JP4695946B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法に関し、特に燃料電池システムの起動時における燃料供給弁の開弁判定に関する。

燃料ガス（例えば水素ガス）と酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）とが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムでは、燃料供給源（例えば高圧水素タンク）と燃料電池との間に燃料供給弁が設けられる。

この燃料供給弁は、燃料電池システムの起動時に、発電を行うために開弁され、燃料電池システムの停止時に、燃料電池の保護等の理由から閉弁される。

また、燃料電池システムを車両に適用する場合、燃料電池と並列に比較的に高圧の蓄電装置（充放電可能な二次バッテリであり、以下、第１蓄電装置ともいう。）を搭載してモータを駆動する構成が提案されている。この第１蓄電装置は、駆動力に応じて燃料電池システムを可変運転する際に、燃料電池システムの応答性をカバーするためと、起動時に燃料電池システムのエアコンプレッサ等の補機に電力を供給するためと、車両減速時のモータ回生エネルギで前記第１蓄電装置を充電しそのエネルギを加速時等のアシストに利用することにより燃料電池車両の効率を向上させるため等に使用される。

さらに、このような燃料電池システムには、電力の効率利用の観点から、前記燃料供給弁（電磁弁）に開弁電力を供給したり、制御装置であるＥＣＵ等に電力を供給するための低圧の蓄電装置（充放電可能な二次バッテリであり、以下、第２蓄電装置ともいう。）も搭載されている。

そして、この第２蓄電装置には、前記燃料電池と前記第１蓄電装置とからダウンバータを介して電圧が降圧された電力が充電用として供給される。

ところで、燃料電池システムの起動時において、前記燃料供給弁を開弁するとき、弁の一方側（高圧水素タンク側）が高圧となっており、弁の他方側（燃料電池の燃料ガス供給口側）は大気圧程度となっているので、この燃料供給弁には、開弁に必要な駆動力の小さいパイロット式の電磁弁が用いられる（特許文献１）。

すなわち、このパイロット式の電磁弁では、開弁指令が供給されてから、メインバルブの開弁に先立ち、駆動力が小さくてすむパイロットバルブを開弁し、メインバルブの上流側圧力と下流側圧力とが略同一なってからメインバルブを開弁する。このため、燃料供給弁に開弁指令が供給されてから実際に開弁するまでには時間がかかる。

また、燃料電池では、確実な発電状態の保持、反応速度の維持及び燃料電池の保護等を考慮し、高圧水素タンクから燃料電池のアノード電極に供給される燃料ガスと、コンプレッサから燃料電池のカソード電極に供給される圧縮された酸化剤ガスの両極間ガス圧力が所定範囲内に保持されている。

これらの事情（開弁指令が供給されてから実際に開弁するまでに時間がかかる点、及び両極間ガス圧力を所定範囲内で保持する点）を考慮し、従来技術に係る燃料電池システムでは、その起動時に、図５に示すように、イグニッションスイッチがオフ状態からオン状態にされた時点ｔ０で制御装置からダウンバータに動作指令が与えられるが、この動作指令が与えられた後、所定時間Ｔａ後の時点ｔ１にダウンバータがオフ状態からオン状態に切り替わると、高圧の第１蓄電装置からダウンバータを介して低圧の第２蓄電装置に降圧された電力が供給され、第２蓄電装置の電圧が上昇する。なお、第２蓄電装置の電圧の公称値は、例えば１２Ｖである。

このとき、すなわち、時点ｔ１で制御装置（なお、この制御装置には時点ｔ０で第２蓄電装置から電力が供給される。）から燃料供給弁に対して開弁指令が与えられる。開弁指令が与えられた燃料供給弁には、前記第２蓄電装置から電圧が上昇した低電圧の開弁電力が供給され、予め求められている所定時間Ｔｂ後の時点ｔ４に、制御装置は燃料供給弁が開弁したと判定して開弁判定ＯＫフラグを立てる。この時点ｔ４にコンプレッサが駆動を開始するように、制御装置はコンプレッサを駆動する。

