JP2020087520A - 燃料供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池に供給する気体燃料を噴射する燃料噴射部の寿命の向上を図ることができる燃料供給装置を提供する燃料供給装置を提供する。【解決手段】本開示の一態様は、ＦＣスタック１１に供給する水素ガスを噴射する燃料噴射部４１と、燃料噴射部４１を制御する噴射制御部４２と、を有する燃料供給装置３４において、燃料噴射部４１は、水素ガスの噴射口５１ａの開度を全閉開度と全開開度の間の所定開度に維持して水素ガスを噴射可能なリニアソレノイド弁５１と、水素ガスの噴射口５２ａの開度を全閉開度と全開開度にのみ制御可能なインジェクタ５２と、を備え、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１の駆動とインジェクタ５２の駆動とを協調させながら制御する。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池に気体燃料を供給する燃料供給装置に関する。
特許文献１には、燃料電池に供給する気体燃料を噴射する第１インジェクタと第２インジェクタをそれぞれ１つまたは複数備えた燃料循環装置が開示されている。
特開２０１１−１７９３３３号公報
インジェクタは、噴射を行うたびにインジェクタ内でバルブ（弁体）がシート部（弁座）に衝突する。そのため、インジェクタの噴射回数が多くなってバルブとシート部の衝突回数が多くなると、バルブやシート部が傷んで、インジェクタの耐久性が低下するおそれがある。
このようなインジェクタ（第１インジェクタと第２インジェクタ）を、気体燃料を噴射する燃料噴射部に備える特許文献１の燃料循環装置では、第１インジェクタと第２インジェクタを時間的な位相をもって略交互に気体燃料を噴射させている。そのため、第１インジェクタと第２インジェクタの噴射動作回数が多くなるので、第１インジェクタと第２インジェクタの耐久性が低下するおそれがある。したがって、特許文献１の燃料循環装置において、気体燃料を噴射する燃料噴射部の寿命が短くなるおそれがある。
そこで、本開示は上記した問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池に供給する気体燃料を噴射する燃料噴射部の寿命の向上を図ることができる燃料供給装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、燃料電池に供給する気体燃料を噴射する燃料噴射部と、前記燃料噴射部を制御する噴射制御部と、を有する燃料供給装置において、前記燃料噴射部は、前記気体燃料の噴射口の開度を全閉開度と全開開度の間の所定開度に維持して前記気体燃料を噴射可能な第１燃料噴射弁と、前記気体燃料を間欠的に噴射する第２燃料噴射弁と、を備え、前記噴射制御部は、前記第１燃料噴射弁の駆動と前記第２燃料噴射弁の駆動とを協調させながら制御すること、を特徴とする。
この態様によれば、燃料噴射部は、第１燃料噴射弁を備えている。ここで、第１燃料噴射弁は、その気体燃料の噴射口の開度を全閉開度と全開開度の間の所定開度（中間開度）に維持して、気体燃料を噴射させることができる。そのため、第１燃料噴射弁を駆動させて気体燃料を噴射させる際に、第１燃料噴射弁の気体燃料の噴射口の開閉動作を行う弁体と弁座の衝突回数を少なくすることができるので、弁体と弁座の耐久性の低下を抑制できる。したがって、第１燃料噴射弁の耐久性を維持できるので、燃料噴射部の寿命の向上を図ることができる。
また、第１燃料噴射弁を駆動させることにより、第２燃料噴射弁の駆動回数を減らすことができる。そのため、第２燃料噴射弁の耐久性を維持できるので、燃料噴射部の寿命の向上を図ることができる。
上記の態様においては、前記噴射制御部は、前記燃料電池の出力の変化量が所定量未満である燃料電池低出力時にて、前記第１燃料噴射弁を駆動させる一方で前記第２燃料噴射弁を停止させる第１噴射弁噴射制御を行うこと、が好ましい。
この態様によれば、燃料電池低出力時にて第２燃料噴射弁を停止させるため、より効果的に第２燃料噴射弁の耐久性を維持できる。
上記の態様においては、前記噴射制御部は、前記第１噴射弁噴射制御を行うときには、前記燃料電池の内圧の実圧が目標圧の下限値となるように制御すること、が好ましい。
この態様によれば、第１燃料噴射弁の気体燃料の噴射量を抑制できるので、燃料電池の燃費を向上させることができる。
上記の態様においては、前記噴射制御部は、前記燃料電池の出力の変化量が所定量以上である燃料電池高出力時にて、前記第１燃料噴射弁を駆動させるとともに前記第２燃料噴射弁を駆動させる両噴射弁噴射制御を行うこと、が好ましい。
この態様によれば、燃料電池高出力時にて、第１燃料噴射弁のみを駆動させるだけでは要求される気体燃料の噴射量を満たすことができない場合でも、第２燃料噴射弁も駆動させることにより要求される気体燃料の噴射量を満たすことができる。
