JP5278561B2 - ガス供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに用いられるガス供給装置に関する。

燃料電池システム要のガス供給装置としては、流量の異なる２つのインジェクタを並列に配置して、インジェクタを通過するガスの量を調整する装置が知られている（例えば特許文献１）。一般に、大きなインジェクタは、ストロークが大きく、流すことが出来るガスの流量が多いが、上流側の圧力が比較的低い圧力でも開弁出来なくなる。逆に、小さなインジェクタは、ストロークが小さく、流すことが出来るガスの流量が少ないが、上流側の圧力が比較的高くても開弁することが可能である。

特開２００５−３０２７５１号公報

インジェクタを燃料電池システムの燃料ガス供給流路に用いる場合、燃料ガスは、例えば、燃料タンクからレギュレータ、インジェクタ、燃料電池スタックの順に流れる。ここで、燃料電池システムを長期間停止状態に放置すると、レギュレータを通って上流側から下流側に漏れた燃料ガスが、レギュレータとインジェクタの間に溜まり、レギュレータとインジェクタの間のガス流路の圧力を上昇させる場合がある。この圧力が大きくなると、燃料電池システムの起動時に大きなインジェクタを開弁することが出来ないという問題があった。一方、小さなインジェクタを頻繁に開弁すると、小さなインジェクタの耐久性が落ちるという問題があった。また、小さなインジェクタは、流すことが出来るガス流量が少ないため、レギュレータとインジェクタの間のガス流路の圧力を下げるためには、長時間小さなインジェクタを開ける必要があり、インジェクタ駆動のための消費電力が大きくなるという問題もあった。さらに、ガス流量が少ないと、ガスが供給される燃料電池スタック内のガスに濃淡が生じ、これにより濃淡電池ができて燃料電池スタックの触媒を劣化させる、という問題もあった。

本発明は、上記課題の少なくとも１つを解決するものであり、燃料電池システムの省エネルギーや、耐久性向上を目的とする。

［適用例１］
燃料電池システムに用いられるガス供給装置であって、第１の開弁可能最大圧力を有する第１のインジェクタと、前記第１のインジェクタと並列に配置され、前記第１のインジェクタよりも、流量が少なく、前記第１の開弁可能最大圧力よりも大きな第２の開弁可能最大圧力を有する第２のインジェクタと、前記第１と第２のインジェクタの上流部に配置された第１の圧力センサと、前記第１と第２のインジェクタの開閉を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時において、（ｉ）前記第１と第２のインジェクタの上流部の圧力が、前記第１の開弁可能最大圧力よりも大きく、かつ、前記第２の開弁可能最大圧力以下の場合には、前記第２のインジェクタを開弁し、（ｉｉ）前記第１と第２のインジェクタの上流部の圧力が、前記第１の開弁可能最大圧力以下の場合には、前記第１、または前記第２のインジェクタを開弁する、ガス供給装置。
この適用例によれば、上流側圧力が、第１のインジェクタの開弁可能最大圧力よりも大きい場合に第２のインジェクタを開弁して、上流側の圧力を下げ、その後に第１のインジェクタを開弁し、上流側圧力が、第１のインジェクタの開弁可能最大圧力よりも小さい場合には、第１または第２のインジェクタを開弁する。そのため、第２のインジェクタの動作回数を少なくして、第２のインジェクタや燃料電池システムの耐久性を向上させることが可能となる。

［適用例２］
適用例１に記載のガス供給装置において、前記制御部は、前記第２のインジェクタの開弁後、前記第１と第２のインジェクタの上流部の圧力が前記第１の開弁可能最大圧力以下に下がった場合には、前記第１のインジェクタを開弁する、ガス供給装置。
この適用例によれば、第１のインジェクタを開弁してガスを供給するので、流量が多くセル内の水素分布が小さくなるため、濃淡電池の発生を起こりにくく出来る。

［適用例３］
適用例２に記載ガス供給装置において、前記制御部は、前記第１のインジェクタを開弁した後に、前記第２のインジェクタを閉弁する、ガス供給装置。
この適用例によれば、第２のインジェクタの開弁にともなうエネルギーを削減することが可能となり、省エネルギーを実現できる。

