイムチャートにより示す。図９から分かるように、この実施形態では、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３の３本のインジェクタを同じ噴射周期でデューティ制御すると共に、１本のインジェクタの１つの噴射周期が経過する間に、他の２本のインジェクタの噴射周期の位相を同じ間隔で順次ずらしながら制御するようにしている。同様に、４本のインジェクタの噴射周期を相互に位相をずらしながらデューティ制御することもできる。

従って、この実施形態では、複数のインジェクタ４〜７を同時にデューティ制御する場合に、それらインジェクタの噴射周期を相互に位相をずらすので、複数のインジェクタ４〜７それぞれからの水素ガス流量の脈動が相互に相殺するかたちで作用し合うこととなる。このため、エジェクタ８から燃料電池２へ流れる合計の水素ガス流量の脈動レベルを低減させることができる。ここで、図１０には、一例として、図５に示す制御の結果得られる水素ガス流量の挙動をタイムチャートにより示す。図１０に示すように、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３の３本のインジェクタによる水素ガス流量の脈動が相互にずれることとなり、３本のインジェクタからの水素ガス流量の合計の脈動レベルが低減することが分かる。この効果は、図１１に示す比較例のタイムチャートと比較することで明らかである。図１１には、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３の３本のインジェクタの噴射周期の位相を相互に同じくした場合の水素ガス流量の挙動をタイムチャートにより示す。図１１に示すように、この比較例では、３本のインジェクタからの水素ガス流量の脈動の位相が相互に重なるので、３本のインジェクタからの水素ガス流量の合計の脈動レベルが格段に増大することが分かる。

この実施形態では、上記のように複数のインジェクタ４〜７からの水素ガス流量の合計の脈動レベルを低減できるので、水素ガスの圧力管理幅を小さくすることにより、水素ガス流量の制御性、異常の検出精度をそれぞれ向上させることができる。また、燃料電池２に供給される水素ガス流量の脈動レベルを低減することができ、複数のインジェクタ４〜７の挙動による共振を低減することができ、振動騒音を低減することができる。

［第５実施形態］
次に、本発明における燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置を具体化した第５実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、前記第４実施形態の制御内容の変形例について説明する。この実施形態では、複数のインジェクタ４〜７を同時にデューティ制御する場合に、複数のインジェクタ４〜７のうち２つを一組として、各組を構成するインジェクタ４〜７を同じ噴射周期で、かつ、同じ位相でデューティ制御すると共に、各組の噴射周期の位相を順次ずらしながら制御するようにしている。例えば、図１２には、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.４の４本のインジェクタのうちＮｏ.１とＮｏ.２のインジェクタを一組とし、Ｎｏ.３とＮｏ.４のインジェクタを他の一組として、それら２つの組の噴射周期の位相を相互にずらしながらデューティ制御する場合につき、各インジェクタのオンタイミングの違いをタイムチャートにより示す。図１２から分かるように、この実施形態では、各組を構成する２本のインジェクタを同じ噴射周期で、かつ、同じ位相でデューティ制御すると共に、一方の組の噴射周期の位相に対し、他方の組の噴射周期の位相を半周期分だけずらして制御している。

従って、この実施形態では、４本のインジェクタ４〜７を同時にデューティ制御する場合に、それら４本のインジェクタ４〜７のうち２つ一組ずつ相互に噴射周期の位相を半周期だけずらすので、両組のインジェクタ４〜７からの水素ガス流量の脈動が両組相互に相殺するかたちで作用し合うこととなる。このため、エジェクタ８から燃料電池２へ流れる合計の水素ガス流量の脈動レベルを低減させることができる。ここで、図１３には、一例として、図１２に示す制御の結果得られる水素ガス流量の挙動をタイムチャートにより示す。図１３に示すように、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.４の４本のインジェクタによる水素ガス流量の脈動の位相が２つの組の間で相互にずれることから、４本のインジェクタからの水素ガス流量の合計の脈動レベルが低減することが分かる。この効果は、図１４に示す比較例のタイムチャートと比較することで明らかである。図１４には、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.４の４本のインジェクタの噴射周期の位相を相互に同じとした場合につき、水素ガス流量の挙動をタイムチャートにより示す。図１４に示すように、この比較例では、４本のインジェクタからの水素ガス流量の脈動の位相が相互にずれることなく重なるので、４本のインジェクタからの水素ガス流量の合計の脈動レベルが、図１３のそれに比べて格段に増大することが分かる。

この実施形態では、上記のように複数のインジェクタ４〜７からの水素ガス流量の合計の脈動レベルを低減できるので、水素ガスの圧力管理幅を小さくすることにより、水素ガス流量の制御性、異常の検出精度をそれぞれ向上させることができる。また、燃料電池２への水素ガス流量の脈動レベルを低減することができ、複数のインジェクタ４〜７の挙動による共振を低減することができ、振動騒音を低減することができる。