このようにして、起動時に、高圧水素タンクからの燃料ガスとコンプレッサからの酸化剤ガスが両極間ガス圧力が所定範囲内で燃料電池システムが起動されるように制御される。

特開２００５−３８６９３号公報

ところで、図５を参照して説明した従来技術に係る燃料電池システムでは、起動時に発電が開始するまでの時間、いわゆる起動時間として、ダウンバータがＯＦＦ状態から定常動作状態に立ち上がる所定時間Ｔａと燃料弁の所定開弁時間Ｔｂとを合計した時間（Ｔａ＋Ｔｂ）の時間がかかるが、このような車両等に搭載される燃料電池システムでは、起動時に発電が開始されるまでの起動時間を可及的に短くしたいという要請がある。

また、上記した従来技術に係る燃料電池システムの起動の仕方では、ダウンバータが動作しなかった場合には、開弁指令を与えることができなく、燃料電池システムが起動しない。

この発明は、上記した課題を考慮してなされたものであって、燃料電池システムの起動時に、発電が開始されるまでの起動時間を短縮することを可能とする燃料電池システム及び燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法を提供することを目的とする。

また、この発明は、ダウンバータの動作の有無に無関係に燃料供給弁の開弁を可能とする燃料電池システム及び燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法を提供することを目的とする。

この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。

この発明に係る燃料電池システムは、高圧タンク（４２）から燃料供給弁（２６）を介して供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する燃料電池（１４）と、前記燃料電池に並列に接続される第１蓄電装置（１６）と、前記燃料電池及び前記第１蓄電装置に接続され、前記燃料電池又は前記第１蓄電装置の電圧を降圧する降圧手段（２０）と、前記降圧手段により降圧された電圧により充電されるとともに前記燃料供給弁に開弁電力を供給する第２蓄電装置（２２）と、制御装置（２４）とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時に、前記第２蓄電装置の電圧（Ｖｂ）が閾値電圧（Ｖｔｈ）以上であるとき、直ちに、前記燃料供給弁に開弁指令を与えることを特徴とする。

この発明によれば、起動時に、開弁電力を供給する第２蓄電装置の電圧が閾値電圧以上であるとき、直ちに、燃料供給弁に開弁指令を与えるようにしているので、ダウンバータの動作の有無に無関係に、起動時に直ちに開弁指令を与えることができることから、起動時間を短縮することができる。

この場合、前記燃料電池の起動時に、前記第２蓄電装置の電圧（Ｖｂ１）に基づいて前記燃料供給弁の第１予想開弁時間（Ｔｘ）を算出し、算出した第１予想開弁時間の経過により前記燃料供給弁が開弁すると判定することができる。すなわち、開弁指令を与えて（ｔ０）から第１予想開弁時間の経過時点（ｔ２）で前記燃料供給弁が開弁し、前記燃料電池のアノード電極に燃料ガスが供給されることから、この第１予想開弁時間に合わせて前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガスが供給されるようにコンプレッサ等の酸化剤供給手段を制御することができる。

また、前記燃料電池の起動時に、前記降圧手段の動作開始を検出した場合、前記降圧手段の動作開始に基づき上昇した前記第２蓄電装置の電圧（Ｖｂ２）に基づいて前記燃料供給弁の第２予想開弁時間（Ｔｙ）を算出し、この第２予想開弁時間による前記燃料供給弁の開弁時点（ｔ３）と、前記第１予想開弁時間の開弁時点（ｔ２）とを比較し、いずれか先に経過する開弁時点の経過時に、前記燃料供給弁が開弁すると判定することで、起動時間を最小の時間に制御することができる。

さらに、この発明に係る燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法は、高圧タンクから燃料供給弁を介して供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池に並列に接続される第１蓄電装置と、前記燃料電池及び前記第１蓄電装置に接続され、前記燃料電池又は前記第１蓄電装置の電圧を降圧する降圧手段と、前記降圧手段により降圧された電圧により充電されるとともに前記燃料供給弁に開弁電力を供給する第２蓄電装置と、制御装置とを備える燃料電池システムにおける前記燃料供給弁の開弁制御方法において、前記燃料電池の起動要求を検出する起動要求検出ステップ（Ｓ１）と、起動要求を検出した前記燃料電池の起動時に、前記燃料供給弁に開弁指令を与える開弁指令付与ステップ（Ｓ５）とを有することを特徴とする。