［適用例４］
適用例１から適用例３のいずれか１つの適用例に記載のガス供給装置において、前記第２のインジェクタは、弁座と、メタル製の弁体と、を有している、ガス供給装置。
この適用例によれば、第２のインジェクタは、メタル製の弁体を備えている。そのため、ガスが流れるまでのストロークを短くし、省エネルギーを実現することが可能となる。

［適用例５］
適用例４に記載のガス供給装置において、さらに、前記第１と第２のインジェクタの下流部に第２の圧力センサを備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの動作を停止した時における前記第１と第２のインジェクタの下流部の圧力の低下率が、予め定められた基準値よりも低い場合には、前記第２のインジェクタを一旦開弁し、その後閉弁する、ガス供給装置。
この適用例によれば、インジェクタのリークを検知し、インジェクタの開閉をリトライすることにより、ガスのリーク量を低減することが可能となる。

［適用例６］
適用例１から適用例５のいずれか１つの適用例に記載のガス供給装置において、前記第１のインジェクタを複数備え、前記制御部は、前記第２のインジェクタを開弁した後に前記第１のインジェクタを開弁するときに、前記複数の第１のインジェクタのうち前記第２のインジェクタとの距離が最も短い位置にある第１のインジェクタを最初に開弁する、ガス供給装置。
この適用例によれば、第２のインジェクタとの距離が最も短い位置にある第１のインジェクタの配置位置における上流側圧力は、他の第１のインジェクタの配置位置における上流側圧力よりも早く下がる。したがって、早期に第１のインジェクタを開弁することが可能となる。

［適用例７］
適用例６に記載のガス供給装置において、前記制御部は、前記第２のインジェクタとの距離が最も短い位置にある第１のインジェクタが複数ある場合には、前記上流部のうちの最も下流側に配置された第１のインジェクタを最初に開弁する、ガス供給装置。
この適用例によれば、下流側に配置された第１のインジェクタの配置位置における上流側圧力は、上流側に配置された第１のインジェクタの配置位置における上流側圧力よりも早く圧力が下がるので、早期に第１のインジェクタを開弁することが可能となる。

［適用例８］
適用例７に記載のガス供給装置において、前記第１の圧力センサは、前記第１の圧力センサと前記最初に開弁する第１のインジェクタとの距離が、前記第１の圧力センサと開弁しない第１のインジェクタとの距離よりも短くなる位置に配置されている、
ガス供給装置。
この適用例によれば、開弁する第１のインジェクタの開弁のタイミングを容易に判断することが可能となる。

本発明の形態は、ガス供給装置に限るものではなく、燃料電池システム、燃料電池におけるインジェクタの制御方法他の形態に適用することもできる。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

燃料電池搭載車両を示す説明図である。 大インジェクタの断面を模式的に示す説明図である。 大インジェクタの弁体弁座近傍を拡大して示す説明図である。 小インジェクタの断面を模式的に示す説明図である。 小インジェクタの弁体弁座近傍を拡大して示す説明図である。 インジェクタの開弁特性を示す説明図である。 燃料電池搭載車両（燃料電池システム）の始動時における動作フローチャートである。 燃料電池システムの始動時におけるガス流路の圧力とインジェクタの開閉を示す説明図である。 燃料電池システムの停止時におけるインジェクタの下流側のガス流路の圧力を示す説明図である。 小インジェクタの開閉によるとリーク量の変化一例を示す説明図である。 ガス流路上のインジェクタ配置位置と第２のインジェクタ開弁時のインジェクタの上流側圧力Ｐ_Mの関係を示す説明図である。

図１は、燃料電池搭載車両を示す説明図である。本実施例では、燃料電池システムとして、燃料電池搭載車両１０を例に取り説明する。燃料電池搭載車両１０は、燃料タンク１００と、大インジェクタ２００（第１のインジェクタ）と、小インジェクタ３００（第２のインジェクタ）と、燃料電池スタック４００と、制御部５００と、を備える。燃料タンク１００と、大インジェクタ２００及び小インジェクタ３００のそれぞれとは、上流側ガス供給管１１０により接続されており、大インジェクタ２００及び小インジェクタ３００のそれぞれと、燃料電池スタック４００とは、下流側ガス供給管１１５により接続されている。すなわち、大インジェクタ２００と、小インジェクタ３００とは、並列に配置されている。