上記の態様においては、前記噴射制御部は、前記両噴射弁噴射制御を行うときには、要求される前記気体燃料の噴射量と前記第１燃料噴射弁の前記気体燃料の噴射量との差分に応じて前記第２燃料噴射弁の前記気体燃料の噴射量を制御するフィードバック制御を行うこと、が好ましい。
この態様によれば、燃料電池高出力時に、より確実に、要求される気体燃料の噴射量を満たすことができる。
上記の態様においては、前記噴射制御部は、前記燃料電池高出力時にて、前記燃料電池の内圧についての目標圧力と実圧との圧力差が前記第１燃料噴射弁の駆動により昇圧可能な圧力差よりも大きい場合には、前記両噴射弁噴射制御を行い、前記燃料電池の内圧における目標圧力と実圧との差が前記第１燃料噴射弁の駆動により昇圧可能な圧力差以下である場合には、前記第１燃料噴射弁を駆動させる一方で前記第２燃料噴射弁を停止させる第１噴射弁噴射制御を行うこと、が好ましい。
この態様によれば、燃料電池高出力時にて、第１燃料噴射弁を駆動させるだけでは燃料電池の内圧を目標圧力にすることができない場合には、噴射制御部は、第１燃料噴射弁とともに第２燃料噴射弁を駆動させる。これにより、確実に燃料電池の内圧を目標圧力にすることができる。また、燃料電池高出力時にて、第１燃料噴射弁を駆動させるだけで燃料電池の内圧を目標圧力にすることができる場合には、噴射制御部は、第１燃料噴射弁のみを駆動させて第２燃料噴射弁を停止させる。これにより、燃料電池の内圧の脈動の発生を抑制しながら、燃料電池の気体燃料側の内圧とエア側の内圧との差分を抑えることが可能である。そのため、燃料電池内において、気体燃料側からエア側へ燃料が透過し難くなるので、燃料電池の燃費の向上を図ることができる
上記の態様においては、前記燃料噴射部の下流側であって前記燃料電池の上流側の位置に設けられるエジェクタを有し、前記エジェクタは、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、前記燃料噴射部から噴射される前記気体燃料を導入することで発生する負圧によって吸引し、導入される前記気体燃料に合流させて、前記燃料電池へ循環させるものであり、前記エジェクタにおける前記気体燃料の導入口は、前記第１燃料噴射弁の前記気体燃料の噴射口に接続していること、が好ましい。
この態様によれば、第１燃料噴射弁のみを駆動させる場合でも、燃料電池から排出される燃料オフガスをエジェクタにより燃料電池へ循環させることができるので、エジェクタによる燃料オフガスの循環機能が維持される。
上記の態様においては、前記噴射制御部は、前記第１燃料噴射弁を駆動させる一方で前記第２燃料噴射弁を停止させる第１噴射弁噴射制御を行っているときにて、前記エジェクタの内部に氷結が発生する氷結発生条件を満たした場合に、前記燃料噴射部により前記気体燃料を間欠的に噴射させること、が好ましい。
この態様によれば、気体燃料を間欠的に噴射させてエジェクタの内部にて気体燃料を脈動させることにより、エジェクタの内部にて氷結することを防止できる。
上記の態様においては、前記第１燃料噴射弁は、リニアアクチュエータの駆動により前記気体燃料の噴射口の開閉動作を行う燃料噴射弁であること、が好ましい。
この態様によれば、リニアアクチュエータの駆動により、確実に、第１燃料噴射弁の噴射口の開度を所定開度に維持することができる。
本開示の燃料供給装置によれば、燃料電池に供給する気体燃料を噴射する燃料噴射部の寿命の向上を図ることができる。
本実施形態の燃料供給装置を備える燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本実施形態において、スタック出力の変化が小さい場合の、リニアソレノイド弁とインジェクタの駆動の有無と、スタック内圧とスタック出力を示す図である。 本実施形態において、噴射制御部が行う制御の内容を表したフローチャートを示す図である。 本実施形態において、スタック出力の変化が大きい場合の、リニアソレノイド弁とインジェクタの駆動の有無と、スタック内圧とスタック出力を示す図である。 リニアソレノイド弁とインジェクタの噴射タイミングを示す図である。 タンク内ガス温度と雰囲気温度と時間との関係を規定したマップを示す図である。 燃料噴射部とエジェクタとの接続に関する第１変形例を示す図である。 燃料噴射部とエジェクタとの接続に関する第２変形例を示す図である。 燃料噴射部とエジェクタとの接続に関する第３変形例を示す図である。 スタック出力の変化が小さい場合にインジェクタのみ駆動させたときの、スタック内圧とスタック出力を示す図である。 スタック出力の変化が大きい場合にリニアソレノイドのみ駆動させたときの、スタック内圧とスタック出力を示す図である。
以下、本開示の燃料供給装置の実施形態について説明する。
＜燃料電池システムの概要について＞
まず、本実施形態の燃料供給装置を備える燃料電池システム１の概要について説明する。燃料電池システム１は、燃料電池車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するシステムである。
（燃料電池システムの概略構成について）
燃料電池システム１は、図１に示すように、ＦＣスタック（燃料電池）１１と、水素系システム１２と、エア系システム１３とを有する。