この発明によれば、起動時に、開弁電力を供給する第２蓄電装置の電圧が閾値電圧以上であるとき、直ちに、燃料供給弁に開弁指令を与えるようにしているので、ダウンバータの動作の有無に無関係に、起動時に直ちに開弁指令を与えることができることから、起動時間を短縮することができる。

この場合、開弁指令付与ステップの後に、前記起動時の前記第２蓄電装置の電圧に基づいて前記燃料供給弁の第１予想開弁時間を算出し、算出した第１予想開弁時間の経過により前記燃料供給弁が開弁すると判定する開弁時間予想ステップ（Ｓ６）を有するようにする。これによれば、開弁指令を与えてから第１予想開弁時間の経過時点で前記燃料供給弁が開弁し、前記燃料電池のアノード電極に燃料ガスが供給されることから、この第１予想開弁時点に合わせて前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガスが供給されるようにコンプレッサ等の酸化剤供給手段を制御することができる。

また、前記開弁時間予想ステップでは、前記燃料電池の起動時に、前記降圧手段の動作開始を検出した場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、前記降圧手段の動作開始に基づき上昇した前記第２蓄電装置の電圧に基づいて前記燃料供給弁の第２予想開弁時間を算出し（Ｓ９）、この第２予想開弁時間による前記燃料供給弁の開弁時点と、前記第１予想開弁時間の開弁時点とを比較し｛（Ｓ７），（Ｓ１０）｝、いずれか先に経過する開弁時点の経過時に、前記燃料供給弁が開弁すると判定する経過時間監視ステップ｛（Ｓ７）〜（Ｓ１０）｝を設けることで、起動時間を最小の時間に制御することができる。

この発明によれば、比較的に高圧の第１蓄電装置から比較的に低圧の第２の蓄電装置に電圧を降圧して充電する降圧手段の動作の有無に無関係に、起動時には、燃料供給弁に直ちに開弁指令を与えるようにしているので、発電が開始されるまでの起動時間を短縮することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０を備える燃料電池車両１２の概略構成図である。

この燃料電池車両１２は、基本的には、燃料電池１４と、この燃料電池１４の出力を補助するとともに、この燃料電池１４に並列に接続される数百ボルト程度の比較的に高圧の高圧バッテリ（第１蓄電装置）１６と、燃料電池１４及びアシスト用の高圧バッテリ１６の電力によりＰＤＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）１０２を介して駆動される走行駆動用のモータ１８と、燃料電池１４及び高圧バッテリ１６に接続され、燃料電池１４又は高圧バッテリ１６の電圧を低圧に降圧する降圧手段としてのダウンバータ（ＤＶ）２０と、ダウンバータ２０により充電される公称値１２Ｖ等の比較的に低圧の低圧バッテリ（第２蓄電装置）２２と、制御装置としてのＥＣＵ２４と、燃料電池１４に、パイロット式の電磁弁である燃料供給弁２６を介して燃料ガスを供給する高圧タンク４２と、燃料電池１４に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサ３６とから構成される。

ここで、高圧バッテリ１６としては、充放電可能なキャパシタ又はリチウムイオン電池等の二次電池が用いられる。又、低圧バッテリ２２としては、充放電可能な鉛蓄電池等の二次電池が用いられる。

燃料電池１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。

燃料電池１４には、高圧タンク４２から燃料供給弁２６を介して燃料ガス、例えば水素（Ｈ₂）ガスを供給するための水素供給口１２０と、燃料電池１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口１２２と、エアコンプレッサ３６から酸化剤ガス、例えば酸素（Ｏ₂）を含む空気（エア）を供給するための空気供給口１２４と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池１４から排出するための空気排出口１２６とが設けられている。エアコンプレッサ（コンプレッサ）３６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ用モータと一体となった装置（補機）であり、図１から分かるように、燃料電池１４又は高圧バッテリ１６の高電圧により駆動される。

通常、エアコンプレッサ３６は、起動時には高圧バッテリ１６の高電圧により駆動され、燃料電池１４の運転時には、燃料電池１４の出力端子間に発生する高電圧により駆動される。