上流側ガス供給管１１０には、主止弁１２０と、レギュレータ１３０と、上流側圧力計１５０（第１の圧力計）と、が配置されている。主止弁１２０は、燃料タンク１００からの燃料ガス（水素）を供給するか否かを制御する。レギュレータ１３０は、燃料ガスの供給圧（あるいは供給量）を調整する。また、上流側ガス供給管１１０からは、分岐管１４０が分岐しており、分岐管１４０には、リリーフ弁１４５が配置されている。リリーフ弁１４５は、上流側ガス供給管１１０内の圧力が予め定められた上限圧力Ｐｌｉｍｉｔに達したときに開き、上流側ガス供給管１１０内の燃料ガスを大気に放出して、上流側ガス供給管１１０内の圧力を下げる。また、燃料電池搭載車両１０の始動時において、上流側ガス供給管１１０内の圧力が、小インジェクタ３００の開弁可能最大圧力（これ以上大きくなったときには、インジェクタが開弁することが出来なくなる圧力）よりも大きい場合には、リリーフ弁１４５は制御部５００からの信号により開き、上流側ガス供給管１１０内の燃料ガスを大気に放出させて、上流側ガス供給管１１０内の圧力を下げる。下流側ガス供給管１１５には、下流側圧力計１６０（第２の圧力計）が配置されている。

図２は、大インジェクタの断面を模式的に示す説明図である。図２（Ａ）は、大インジェクタ２００が閉弁した状態を示し、図２（Ｂ）は、大インジェクタ２００が開弁した状態を示す。大インジェクタ２００は、外筒２１０と、プランジャ２５０と、固定鉄心２８０と、を備える。外筒２１０は、中空構造を有しており、その中空にプランジャ２５０と固定鉄心２８０とを備える。上流側ガス供給管１１０から供給された燃料ガスは、第１のガス流路２２０と、第２のガス流路２７０と、第３のガス流路２６５と、第４のガス流路２７５と、第５のガス流路２２５と、第６のガス流路２３０とをこの順に通過して、下流側ガス供給管１１５に送出される。

外筒２１０は、中空の円柱形状を有しており、第５のガス流路２２５と、第６のガス流路２３０と、を備える。第６のガス流路２３０は、大インジェクタ２００の中心軸２０１に沿って形成され、下流側ガス供給管１１５に接続されている。第５のガス流路２２５は、大インジェクタの中心軸２０１に沿って形成され、第６のガス流路２３０よりも内径が大きなガス流路である。第５のガス流路２２５と、第６のガス流路２３０と、の間の段差部に弁座２１５が形成されている。

固定鉄心２８０の上流側には、上流側ガス供給管１１０が接続されている。固定鉄心２８０は、第１のガス流路２２０と、第２のガス流路２７０と、を備える。第２のガス流路２２０は、大インジェクタ２００の中心軸２０１を貫通するように形成されている。第１のガス流路２２０は、上流側ガス供給管１１０と、第２のガス流路２７０とを連通する。

プランジャ２５０は、固定鉄心２８０の下流側に配置されている。プランジャ２５０は、固定鉄心２８０との反対側に弁体２５５を備える。プランジャ２５０は、第３のガス流路２６５と、第４のガス流路２７５と、を備える。プランジャ２５０の弁体２５５よりも固定鉄心２８０側は、中空になっており、この中空が第３のガス流路２６５として機能する。第３のガス流路２６５は、第２のガス流路２７０と繋がっている。ここで、第３のガス流路２６５の内径は、外筒２１０の第６のガス流路２３０の内径よりも小さい。第４のガス流路２７５は、第３のガス流路２６５の下流部から、プランジャ２５０の外側に向かって、プランジャ２５０の側面を貫通している。弁体２５５は、略円柱形状を有しており、弁体２５５の弁座２１５側には、ゴム製のシール部２６０が設けられている。弁体２５５と、外筒２１０の間には、上述した第５のガス流路２２５が形成されている。第５のガス流路２２５は、第４のガス流路２７５によって、第３のガス流路２６５と連通している。