ＦＣスタック１１は、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスはエアである。すなわち、ＦＣスタック１１は、水素系システム１２からの水素ガスの供給と、エア系システム１３からのエアの供給を受けて発電を行う。そして、ＦＣスタック１１で発電された電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給される。
水素系システム１２は、ＦＣスタック１１のアノード側に設けられている。この水素系システム１２は、水素供給通路２１と水素オフガス循環通路２２を備えている。水素供給通路２１は、水素タンク３１からＦＣスタック１１へ水素ガスを供給するための通路である。水素オフガス循環通路２２は、ＦＣスタック１１から排出される水素ガス（以下、適宜、「水素オフガス」という。）を循環させるための通路である。
水素系システム１２は、水素供給通路２１において、水素タンク３１側から順に、主止弁３２、減圧弁３３、燃料供給装置３４を備えている。主止弁３２は、水素タンク３１から水素供給通路２１への水素ガスの供給と遮断を切り換える弁である。減圧弁３３は、水素ガスを減圧するための圧力調整弁である。
燃料供給装置３４は、ＦＣスタック１１へ水素ガスを供給する装置であり、燃料噴射部４１と噴射制御部４２とエジェクタ（エゼクタ）４３を備えている。
燃料噴射部４１は、ＦＣスタック１１に供給する水素ガスを噴射する機構であり、本実施形態では、水素ガスを噴射する弁として、リニアソレノイド弁５１（第１燃料噴射弁）とインジェクタ５２（第２燃料噴射弁）を備えている。図１に示す例では、リニアソレノイド弁５１とインジェクタ５２は、並列に配置されている。
リニアソレノイド弁５１は、リニアソレノイド（不図示）の駆動により水素ガスの噴射口５１ａの開閉動作を行う弁である。このリニアソレノイド弁５１は、噴射口５１ａの開度を全閉開度（開度が１００％）と全開開度（開度が０％）の間の所定開度に維持するように制御して、水素ガスの噴射量（流量）を所定量に調整可能な噴射量調整弁（流量調整弁）である。なお、「所定開度」は運転条件によって変更される値であり、「所定量」は、要求発電量に応じた量である。
インジェクタ５２は、噴射口５２ａの開度を全閉開度と全開開度にのみ制御可能であって、水素ガスを間欠的に噴射するオンオフ弁（ＯＮＯＦＦ弁）である。なお、インジェクタ５２の噴射量は、リニアソレノイド弁５１の噴射量よりも少なく設定されている。
噴射制御部４２は、例えばＣＰＵとＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリを備え、メモリに予め格納されているプログラムに応じて、燃料噴射部４１を制御する。
エジェクタ４３は、燃料噴射部４１の下流側（水素供給通路２１を流れる水素ガスの流れ方向の下流側）であってＦＣスタック１１の上流側（水素供給通路２１を流れる水素ガスの流れ方向の上流側）の位置に設けられている。エジェクタ４３は、入口４３ａと出口４３ｂと吸引口４３ｃを備えている。
入口４３ａは、燃料噴射部４１から噴射される水素ガスの導入口であり、図１に示す例では、リニアソレノイド弁５１の噴射口５１ａとインジェクタ５２の噴射口５２ａに接続している。また、出口４３ｂは、水素ガスを排出する部分であり、ＦＣスタック１１に接続している。さらに、吸引口４３ｃは、水素オフガス（燃料オフガス）を吸引する部分であり、水素オフガス循環通路２２に接続している。
このエジェクタ４３は、ＦＣスタック１１から水素オフガス循環通路２２に排出される水素オフガスを、燃料噴射部４１から噴射される水素ガスを入口４３ａから導入することで発生する負圧によって、吸引口４３ｃから吸引する。そして、エジェクタ４３は、吸引口４３ｃから吸引した水素オフガスを、入口４３ａから導入される水素ガスに合流させて、出口４３ｂからＦＣスタック１１へ循環させる。このようにして、ＦＣスタック１１から水素オフガス循環通路２２へ排出される水素オフガスは、エジェクタ４３を介してＦＣスタック１１へ循環される。
また、水素系システム１２は、ＦＣスタック１１からエジェクタ４３へ水素オフガスを循環させる水素オフガス循環通路２２において、気液分離器６１と排気排水弁６２が配置されている。気液分離器６１は、水素オフガス内の水分を分離する機器である。気液分離器６１は、水素オフガス循環通路２２を介して、エジェクタ４３の吸引口４３ｃに接続している。排気排水弁６２は、気液分離器６１からエア系システム１３の希釈器（不図示）への水素オフガスや水分の排出と遮断を切り換える弁である。
（燃料電池システムの作用について）
以上のような構成の燃料電池システム１において、水素系システム１２では、水素供給通路２１からＦＣスタック１１に供給された水素ガスは、ＦＣスタック１１にて発電に使用された後、ＦＣスタック１１から水素オフガスとして水素オフガス循環通路２２を介して、エジェクタ４３に吸引されたり、あるいは、外部に排出される。また、エア系システム１３では、ＦＣスタック１１に供給されたエアは、ＦＣスタック１１にて発電に使用された後、ＦＣスタック１１からエアオフガスとして外部に排出される。