低圧バッテリ２２には、端子間の電圧（低圧電圧）Ｖｂを測定する電圧センサ５２が接続されている。

燃料電池システム１０及びこの燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２の制御装置としてのＥＣＵ２４により、燃料電池システム１０及び燃料電池車両１２の全ての動作が制御される。

ＥＣＵ２４は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタ、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等を有するコンピュータにより構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段として動作する。したがって、ＥＣＵ２４には、電圧センサ５２を一体的に組み込むことも可能である。

このＥＣＵ２４には、燃料電池車両１２及び燃料電池システム１０の起動信号（始動信号）及び停止要求信号を出力するイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）５４が接続されている。

この実施形態において、ＥＣＵ２４は、イグニッションスイッチ５４からの起動信号・停止信号、電圧センサ５２からの低圧電圧Ｖｂ及びＥＣＵ２４のメモリに記録されたプログラム・テーブル（ルックアップテーブル）に基づき、燃料供給弁２６に開弁指令等を与えることで開弁を制御するとともに、また、ダウンバータ２０の動作及び非動作、並びにエアコンプレッサ３６の動作及び非動作等を制御する。

なお、図１において、二重線は配管を示し、太い実線は高圧（例えば、数百ボルト）線を示し、細い実線は低圧（この実施形態では＋１２ボルト）線を示し、点線は制御線（信号線）を示す。

ここで、低圧バッテリ２２から出力される電圧（電源、電力）Ｖｂは、低圧線を介してＥＣＵ２４の動作用電力、燃料供給弁２６の開弁電力、ダウンバータ２０の動作用電力、エアコンプレッサ３６の電子回路用の電力、その他図示しないコンタクタ等の補機用の電力として利用されていることが分かる。

この発明は、燃料電池システム１０の主に起動時の制御に係わるものであるが、この発明の理解を容易化するために、ここで、燃料電池システム１０の通常発電運転時の動作について簡単に説明する。

燃料電池システム１０の通常発電運転時には、ＥＣＵ２４による弁制御・図示しないコンタクタ制御により、燃料電池１４のカソード電極にエアコンプレッサ３６から空気供給口１２４を介して空気（酸素）が供給される一方、アノード電極に高圧タンク４２から燃料供給弁２６を通じ水素供給口１２０介して水素ガスが供給されており、アノード電極側で水素がイオン化され、水素イオンが固体高分子電解質膜を介してカソード電極の方に移動する。この間に発生した電子が外部回路に発電電流として取り出される。

このようにして、供給される両反応ガスにより燃料電池１４が発電する通常発電運転時に、燃料電池１４から取り出された発電電力は、ＰＤＵ１０２及びエアコンプレッサ３６（のエアコンプレッサ用駆動モータ）に供給されるとともに、余裕があれば、高圧バッテリ１６に供給され高圧バッテリ１６が充電され、さらにダウンバータ２０を通じて低圧バッテリ２２に供給され低圧バッテリ２２が充電される。実際上、燃料電池１４の発電運転時等には、ダウンバータ２０を通じて低圧バッテリ２２に充電しながらその＋１２Ｖの低圧の電力がＥＣＵ２４等各部に供給される。

次に、基本的には、以上のように構成され、かつ動作する燃料電池システム１０の起動時における動作を図２のフローチャート（ＥＣＵ２４により実行されるプログラム）及び図３のタイムチャートに基づいて説明する。

まず、燃料電池車両１２の運転停止時において、ステップＳ１の時点ｔ０で、イグニッションスイッチ５４がオフ状態からオン状態になったことがＥＣＵ２４により検出されると、ステップＳ２において、その時点ｔ０で、ダウンバータ２０に対して動作開始指令が与えられる。