固定鉄心２８０の第２のガス流路２７０と、プランジャ２５０の第３のガス流路の中には、バネ２９５が配置されている。このバネ２９５は、プランジャ２５０が固定鉄心２８０から離れるように付勢する。外筒２１０は、固定鉄心２８０とプランジャ２５０の周りにソレノイド２９０を備える。

ソレノイド２９０に電流が印可されていないときは、このバネ２９５の付勢力により、弁体２５５は、弁座２１５に押しつけられ、大インジェクタ２００は閉弁する。一方、ソレノイド２９０に電流が印可されると、固定鉄心２８０及びプランジャ２５０が磁化され、固定鉄心２８０はプランジャ２５０を吸引する。その結果、プランジャ２５０は固定鉄心２８０方向に移動し、弁体２５５は弁座２１５から離れる。そうすると、上流側ガス供給管１１０から、第１のガス流路２２０、第２のガス流路２７０、第３のガス流路２６５、第４のガス流路２７５、第５のガス流路２２５、第６のガス流路２３０を通って、下流側ガス供給管１１５に燃料ガスが流れる。

図３は、大インジェクタの弁体、弁座近傍を拡大して示す説明図である。図３は、ソレノイド２９０（図２）に電流が流れ、弁体２５５と、弁座２１５とが分離した状態を示している。弁体２５５は、弁座２１５側にゴム製のシール部２６０を備えている。ガスは、シール部２６０と弁座２１５の間を通って流れる。ここで、流れるガスの流量は、弁体２５５の移動量（ストローク）から、閉弁時におけるシール部２６０の圧縮量（ゴムのつぶれ代）を引いた値が大きいほど大となる。ソレノイド２９０に電流が流れていない時には、バネ２９５によってプランジャ２５０が下方に押され、シール部２６０が弁座２１５に押しつけられる。これにより大インジェクタ２００は、ガスの流れを止める。ここで、ゴムのつぶれ代が大きい方が、弁が閉まったときのリークが発生し難いが、ゴムのつぶれ代が小さい方が、弁が開いたときの流量を多くすることができる。

図４は、小インジェクタの断面を模式的に示す説明図である。図４（Ａ）は、小インジェクタ３００が閉弁した状態を示し、図４（Ｂ）は、小インジェクタ３００が開弁した状態を示す。図５は、小インジェクタの弁体、弁座近傍を拡大して示す説明図である。小インジェクタ３００の構成は、大インジェクタ２００の構成とほぼ同じであり、同じ機能のものについては、大インジェクタの符合番号に１００を加えた番号を符合番号として付している。以下では、小インジェクタ３００については、大インジェクタと異なる点について説明する。

大インジェクタ２００の弁体２５５は、略円柱形であり、弁座２１５側にゴムのシール部２６０を備えているのに対し、小インジェクタ３００の弁体３５５は、球形をしており、メタル製である。メタル製の弁体３５５は、ゴム製の弁体のような大きな変形が生じないため、燃料ガスが流通するまでのストロークを小さくできる。そのため、小インジェクタで開弁可能な差圧を大きくとれる。

また、大インジェクタ２００では、弁体２５５の受圧面積（外筒２１０の第６のガス流路２３０の断面積にほぼ等しい）は、小インジェクタ３００の弁体３５５の受圧面積（外筒３１０の第６のガス流路３３０の断面積とほぼ等しい）よりも大きい。したがって、閉弁状態において、上流側と下流側の圧力差により弁体にかかる力は、大インジェクタの方が大きい。インジェクタを開弁するためには、この圧力差に打ち勝つ必要があるため、大インジェクタ２００の方が、小インジェクタ３００よりも、開弁可能最大圧力が小さい。本実施例において、開弁可能最大圧力とは、インジェクタの弁を開けることが出来る上流側圧力の最大値（限界）をいう。