（リニアソレノイド弁とインジェクタの協調制御について）
本実施形態の燃料供給装置３４において、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１の駆動（リニアソレノイド弁５１による水素ガスの噴射）と、インジェクタ５２のインジェクタ５２の駆動（インジェクタ５２による水素ガスの噴射）と、を協調させながら制御する。そこで、以下に、本実施形態において行われるリニアソレノイド弁５１とインジェクタ５２の協調制御について説明する。
＜スタック出力の変化が小さい場合＞
燃料電池システム１が搭載される車両が定常走行している時や緩加速している時等においては、図１０示すように、スタック出力ＳＯ（ＦＣスタック１１の出力）の変化が小さくなる。すなわち、このとき、スタック出力ＳＯの変化量（変動量）が所定量Ｘ未満となる。なお、スタック出力ＳＯの変化が小さくなるとは、換言すると、ＦＣスタック１１の発電変化量が小さくなるということである。また、最大のスタック出力ＳＯを１００％とするときに、「所定量Ｘ」は例えば２０％である。
ここで、スタック出力ＳＯの変化が小さいとき（燃料電池低出力時）に、図１０に示すように、リニアソレノイド弁５１（リニア）を停止させて（リニアソレノイド弁５１による水素ガスの噴射を停止させて）、インジェクタ５２（ＩＮＪ）のみ駆動させる場合を想定する。すると、インジェクタ５２は、オンオフ弁であって、水素ガスを間欠的に噴射する弁であるため、図１０に示すように、スタック内圧ＳＰ（ＦＣスタック１１内の圧力）の脈動が大きくなる。そのため、ＦＣスタック１１への水素ガスの供給量が安定せず、ＦＣスタック１１の燃費が低下するおそれがある。また、インジェクタ５２の駆動回数（噴射動作回数）が多くなるので、インジェクタ５２の耐久性が低下するおそれがある。
そこで、本実施形態では、図２に示すように、噴射制御部４２は、スタック出力ＳＯの変化が小さいときに、リニアソレノイド弁５１を駆動させる一方で、インジェクタ５２を停止させる制御（第１噴射弁噴射制御）を行う。そして、このとき、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１の噴射口５１ａの開度を全閉開度と全開開度の間の所定開度に維持して、スタック内圧ＳＰの実圧ＡＰが目標調圧値の下限値ＴＰｍｉｎとなるように制御する。これにより、図２に示すように、スタック内圧ＳＰの実圧ＡＰは、目標調圧値の下限値ＴＰｍｉｎに制御される。このようにして、スタック内圧ＳＰの脈動の発生が抑制されるため、ＦＣスタック１１の水素ガス側の内圧とエア側の内圧との差分を抑えられ、ＦＣスタック１１の燃費が向上する。
また、インジェクタ５２を停止させることにより、インジェクタ５２の駆動回数を減らすことができる。そのため、インジェクタ５２の耐久性を維持できるので、燃料噴射部４１の寿命の向上を図ることができる。
＜スタック出力の変化が大きい場合＞
一方、燃料電池システム１が搭載される車両が急加速している時（ＷＯＴ（ＷＩＤＥ ＯＰＥＮ ＴＨＲＯＴＴＬＥ）時）等においては、図１１に示すように、スタック出力ＳＯの変化が大きくなる。すなわち、このとき、スタック出力ＳＯの変化量が所定量Ｘ以上となる。なお、スタック出力ＳＯの変化が大きくなるとは、換言すると、ＦＣスタック１１の発電変化量が大きくなるということである。
ここで、スタック出力ＳＯの変化が大きいとき（燃料電池高出力時）に、図１１に示すように、インジェクタ５２を停止させて、リニアソレノイド弁５１のみ駆動させる場合を想定する。なお、このとき、スタック内圧ＳＰの実圧ＡＰが目標調圧値の下限値ＴＰｍｉｎになるように、リニアソレノイド弁５１の駆動を制御する。すると、リニアソレノイド弁５１は水素ガスの噴射の応答性が低いため、図１１に示すように、スタック内圧ＳＰの目標調圧値ＴＰが増加する時間帯Ｔ１において、スタック内圧ＳＰの実圧ＡＰが目標調圧値の下限値ＴＰｍｉｎに到達できない領域αが発生するおそれがある。
そこで、本実施形態では、噴射制御部４２は、スタック出力ＳＯの変化が大きいときに、リニアソレノイド弁５１を駆動させながら、必要に応じてインジェクタ５２を駆動させる。
具体的には、噴射制御部４２は、図３のフローチャートで示す内容の制御を行う。図３に示すように、噴射制御部４２は、アクセル操作量（アクセルペダル（不図示）の踏み込み量）を検出し（ステップＳ１）、検出したアクセル操作量に基づきＦＣスタック発電量（ＦＣスタック１１での必要な発電量）を算出する（ステップＳ２）。次に、噴射制御部４２は、算出したＦＣスタック発電量に基づき要求水素流量（要求されるＦＣスタック１１への水素ガスの供給流量）を算出する（ステップＳ３）。次に、噴射制御部４２は、算出した要求水素流量に基づきスタック内圧ＳＰの目標調圧値ＴＰを算出する（ステップＳ４）とともに、スタック内圧ＳＰの実圧ＡＰと１次圧（燃料供給装置３４の上流側の圧力）を検出する（ステップＳ５，Ｓ６）。