さらに、ステップＳ３において、その時点ｔ０で電圧センサ５２により測定された低圧電圧Ｖｂ（Ｖｂ＝Ｖｂ１：図３参照）が、燃料供給弁２６を開弁可能な閾値電圧Ｖｔｈ（図３参照）以上の電圧になっているかどうかが判定され、低圧電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈ未満の電圧である場合には（Ｖｂ１＜Ｖｔｈ）、ステップＳ４に示すように閉弁指令が継続される。実際上、この場合には、ステップＳ２で動作開始指令を与えられたダウンバータ２０が定常動作状態に入った時点ｔ１で、高圧バッテリ１６からダウンバータ２０を通じて低圧バッテリ２２に電力が供給されるので低圧電圧Ｖｂが上昇しステップＳ３の判断が成立する。なお、ステップＳ３の判断が成立しない場合とは、例えば、長期間、燃料電池車両１２が利用に供されなかった場合等に、自己放電等により低圧バッテリ２２の低圧電圧Ｖｂが閾低電圧Ｖｔｈより低下している場合である。以下の説明では、基本的には、時点ｔ０でステップＳ３の判断が成立したものとして説明する。

すなわち、図３に示すように、イグニッションスイッチ５４がオン状態にされた時点ｔ０での低圧電圧Ｖｂが、閾値電圧Ｖｔｈ以上の値である場合には（Ｖｂ１≧Ｖｔｈ）、ステップＳ５において、その時点ｔ０で、ＥＣＵ２４からパイロット式の燃料供給弁２６に、例えばローレベルからハイレベルに遷移する開弁指令（図３参照）が与えられる。

次いでステップＳ６において、この開弁指令を発した時点ｔ０から燃料供給弁２６のメインバルブが開弁するまでの第１予想開弁時間Ｔｘを、時点ｔ０で測定した低圧電圧Ｖｂ１に基づき、図４に示す第１予想開弁時間算出テーブル６１を参照して算出する。

なお、図４に示す第１予想開弁時間算出テーブル６１及び後述する第２予想開弁時間算出テーブル６２は、研究開発設計段階で、予め計測・シミュレーション等により求められているルックアップテーブルであり、低圧電圧Ｖｂの電圧値と、この電圧値に基づく予想開弁時間との関係を示す表を示している。

基本的には、低圧電圧Ｖｂの電圧値が上昇すると、燃料供給弁２６のパイロットバルブを駆動する電磁コイルによる電磁力が大きくなるので、開弁指令が与えられてからメインバルブが開弁するまでの時間が短くなる負の勾配を持つ関係になっている。この図４に示すルックアップテーブルは、数式によりメモリに保持していてもよいことはいうまでもない。

このようにして、ステップＳ６の第１予想開弁時間Ｔｘの算出処理において、ステップＳ３で測定した低圧電圧Ｖｂ＝Ｖｂ１に基づき、第１予想開弁時間Ｔｘ（図４参照）が算出される。なお、このステップＳ６の算出処理は、略時点ｔ０で最初の１回のみ実行される。

次いで、ステップＳ７において、時点ｔ０からスタートしたタイマ（計時手段）の経過時間Ｔが、第１予想開弁時間Ｔｘの経過により判定される開弁時点（図３中、時点ｔ２）を経過したかどうか（Ｔ≧Ｔｘ）が判定される。なお、実際上、ステップＳ７の最初の判定は略時点ｔ０で行われるので、このステップＳ７の判定が成立することはない。

ステップＳ７の判定において、タイマによる経過時間Ｔが第１予想開弁時間Ｔｘの経過により判定される開弁時点ｔ２を経過していなかった場合には、ステップＳ８において、ダウンバータ２０が定常動作に至ったかどうか（動作が開始したかどうか）が検出される。

ダウンバータ２０は、故障していない場合、動作開始指令を受けてから動作立ち上がりの所定時間Ｔａを経過した時点で定常動作に至るので、略時点ｔ０で判定される１回目のステップＳ８の判定は成立しない。この場合、ステップＳ１→ステップＳ２（指令継続）→ステップＳ３→ステップＳ５（指令継続）→ステップＳ６（迂回）して、再び、ステップＳ７において、経過時間Ｔが第１予想開弁時間Ｔｘを経過したかどうかが判定されるが、第１予想開弁時間Ｔｘは、ダウンバータ動作立ち上がりの所定時間Ｔａより長いことが分かっている（図３参照）ので、ダウンバータ２０が故障していなければ、このステップＳ７の判定が成立する前に、次のステップＳ８の判定が時点ｔ１で成立する。