図６は、インジェクタの開弁特性を示す説明図である。縦軸は、インジェクタ２００、３００の上流側圧力Ｐ_M（以下、単に「上流側圧力Ｐ_M」と呼ぶ。）を示している。大インジェクタ２００は、開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌ以下であれば、開弁可能であり、小インジェクタ３００は、開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓ以下であれば、開弁可能である。ここで、Ｐｍａｘｓ＞Ｐｍａｘｌである。本実施例では、小インジェクタ３００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓは、リリーフ弁１４５（図１）が開弁するリリーフ弁圧Ｐｌｉｍｉｔよりも小さい。なお、小インジェクタ３００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓを、リリーフ弁圧Ｐｌｉｍｉｔよりも大きくしてもよい。燃料電池搭載車両１０の通常運転時に使用される上流側圧力Ｐ_Mは、大インジェクタ２００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌよりも低い範囲である（ハッチング部分）。

図７は、燃料電池搭載車両（燃料電池システム）の始動時における動作フローチャートである。始動前では、大インジェクタ２００と小インジェクタ３００は、両方とも閉弁状態にある。ステップＳ７００において、制御部５００は、上流側圧力Ｐ_Mが、大インジェクタの開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌよりも大きいか否かを判断する。上流側圧力Ｐ_Mが、大インジェクタ２００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌよりも大きい場合には、制御部５００は、ステップＳ７１０において、上流側圧力Ｐ_Mが、小インジェクタ３００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓ以下であるか否かを判断する。上流側圧力Ｐ_Mが、小インジェクタ３００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓ以下である場合には、制御部５００は、ステップＳ７２０において、小インジェクタ３００を開弁する。このとき、大インジェクタ２００は、閉弁状態のまま維持される。

ステップＳ７３０において、制御部５００は、上流側圧力Ｐ_Mが、大インジェクタ２００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓ以下に下がったか否かを判断する。上流側圧力Ｐ_Mが、大インジェクタ２００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓ以下に下がった場合には、制御部５００は、ステップＳ７４０において、大インジェクタ２００を開弁する。その後、ステップＳ７５０において、制御部５００は、小インジェクタ３００を閉弁する。以後、ステップＳ７６０において、制御部５００は、大インジェクタ２００を開閉制御し、燃料電池スタック４００に供給する燃料ガスの量を調整する。

一方、ステップＳ７００において、上流側圧力Ｐ_Mが、大インジェクタの開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌ以下の場合には、制御部５００は、処理をステップＳ７７０に移行し、大インジェクタ２００を開弁する。この場合には、大インジェクタ２００の開弁が可能なため、小インジェクタ３００を開弁する必要がない。したがって、小インジェクタ３００の動作回数を減らすことができる。小インジェクタ３００は、弁体３５５がメタル製のため、摩耗により、大インジェクタ２００よりも劣化し易い傾向にある。図７に示す制御に従えば、小インジェクタ３００の動作回数を減らすことができるので、小インジェクタ３００の劣化を抑制し、燃料電池システムの耐久性を向上させることが可能となる。

なお、ステップＳ７１０において、上流側圧力Ｐ_Mが、小インジェクタ３００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓよりも大きい場合には、制御部５００は、処理をステップＳ７８０に移行し、リリーフ弁１４５を開弁して上流側圧力Ｐ_Mを低下させる。上流側圧力Ｐ_Mを低下させなければ、小インジェクタ３００を開弁することが出来ないからである。なお、リリーフ弁１４５として、メカニカル式のリリーフ弁を採用した場合には、制御部５００からの制御によりリリーフ弁を開弁出来ない。このようなメカニカル式のリリーフ弁を採用する場合には、小インジェクタ３００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓが、リリーフ弁圧Ｐｌｉｍｉｔよりも大きくなるような、小インジェクタ３００あるいはリリーフ弁１４５を採用することが好ましい。かかる場合には、上流側圧力Ｐ_Mが小インジェクタ３００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｓに達する前に、リリーフ弁１４５が開弁して上流側圧力Ｐ_Mを下げる。したがって、小インジェクタ３００を開弁することが可能となる。