次に、噴射制御部４２は、目標調圧値ＴＰと実圧ＡＰの圧力差と、１次圧に基づき、インジェクタ５２（ＩＮＪ）の駆動制御を行う（ステップＳ７）。
このステップＳ７において、噴射制御部４２は、目標調圧値ＴＰと実圧ＡＰの圧力差がリニアソレノイド弁５１の駆動により昇圧可能な圧力差以下である場合には、リニアソレノイド弁５１を駆動させる一方で、インジェクタ５２を停止させる制御（第１噴射弁噴射制御）を行う。すなわち、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１を駆動させることによりスタック内圧ＳＰを目標調圧値ＴＰに調整できる場合には、インジェクタ５２を停止させて、リニアソレノイド弁５１のみを駆動させる。
一方、噴射制御部４２は、目標調圧値ＴＰと実圧ＡＰの圧力差がリニアソレノイド弁５１の駆動により昇圧可能な圧力差よりも大きい場合には、リニアソレノイド弁５１を駆動させるとともに、インジェクタ５２を駆動させる制御（両噴射弁噴射制御）を行う。すなわち、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１を駆動させることによりスタック内圧ＳＰを目標調圧値ＴＰに調整できない場合には、リニアソレノイド弁５１とインジェクタ５２の両方を駆動させる。
そして、噴射制御部４２は、このような図３のフローチャートで示す内容の制御を行うことにより、図４に示すような制御を行う。
図４に示すように、スタック内圧ＳＰの目標調圧値ＴＰが増加する時間帯Ｔ１において、噴射制御部４２は、両噴射弁噴射制御を行う。なお、この時間帯Ｔ１では、目標調圧値ＴＰの単位時間あたりの変化値（増加値）が所定値よりも多く、目標調圧値ＴＰと実圧ＡＰの圧力差がリニアソレノイド弁５１の駆動により昇圧可能な圧力差よりも大きくなっている。
このようにして、スタック出力ＳＯの変化が大きいときに、噴射制御部４２は、両噴射弁噴射制御を行って、スタック内圧ＳＰの急激な上昇要求にも対応できるように、燃料噴射部４１の出力応答性を向上させる。
そして、噴射制御部４２は、このようにして両噴射弁噴射制御を行うときには、要求される水素ガスの噴射量とリニアソレノイド弁５１の水素ガスの噴射量との差分に応じてインジェクタ５２の水素ガスの噴射量を制御するフィードバック制御を行う。また、このとき、噴射制御部４２は、インジェクタ５２の駆動により発生するスタック内圧ＳＰの脈動の範囲が目標圧力の上限値ＴＰｍａｘと目標圧力の下限値ＴＰｍｉｎの範囲内に収まるように、インジェクタ５２の駆動を制御する。
また、図４に示すように、スタック内圧ＳＰの目標調圧値ＴＰが一定である時間帯Ｔ２において、噴射制御部４２は、インジェクタ５２を停止させて、リニアソレノイド弁５１のみを駆動させる制御（第１噴射弁噴射制御）を行う。なお、この時間帯Ｔ２では、目標調圧値ＴＰの単位時間あたりの変化値（増加値）が所定値以下であり、目標調圧値ＴＰと実圧ＡＰの圧力差がリニアソレノイド弁５１の駆動により昇圧可能な圧力差以下になっている。
このようにして、スタック内圧ＳＰの目標調圧値ＴＰが一定であるとき（定常圧時）に、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１を駆動させて、スタック内圧ＳＰを目標調圧値の下限値ＴＰｍｉｎに制御する。また、噴射制御部４２は、インジェクタ５２を停止させて、スタック内圧ＳＰの脈動の発生を抑制する。そのため、ＦＣスタック１１への水素ガスの供給量を必要最小限に抑制できるとともに、ＦＣスタック１１の水素ガス側の内圧とエア側の内圧との差分を抑えることが可能である。したがって、ＦＣスタック１１の燃費を向上させることができる。
また、インジェクタ５２を停止させることにより、インジェクタ５２の駆動回数を減らすことができる。そのため、インジェクタ５２の耐久性を維持できるので、燃料噴射部４１の寿命の向上を図ることができる。
なお、図４に示すように、スタック内圧ＳＰの目標調圧値ＴＰが減少する時間帯Ｔ３において、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１とインジェクタ５２の両方を停止させる。
＜エジェクタ内の氷結を防止する制御について＞
氷点下時や車両の連続定常走行時等など外気温や水素タンク３１内の温度が低いときには、水素タンク３１から燃料供給装置３４に供給される水素ガスの温度が低くなる。一方、ＦＣスタック１１から水素オフガス循環通路２２を介してエジェクタ４３に循環される水素オフガスは、車両の始動後にてＦＣスタック１１が暖まると、温かく湿った状態になる。
このように燃料供給装置３４に供給される水素ガスの温度が低い一方で、エジェクタ４３に循環される水素オフガスが温かく湿った状態である場合においては、エジェクタ４３の内部（ノズルやディフューザ）における水素ガスと水素オフガスとの合流部において、霜が発生するおそれがある。そして、このときリニアソレノイド弁５１の噴射口５１ａの開度を所定開度に維持してリニアソレノイド弁５１により水素ガスを噴射する一方でインジェクタ５２を停止させていると、エジェクタ４３の内部を流れる水素ガスの脈動が小さくなる。すると、エジェクタ４３の内部に発生した霜が付着し、さらに、付着した霜が徐々に氷へと成長して氷結するおそれがある。