［第６実施形態］
次に、本発明における燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置を具体化した第６実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態では、前記第４実施形態の制御内容の変形例について説明する。ここで、複数のインジェクタ４〜７を同時にデューティ制御する場合に、複数のインジェクタ４〜７の噴射周期を相互に位相をずらして制御するようにしている。例えば、図１５には、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３の３本のインジェクタの噴射周期を相互に位相をずらしながらデューティ制御する場合につき、各インジェクタのオンタイミングの違いをタイムチャートにより示す。図１５から分かるように、この実施形態では、各インジェクタの駆動周波数を第４実施形態のそれよりも小さくしてデューティ制御する点で、第４実施形態と構成が異なる。

従って、この実施形態では、複数のインジェクタ４〜７を同時にデューティ制御する場合に、それらのインジェクタ４〜７の噴射周期を相互に位相をずらし、かつ、駆動周波数を小さくしているので、エジェクタ８から燃料電池２への水素ガス流量の脈動レベルを維持したままで、脈動の周波数を小さくすることができる。ここで、図１６には、一例として、図１５に示す制御の結果得られる水素ガス流量の挙動をタイムチャートにより示す。図１６に示すように、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３の３本のインジェクタによる水素ガス流量の脈動が相互にずれることから、３本のインジェクタからの水素ガス流量の合計の脈動の周波数は高くなるものの、その脈動レベルを格段に低減できることが分かる。この効果は、図１７に示す比較例のタイムチャートと比較することで明らかである。図１７には、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３の３本のインジェクタの噴射周期の位相を相互に同じとし、かつ、インジェクタの駆動周波数を小さくしていない場合の水素ガス流量の挙動をタイムチャートにより示す。図１７に示すように、この比較例では、３本のインジェクタからの水素ガス流量の脈動の位相が相互に重なるので、３本のインジェクタからの水素ガス流量の合計の脈動の周波数を維持したまま、その脈動レベルが、図１６のそれに比べて格段に大きいことが分かる。

この実施形態では、上記のように複数のインジェクタ４〜７からの水素ガス流量の合計の脈動の周波数を低下できるので、１本のインジェクタ４〜７当たりの作動回数が低減し、その意味で各インジェクタ４〜７の耐用寿命を向上させることができる。

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。

例えば、前記第４実施形態の構成的特徴と、前記第６実施形態の構成的特徴を互いに組み合わせて実施することもできる。

この発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムであって、例えば、電動車両に搭載される燃料電池システムに適用することができる。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
４ インジェクタ（燃料ガス流量調節手段）
５ インジェクタ（燃料ガス流量調節手段）
６ インジェクタ（燃料ガス流量調節手段）
７ インジェクタ（燃料ガス流量調節手段）
１１ 水素ガス供給通路（燃料ガス供給通路）
２０ コントローラ（制御手段）
２１ 燃料電池システム
２２ 第１インジェクタ（燃料ガス流量調節手段）
２３ 第２インジェクタ（燃料ガス流量調節手段）
２４ 第３インジェクタ（燃料ガス流量調節手段）
Ｑｒ 必要流量
Ｎto １本当たりの作動回数
Ｎ１ 規定回数

Claims (8)

1. 燃料電池システムを構成する燃料電池へ供給される燃料ガスの流量を制御する燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置であって、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路と、
   前記燃料ガス供給通路に並列に設けられ、前記燃料ガスの流量を所定範囲で調節可能に構成された複数の燃料ガス流量調節手段と、
   前記燃料電池へ必要流量だけ前記燃料ガスを供給するために、前記複数の燃料ガス流量調節手段のうち必要な数の燃料ガス流量調節手段だけ制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置。
2. 前記制御手段は、前記燃料ガスの必要流量が所定の小流量となるときは、１つの燃料ガス流量調節手段を制御することにより前記燃料ガスの流量調節を行い、前記必要流量が前記１つの燃料ガス流量調節手段による最大流量を超えたときは、別の少なくとも１つの燃料ガス流量調節手段を併せて制御することにより燃料ガスの流量調節を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置。
3. 前記制御手段は、燃料ガス流量調節手段１つ当たりの作動回数が規定回数を超えたときに、前記使用中の少なくとも１つの燃料ガス流量調節手段を停止させ、代わりに残りの停止中の少なくとも１つの燃料ガス流量調節手段を作動させるように前記複数の燃料ガス流量調節手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置。
4. 前記制御手段は、前記複数の燃料ガス流量調節手段を同時に制御する場合に、前記複数の燃料ガス流量調節手段を同じ作動周期で、かつ、個々の燃料ガス流量調節手段の作動周期の位相を順次ずらしながらデューティ制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置。
5. 前記制御手段は、前記複数の燃料ガス流量調節手段を同時に制御する場合に、前記複数の燃料ガス流量調節手段を少なくとも２つを一組として複数の組に分け、各組を構成する燃料ガス流量調節手段を同じ作動周期で、かつ、同じ位相でデューティ制御すると共に、前記各組の作動周期の位相を順次ずらすことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置。
6. 前記複数の燃料ガス流量調節手段の調節可能流量が互いに同じであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一つに記載の燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置。
7. 前記複数の燃料ガス流量調節手段の調節可能流量が互いに異なることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置。
8. 前記制御手段は、前記複数の燃料ガス流量調節手段を順次１つずつ作動させることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一つに記載の燃料電池システムの燃料ガス流量制御装置。

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