図８は、燃料電池システムの始動時におけるガス流路の圧力とインジェクタの開閉動作の一例を示す説明図である。ここでは、燃料電池搭載車両１０（燃料電池システム）の起動時において、上流側圧力Ｐ_Mが大インジェクタ２００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌよりも大きくなっているとして説明する。燃料電池搭載車両１０の始動後、時刻ｔ１では、制御部５００（図１）は、小インジェクタ３００を開弁する（図７のステップＳ７２０）。インジェクタ２００、３００の上流側の燃料ガスは、小インジェクタ３００を通り、下流側に流れる。その結果、上流側圧力Ｐ_Mは下降し、インジェクタ２００、３００の下流側の圧力Ｐ_L（以下、単に「下流側圧力Ｐ_L」と呼ぶ。）は上昇する。ただし、インジェクタ２００、３００の下流側では、燃料ガスは燃料電池スタック４００（図１）で消費されるため、下流側圧力Ｐ_Lは、上流側圧力Ｐ_Mの下降速度よりも、ゆっくりと上昇する。

時刻ｔ２になると、上流側圧力Ｐ_Mは大インジェクタ２００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌ以下となる。したがって、時刻ｔ２以降であれば、制御部５００は、大インジェクタ２００を開弁することが可能である。本実施例では、時刻ｔ２よりも後の時刻ｔ３において制御部５００は、大インジェクタ２００を開弁している。

大インジェクタ２００が開弁すると、燃料ガスは、小インジェクタ３００を通るのに加えて大インジェクタ２００を通り、下流側に流れる。ここで、大インジェクタ２００を通過する燃料ガスの量は、小インジェクタを通過する燃料ガスの量よりも多い。よって、上流側圧力Ｐ_Mは時刻ｔ３までよりも素早く圧力が下降し、下流側圧力Ｐ_Lは時刻ｔ３までよりも素早く圧力が上昇する。

時刻ｔ４において、図７のフローのステップＳ７５０に示すように、大インジェクタ２００の開弁後に、小インジェクタを閉弁する。ここで、大インジェクタ２００を通過する燃料ガスの量は、小インジェクタ３００を通過していた燃料ガスの量よりも多いため、小インジェクタ３００を閉弁しても、インジェクタ２００、３００の上流側から下流側に流れる燃料ガスの量は大きく変動しない。小インジェクタ３００を閉弁すれば、小インジェクタ３００を開弁するに必要なエネルギーが不要となるため、省エネルギーを実現できる。

時刻ｔ５になると、制御部５００は、レギュレータ１３０（図１）を開ける。これにより、インジェクタ２００、３００の上流側に燃料ガスが供給されるため、上流側圧力Ｐ_Mは圧力が上昇し、その後、圧力がほぼ一定となる。

時刻ｔ６になると、制御部５００は、大インジェクタ２００を閉弁する。これにより、燃料ガスが、インジェクタ２００、３００の下流側に流れなくなるため、上流側圧力Ｐ_Mが上昇する。燃料ガスが燃料電池スタック４００により消費されるため、下流側圧力Ｐ_Lが下降する。以後は、制御部５００は、大インジェクタ２００を開閉制御し、燃料電池スタック４００に供給する燃料ガスの量を調整する。

本実施例において、制御部５００が、大インジェクタ２００を開弁せずに、小インジェクタ３００のみを開弁した場合、小インジェクタ３００を通過する燃料ガスの量が少ないため、下流側圧力Ｐ_Lは、上がりにくい。したがって、下流側圧力Ｐ_Lを上げるためには、制御部５００は、小インジェクタ３００の開弁時間を長時間維持しなければならず、消費エネルギーが増加する。したがって、小インジェクタ３００の開弁により、上流側圧力Ｐ_Mが下がり、大インジェクタ２００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌ以下となった場合には、制御部５００は、なるべく速やかに大インジェクタ２００を開弁し、小インジェクタ３００を閉弁することが好ましい。