そこで、噴射制御部４２は、上記のようにエジェクタ４３の内部に霜が発生するおそれがある場合において、リニアソレノイド弁５１により水素ガスを連続的に噴射する場合には、時間ｔ（所定時間）後に、少なくとも１回以上、インジェクタ５２により水素ガスを間欠的に噴射させる（図５参照）。ここで、時間ｔは、エジェクタ４３の内部に発生した霜が氷にならない時間に設定され、例えば、図６に示すように、タンク内ガス温度Ｔ（燃料タンク３１内の温度）や雰囲気温度（外気温）に基づいて、マップで規定されている。図６に示すように、時間ｔは、タンク内ガス温度Ｔや雰囲気温度が高いほど長くなるように規定されている。
このようにして、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１を駆動させる一方でインジェクタ５２を停止させる第１噴射弁噴射制御を行っているときにて、図６のマップを参照して、時間ｔの経過後に、エジェクタ４３の内部に氷結が発生する氷結発生条件を満たしたと判定する。そして、噴射制御部４２は、このように氷結発生条件を満たしたと判定した場合には、リニアソレノイド弁５１を停止させる一方でインジェクタ５２を駆動させる第２噴射弁噴射制御を行い、燃料噴射部４１により水素ガスを間欠的に噴射させて、エジェクタ４３の内部にて水素ガスを脈動させる。これにより、水素ガスによりエジェクタ４３の内部に付着した霜を振動させて吹き飛ばすことができるので、エジェクタ４３の内部にて氷結することを防止できる。
＜本実施形態の作用効果について＞
以上のように本実施形態の燃料供給装置３４において、燃料噴射部４１は、リニアソレノイド弁５１とインジェクタ５２を備えている。そして、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１の駆動とインジェクタ５２の駆動とを協調させながら制御する。
このように、燃料噴射部４１は、リニアソレノイド弁５１を備えている。ここで、リニアソレノイド弁５１は、その噴射口５１ａの開度を全閉開度と全開開度の間の所定開度（中間開度）に維持して、水素ガスを噴射させることができる。そのため、リニアソレノイド弁５１を駆動させる際に、リニアソレノイド弁５１の噴射口５１ａの開閉動作を行うバルブ（弁体、不図示）とシート部（弁座、不図示）の衝突回数を少なくすることができるので、バルブとシート部の耐久性の低下を抑制できる。したがって、リニアソレノイド弁５１の耐久性を維持できるので、燃料噴射部４１の寿命の向上を図ることができる。
また、リニアソレノイド弁５１を駆動させることにより、インジェクタ５２の駆動回数を減らすことができる。そのため、インジェクタ５２の耐久性を維持できるので、燃料噴射部４１の寿命の向上を図ることができる。
また、噴射制御部４２は、スタック出力ＳＯの変化が小さいとき（燃料電池低出力時）にて、リニアソレノイド弁５１を駆動させる一方で、インジェクタ５２を停止させる制御（第１噴射弁噴射制御）を行う。
このようにして、スタック出力ＳＯの変化が小さいときにてインジェクタ５２を停止させることにより、より効果的にインジェクタ５２の耐久性を維持できる。また、リニアソレノイド弁５１を駆動させることにより、ＦＣスタック１１の燃費を向上させることができる。
また、噴射制御部４２は、第１噴射弁噴射制御を行うときには、スタック内圧ＳＰが目標調圧値の下限値ＴＰｍｉｎとなるように制御する。
これにより、リニアソレノイド弁５１の水素ガスの噴射量を抑制できるので、ＦＣスタック１１の燃費を向上させることができる。
また、スタック出力ＳＯの変化が大きいとき（燃料電池高出力時）には、要求噴射量（ＦＣスタック１１から要求される水素ガスの噴射量）が大きく、リニアソレノイド弁５１を駆動させるのみでは要求噴射量を満たすことができないおそれがある。
そこで、噴射制御部４２は、スタック出力ＳＯの変化が大きいときにて、リニアソレノイド弁５１を駆動させるとともにインジェクタ５２を駆動させる制御（両噴射弁噴射制御）を行う。
これにより、スタック出力ＳＯの変化が大きいときにて、リニアソレノイド弁５１のみを駆動させるだけでは要求噴射量を満たすことができない場合でも、インジェクタ５２も駆動させることにより要求噴射量を満たすことができる。
また、噴射制御部４２は、両噴射弁噴射制御を行うときには、要求噴射量とリニアソレノイド弁５１の水素ガスの噴射量との差分に応じてインジェクタ５２の水素ガスの噴射量を制御するフィードバック制御を行う。
これにより、スタック出力ＳＯの変化が大きいときに、より確実に要求噴射量を満たすことができる。
また、噴射制御部４２は、燃料電池高出力時にて、ＦＣスタック１１の内圧についての目標調圧値ＴＰと実圧ＡＰとの圧力差がリニアソレノイド弁５１の駆動により昇圧可能な圧力差よりも大きい場合には、両噴射弁噴射制御を行う。また、噴射制御部４２は、燃料電池高出力時にて、ＦＣスタック１１の内圧についての目標調圧値ＴＰと実圧ＡＰとの圧力差がリニアソレノイド弁５１の駆動により昇圧可能な圧力差以下である場合には、第１噴射弁噴射制御を行う。