このとき、図３の時点ｔ１に示すように、ダウンバータ２０がオフ状態から定常動作状態に移行して、定常動作を開始したことに伴い、高圧バッテリ１６からの電力により低圧バッテリ２２の低圧電圧Ｖｂが電圧Ｖｂ１から電圧Ｖｂ２に上昇する。

ステップＳ８の判定が成立した時点ｔ１（経過時間Ｔ＝ｔ１−ｔ０）において、すなわち、燃料電池１４の起動時に、ダウンバータ２０の定常動作の動作開始を検出した場合において、この動作開始に基づき上昇した低圧バッテリ２２の電圧Ｖｂ２に基づいて図４に示す第２予想開弁時間算出テーブル６２を参照し、燃料供給弁２６の第２予想開弁時間Ｔｙを算出する。

なお、図４において、第２予想開弁時間Ｔｙは、ダウンバータ２０の動作立ち上がりの所定時間Ｔａと、電圧Ｖｂ２から予想開弁時間算出テーブル（ダウンバータ２０の動作が立ち上がってからの燃料供給弁２６の開弁予想時間算出テーブル）６３を用いて算出される予想開弁時間Ｔｃとの和であることが分かる（Ｔｙ＝Ｔａ＋Ｔｃ：図３参照）。

次いで、ステップＳ１０において、時点ｔ０からスタートしたタイマ（計時手段）の経過時間Ｔが、第２予想開弁時間Ｔｙの経過により判定される開弁時点（図３中、時点ｔ３）を経過したかどうか（Ｔ≧Ｔｙ）が判定される。

そして、時点ｔ１以降では、ステップＳ７の判定とステップＳ１０の判定のうち、いずれか先に経過する第１予想開弁時間Ｔｘの開弁時点ｔ２又は第２予想開弁時間Ｔｙの開弁時点ｔ３の経過時点で、ステップＳ７又はステップＳ１０の判定が成立する。

なお、第１予想開弁時間Ｔｘと第２予想開弁時間Ｔｙとは、図４から分かるように、低圧電圧Ｖｂ１、Ｖｂ２の値（電圧値）により、予想開弁時間が重複する区間があるので、Ｔｘ＞Ｔｙの場合と、Ｔｘ＜Ｔｙのいずれの場合もあり得る。

すなわち、図３の下側の開弁判断ＯＫフラグの波形に太い点線で例示的に示すように、ＥＣＵ２４により算出される第２予想開弁時間Ｔｙの開弁時点ｔ３は、開弁時点ｔ３ｂ〜開弁時点ｔ３ａの間で変化する。

そして、時点ｔ０で算出した第１予想開弁時間Ｔｘと、時点ｔ１で算出した第２予想開弁時間Ｔｙ中、いずれか短い予想開弁時間が経過した時点で、ステップＳ１１に進み、開弁判定ＯＫフラグを立てる。

この開弁判定ＯＫフラグが立てられると、既に動作待機状態にあるエアコンプレッサ３６からの圧縮空気である酸化剤ガスが燃料電池１４に供給されるとともに、高圧タンク４２から、正常に開弁された燃料供給弁２６を通じて燃料電池１４に図示しない圧力制御弁により所定圧力にされた燃料ガスが供給されるので、燃料電池１４の正常な発電が開始される。

以上説明したように、上述した実施の形態によれば、高圧タンク４２から燃料供給弁２６を介して供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する燃料電池１４と、燃料電池１４に並列に接続される高圧バッテリ１６と、燃料電池１４及び高圧バッテリ１６に接続され、燃料電池１４又は高圧バッテリ１６の電圧を降圧するダウンバータ２０と、ダウンバータ２０により降圧された電圧により充電されるとともに燃料供給弁２６の開弁電力を供給するための低圧バッテリ２２と、ＥＣＵ２４とを備えている。

ＥＣＵ２４は、燃料電池１４の起動時に、低圧バッテリ２２の電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈ以上であるとき、直ちに、燃料供給弁２６に開弁指令を付与するようにしているので、ダウンバータ２０の動作の有無に無関係に開弁指令を与えることができることから起動時間（イグニッションスイッチ５４がオン状態とされてから燃料供給弁２６が確実に開弁したことを示す開弁判定ＯＫフラグが立つまでの時間）を概ね短縮することができる。

すなわち、従来の起動時間（Ｔａ＋Ｔｂ）に対して、第１予想開弁時間Ｔｘは、Ｔｘ＜（Ｔａ＋Ｔｂ）と短縮された関係になっており、第２予想時間Ｔｙは、従来の起動時間（Ｔａ＋Ｔｂ）に対して短縮される場合とされない場合とがあるが、燃料電池車両１２が、例えば、毎日、使用されていれば、あるいは、１週間程度使用されなかった後であっても、一定時間の運転後停止し、その後、数時間以内に再起動された場合等には、低圧バッテリ２２が再充電されていて低圧電圧Ｖｂが比較的に高い電圧となっているので、ステップＳ７の判定が時間的に先に成立することから、この実施形態によれば、従来技術に比較して概ね起動時間を短縮することができる。この実施形態によれば、起動時に、燃料供給弁２６に開弁電力を供給する低圧バッテリ２２の電圧Ｖｂに基づいて燃料供給弁２６の開弁時間を予想するようにしているので、ダウンバータ２０の動作の有無に無関係に、起動時に直ちに開弁指令を与えることができることから、起動時間を短縮することができる。

この実施形態によれば、通常の場合、燃料電池１４の起動時に、低圧バッテリ２２の電圧Ｖｂ１に基づいて燃料供給弁２６の第１予想開弁時間Ｔｘを算出し、算出した第１予想開弁時間Ｔｘの経過により燃料供給弁２６が開弁すると判定することができる。すなわち、時点ｔ０で開弁指令を与えてから第１予想開弁時間Ｔｘの経過時点ｔ２で燃料供給弁２６が開弁することを確定して、燃料電池１４のアノード電極に燃料ガスが供給されることから、この第１予想開弁時間Ｔｘの経過時点ｔ２に合わせて燃料電池１４のカソード電極に酸化剤ガスが供給されるようにエアコンプレッサ３６を制御することができる。

また、燃料電池１４の起動時に、ダウンバータ２０の動作開始（定常動作への移行）を検出した場合（実際に、電圧Ｖｂの上昇により検出してもよいが、この実施形態では、ＥＣＵ２４によりダウンバータ２０の動作を監視して判断している。）、ダウンバータ２０の定常動作開始に基づき上昇した低圧バッテリ２２の電圧Ｖｂ２に基づいて燃料供給弁２６の第２予想開弁時間Ｔｙを算出し、この第２予想開弁時間Ｔｙによる燃料供給弁２６の開弁時点ｔ３と、第１予想開弁時間Ｔｘの開弁時点ｔ２とを比較し、いずれか先に経過する開弁時点の経過時に、燃料供給弁２６が開弁すると判定することで、起動時間を概ね最小の時間に制御することができる。

このように上述した実施形態によれば、低圧バッテリ２２の電圧Ｖｂに基づき開弁時間を予想しているので、ダウンバータ２０の動作の有無に無関係に開弁指令を与えることができ、その分、起動時間を短縮することができる。なお、時間Ｔｘ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔａ、Ｔｙには、Ｔｘ又はＴｙ＞Ｔｂ、Ｔｂ又はＴｃ＞Ｔａの関係がある。

しかも、従来技術によれば、起動時に、低圧バッテリ２２のバッテリ電圧Ｖｂを検出することなく、ダウンバータ２０の定常動作開始時点ｔ１で開弁指令を発生するように構成していたので、ダウンバータ２０が故障していた場合、たとえバッテリ電Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈ以上の電圧値であって燃料供給弁２６を開弁可能な電圧であるにも拘わらず、燃料供給弁２６を開弁することができなかったが、この実施形態によれば、ステップＳ２においてダウンバータ２０に動作開始指令を与えた後、もし、ダウンバータ２０が故障していて定常動作に至らなかった場合（ステップＳ８：否定）においても、低圧バッテリ２２の電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈ以上の電圧（ステップＳ３：肯定）であれば、第１予想開弁時間Ｔｘで正確に開弁（完了）判定ができることから、この実施形態に係る燃料電池システム１０は、従来技術に係る燃料電池システムに比較してより頑健なシステムであるということができる。