このようにして、燃料電池高出力時にて、リニアソレノイド弁５１を駆動させるだけではスタック内圧ＳＰを目標調圧値ＴＰにすることができない場合には、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１とともにインジェクタ５２を駆動させる。これにより、確実にスタック内圧ＳＰを目標調圧値ＴＰにすることができる。
また、燃料電池高出力時にて、リニアソレノイド弁５１を駆動させるだけでスタック内圧ＳＰを目標調圧値ＴＰにすることができる場合には、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１のみを駆動させてインジェクタ５２を停止させる。これにより、スタック内圧ＳＰの脈動の発生を抑制しながら、ＦＣスタック１１の水素ガス側の内圧とエア側の内圧との差分を抑えることが可能である。そのため、ＦＣスタック１１へ余分な水素ガスが透過され難くなるので、ＦＣスタック１１の燃費の向上を図ることができる。また、インジェクタ５２を停止させることにより、インジェクタ５２の駆動回数を減らすことができる。そのため、インジェクタ５２の耐久性を維持できるので、燃料噴射部４１の寿命の向上を図ることができる。
また、エジェクタ４３の入口４３ａは、リニアソレノイド弁５１の噴射口５１ａに接続している。
このようにして、第１噴射弁噴射制御を行うときのようにリニアソレノイド弁５１のみを駆動させる場合でも、水素オフガスをエジェクタ４３によりＦＣスタック１１へ循環させることができるので、エジェクタ４３による水素オフガスの循環機能が維持される。
また、エジェクタ４３の入口４３ａは、インジェクタ５２の噴射口５２ａにも接続していている。そして、噴射制御部４２は、リニアソレノイド弁５１を駆動させる一方でインジェクタ５２を停止させる第１噴射弁噴射制御を行っているときにて、エジェクタ４３の内部に氷結が発生する氷結発生条件を満たした場合に、インジェクタ５２を駆動させて、燃料噴射部４１により水素ガスを間欠的に噴射させてもよい。
このようにして、水素ガスを間欠的に噴射させてエジェクタ４３の内部にて水素ガスを脈動させることにより、エジェクタ４３の内部にて氷結することを防止できる。
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。
例えば、噴射制御部４２は、第１噴射弁噴射制御を行ったときに、エジェクタ４３による水素オフガスの循環流量が不足する場合には、インジェクタ５２を駆動させてもよい。
また、エジェクタ４３の入口４３ａは、リニアソレノイド弁５１の噴射口５１ａとインジェクタ５２の噴射口５２ａの少なくとも一方に接続していればよい。例えば、図７に示すように、エジェクタ４３の入口４３ａは、リニアソレノイド弁５１の噴射口５１ａに接続する一方で、インジェクタ５２の噴射口５２ａに接続していないとしてもよい。また、図８に示すように、インジェクタ５２が２つ設けられている場合に、エジェクタ４３の入口４３ａは、リニアソレノイド弁５１の噴射口５１ａと一方のインジェクタ５２の噴射口５２ａに接続する一方で、他方のインジェクタ５２の噴射口５２ａに接続していないとしてもよい。
また、図９に示すように、エジェクタ４３の入口４３ａは、大リニアソレノイド弁５１−１（第１リニアソレノイド弁）の噴射口５１ａと小リニアソレノイド弁５１−２（第２リニアソレノイド弁）の噴射口５１ａに接続する一方で、インジェクタ５２の噴射口５２ａに接続していないとしてもよい。ここで、大リニアソレノイド弁５１−１の水素ガスの噴射量は、小リニアソレノイド弁５１−２の水素ガスの噴射量よりも大きいとする。そして、噴射制御部４２は、燃料電池高出力時にて、大リニアソレノイド弁５１−１を駆動させる一方で小リニアソレノイド弁５１−２を停止させる制御を行い、大リニアソレノイド弁５１−１の水素ガスの噴射量だけでは不足する場合にはインジェクタ５２も駆動させる制御を行う。
また、水素ガスの噴射口の開度を全閉開度と全開開度の間の所定開度に制御可能な燃料噴射弁（第１燃料噴射弁）として、リニアソレノイド弁５１以外に、リニア電磁アクチュエータにより駆動する弁（リニアソレノイドで駆動するインジェクタなど）や、圧電アクチュエータにより駆動する弁を使用してもよい。
また、インジェクタ５２の噴射量とリニアソレノイド弁５１の噴射量は、同量に設定されていてもよい。
また、噴射制御部４２は、前記の氷結発生条件を満たした場合に、燃料噴射部４１により水素ガスを間欠的に噴射させればよい。そのため、噴射制御部４２は、前記の氷結発生条件を満たした場合に、リニアソレノイド弁５１を駆動させながらインジェクタ５２を駆動させて、あるいは、リニアソレノイド弁５１のみを駆動させて、燃料噴射部４１により水素ガスを間欠的に噴射させてもよい。