このように上述した実施形態によれば、燃料供給弁２６の開弁判定を、低圧バッテリ２２の電圧Ｖｂをパラメータとして判定しているので、燃料供給弁２６の起動時における開弁時間を正確に予想できる。この第１又は第２予想開弁時間Ｔｘ、Ｔｙにより燃料供給弁２６を確実に開弁することができ、結果として、イグニッションスイッチ５４がオン状態とされてから燃料電池１４の発電運転を開始するまでの起動時間を従来技術に比較して概ね短縮することができる。

この発明の実施形態の第１実施例に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成図である。 燃料電池システムの起動時におけるこの実施形態に係る開弁判断処理を説明するフローチャートである。 燃料電池システムの起動時におけるこの実施形態に係る開弁判断処理を説明するタイムチャートである。 予想開弁時間算出のためのルックアップテーブルの説明図である。 従来技術に係る開弁判断処理を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１４…燃料電池 １６…高圧バッテリ
２０…ダウンバータ ２２…低圧バッテリ
２４…ＥＣＵ ２６…燃料供給弁
４２…高圧タンク ３６…エアコンプレッサ
５４…イグニッションスイッチ

Claims (6)

1. 高圧タンクから燃料供給弁を介して供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に並列に接続される第１蓄電装置と、
   前記燃料電池及び前記第１蓄電装置に接続され、前記燃料電池又は前記第１蓄電装置の電圧を降圧する降圧手段と、
   前記降圧手段により降圧された電圧により充電されるとともに前記燃料供給弁に開弁電力を供給する第２蓄電装置と、
   制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の起動時に、前記第２蓄電装置の電圧が閾値電圧以上であるとき、直ちに、前記燃料供給弁に開弁指令を与える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記起動時の前記第２蓄電装置の電圧に基づいて前記燃料供給弁の第１予想開弁時間を算出し、算出した第１予想開弁時間の経過により前記燃料供給弁が開弁すると判定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の起動時に、前記降圧手段の動作開始を検出した場合、前記降圧手段の動作開始に基づき上昇した前記第２蓄電装置の電圧に基づいて前記燃料供給弁の第２予想開弁時間を算出し、この第２予想開弁時間による前記燃料供給弁の開弁時点と、前記第１予想開弁時間の開弁時点とを比較し、いずれか先に経過する開弁時点の経過時に、前記燃料供給弁が開弁すると判定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 高圧タンクから燃料供給弁を介して供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池に並列に接続される第１蓄電装置と、前記燃料電池及び前記第１蓄電装置に接続され、前記燃料電池又は前記第１蓄電装置の電圧を降圧する降圧手段と、前記降圧手段により降圧された電圧により充電されるとともに前記燃料供給弁に開弁電力を供給する第２蓄電装置と、制御装置とを備える燃料電池システムにおける前記燃料供給弁の開弁制御方法において、
   前記燃料電池の起動要求を検出する起動要求検出ステップと、
   起動要求を検出した前記燃料電池の起動時に、前記第２蓄電装置の電圧が閾値電圧以上であるとき、直ちに、前記燃料供給弁に開弁指令を与える開弁指令付与ステップと
   を有することを特徴とする燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法において、
   前記開弁指令付与ステップの後に、
   前記起動時の前記第２蓄電装置の電圧に基づいて前記燃料供給弁の第１予想開弁時間を算出し、算出した第１予想開弁時間の経過により前記燃料供給弁が開弁すると判定する開弁時間予想ステップを
   有することを特徴とする燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法。
6. 請求項５記載の燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法において、
   前記開弁時間予想ステップでは、
   さらに、前記燃料電池の起動時に、前記降圧手段の動作開始を検出した場合、前記降圧手段の動作開始に基づき上昇した前記第２蓄電装置の電圧に基づいて前記燃料供給弁の第２予想開弁時間を算出し、この第２予想開弁時間による前記燃料供給弁の開弁時点と、前記第１予想開弁時間の開弁時点とを比較し、いずれか先に経過する開弁時点の経過時に、前記燃料供給弁が開弁すると判定する経過時間監視ステップを設ける
   ことを特徴とする燃料電池システムにおける燃料供給弁の開弁制御方法。

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