また、インジェクタ５２の代わりに２つ目の（他方の）リニアソレノイド弁５１（本開示の「第２燃料噴射弁」の一例）を設けておき、噴射制御部４２は、前記の氷結発生条件を満たした場合に、２つ目のリニアソレノイド弁５１を駆動させて、燃料噴射部４１により水素ガスを間欠的に噴射させてもよい。
１ 燃料電池システム
１１ ＦＣスタック
１２ 水素系システム
２１ 水素供給通路
２２ 水素オフガス循環通路
３１ 水素タンク
３４ 燃料供給装置
４１ 燃料噴射部
４２ 噴射制御部
４３ エジェクタ
４３ａ 入口
４３ｂ 出口
４３ｃ 吸引口
５１ リニアソレノイド弁
５１ａ 噴射口
５２ インジェクタ
５２ａ 噴射口
ＳＯ スタック出力
ＳＰ スタック内圧
ＴＰ 目標調圧値
ＴＰｍｉｎ 目標調圧値の下限値
ＴＰｍａｘ 目標調圧値の上限値
ＡＰ 実圧
α 領域
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３ 時間帯
Ｔ タンク内ガス温度
ｔ 時間

Claims (9)

  1. 燃料電池に供給する気体燃料を噴射する燃料噴射部と、前記燃料噴射部を制御する噴射制御部と、を有する燃料供給装置において、
    前記燃料噴射部は、前記気体燃料の噴射口の開度を全閉開度と全開開度の間の所定開度に維持して前記気体燃料を噴射可能な第１燃料噴射弁と、前記気体燃料を間欠的に噴射する第２燃料噴射弁と、を備え、
    前記噴射制御部は、前記第１燃料噴射弁の駆動と前記第２燃料噴射弁の駆動とを協調させながら制御すること、
    を特徴とする燃料供給装置。
  2. 請求項１の燃料供給装置において、
    前記噴射制御部は、前記燃料電池の出力の変化量が所定量未満である燃料電池低出力時にて、前記第１燃料噴射弁を駆動させる一方で前記第２燃料噴射弁を停止させる第１噴射弁噴射制御を行うこと、
    を特徴とする燃料供給装置。
  3. 請求項２の燃料供給装置において、
    前記噴射制御部は、前記第１噴射弁噴射制御を行うときには、前記燃料電池の内圧の実圧が目標圧の下限値となるように制御すること、
    を特徴とする燃料供給装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか１つの燃料供給装置において、
    前記噴射制御部は、前記燃料電池の出力の変化量が所定量以上である燃料電池高出力時にて、前記第１燃料噴射弁を駆動させるとともに前記第２燃料噴射弁を駆動させる両噴射弁噴射制御を行うこと、
    を特徴とする燃料供給装置。
  5. 請求項４の燃料供給装置において、
    前記噴射制御部は、前記両噴射弁噴射制御を行うときには、要求される前記気体燃料の噴射量と前記第１燃料噴射弁の前記気体燃料の噴射量との差分に応じて前記第２燃料噴射弁の前記気体燃料の噴射量を制御するフィードバック制御を行うこと、
    を特徴とする燃料供給装置。
  6. 請求項４または５の燃料供給装置において、
    前記噴射制御部は、
    前記燃料電池高出力時にて、
    前記燃料電池の内圧についての目標圧力と実圧との圧力差が前記第１燃料噴射弁の駆動により昇圧可能な圧力差よりも大きい場合には、前記両噴射弁噴射制御を行い、
    前記燃料電池の内圧における目標圧力と実圧との差が前記第１燃料噴射弁の駆動により昇圧可能な圧力差以下である場合には、前記第１燃料噴射弁を駆動させる一方で前記第２燃料噴射弁を停止させる第１噴射弁噴射制御を行うこと、
    を特徴とする燃料供給装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１つの燃料供給装置において、
    前記燃料噴射部の下流側であって前記燃料電池の上流側の位置に設けられるエジェクタを有し、
    前記エジェクタは、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、前記燃料噴射部から噴射される前記気体燃料を導入することで発生する負圧によって吸引し、導入される前記気体燃料に合流させて、前記燃料電池へ循環させるものであり、
    前記エジェクタにおける前記気体燃料の導入口は、前記第１燃料噴射弁の前記気体燃料の噴射口に接続していること、
    を特徴とする燃料供給装置。
  8. 請求項７の燃料供給装置において、
    前記噴射制御部は、
    前記第１燃料噴射弁を駆動させる一方で前記第２燃料噴射弁を停止させる第１噴射弁噴射制御を行っているときにて、前記エジェクタの内部に氷結が発生する氷結発生条件を満たした場合に、前記燃料噴射部により前記気体燃料を間欠的に噴射させること、
    を特徴とする燃料供給装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれか１つの燃料供給装置において、
    前記第１燃料噴射弁は、リニアアクチュエータの駆動により前記気体燃料の噴射口の開閉動作を行う燃料噴射弁であること、
    を特徴とする燃料供給装置。
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