また、制御部５００が、大インジェクタ２００を開弁せずに、小インジェクタ３００のみを開弁した場合、小インジェクタ３００を通過する燃料ガスの量が少ないため、燃料電池スタック４００（図１）内の燃料ガスの分布に濃淡（ムラ）が生じる場合がある。そうすると、そのムラにより、濃淡電池が生じ、燃料電池スタック４００内の触媒（図示せず）を劣化させる恐れが生じる。しかし、本実施例では、上流側圧力Ｐ_Mが下降し、大インジェクタ２００の開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌ以下となった場合には、制御部５００は、速やかに大インジェクタ２００を開弁し、燃料ガスを燃料電池スタック４００に供給するため、燃料電池スタック４００内の燃料ガスの分布に濃淡が生じ難く、濃淡電池の発生を抑制することが可能となる。その結果、触媒の劣化を抑制し、燃料電池システムの耐久性を向上させることが可能となる。

変形例１：
図９は、燃料電池システムの停止時におけるインジェクタの下流側のガス流路の圧力を示す説明図である。燃料電池システムを停止すると、制御部５００は、インジェクタ２００、３００を閉弁する。インジェクタ２００、３００の下流部の燃料ガスは、燃料電池スタック４００内の電気化学反応により消費されるため、下流側圧力Ｐ_Lは段々と低下していく。しかし、インジェクタ２００、３００にリークがあると、下流側圧力Ｐ_Lは、低下し難い。したがって、制御部５００は、下流側圧力Ｐ_L（下流側圧力Ｐ_Lの低下率）を監視することにより、インジェクタ２００、３００にリークが生じているか否かを判断することが可能である。

一般に、弁体がメタル製のインジェクタでは、ゴム製のシール部を有するインジェクタに比べ、シールの再現性の点でやや劣っており、リーク量に変化が生じやすい。これは、以下の理由によるものと考えられる。シール部がゴム製の場合、ゴム製のシール部と弁座とが密着するので、リークし難いのに対し、弁体がメタル製のインジェクタでは、弁体と弁座とが密着しないので、弁体と弁座の当たり方によっては、リーク量に変化が生じる場合がある。すなわち、弁体がメタル製のインジェクタでは、閉弁状態で或る量以上のリークがあった場合でも、一旦開弁した後閉弁すると、リーク量が少なくなる場合がある。

下流側圧力Ｐ_Lの変化量ΔＰ_Lは、以下の式で表すことが可能である。
ΔＰ_L＝（インジェクタの弁漏れ量−燃料電池スタックでの消費量）／（下流部の容積）
圧力変化率ΔＰ_L／Δｔ（単位時間当たりの変化量）が大きい場合には、制御部５００は、インジェクタにリークがあると判断することが出来る。上述したように、弁体がメタル製のものは、ゴム製のシール部を有するものよりリークする場合が生じやすいため、リークが検出された場合、制御部５００は、主に小インジェクタ３００がリークしていると判断することが可能である。

図１０は、小インジェクタの開閉によるとリーク量の変化一例を示す説明図である。図１０の横軸は、小インジェクタ３００の開閉の回数（何回目か）を示し、縦軸は、それぞれの開閉後におけるリーク量を示す。図１０に示す例では、１回目から４回目では、リーク量は基準値（許容値）以下であるが、５回目では、リーク量が増加し、基準値よりも大きなリークが発生している。ここで、一旦小インジェクタ３００の弁を開閉すると、リーク量は少なくなり、６回目から８回目では、リーク量は、基準値以下である。このように、メタル製の弁体３５５（図４）を有する小インジェクタ３００では、リーク量が基準値を上まわっても、開閉をリトライすることにより、リーク量を低減できる場合がある。制御部５００は、燃料電池システムの停止後の下流側圧力Ｐ_L（下流側圧力Ｐ_Lの低下代）をモニタし、小インジェクタ３００のリーク量を推定することができる。そして、リーク量が多い場合には、小インジェクタ３００を開閉することにより、リーク量を低減することが可能である。

なお、制御部５００は、下流側圧力Ｐ_Lの低下速度を学習し、小インジェクタ３００を開閉するか否かの判断のための判定の基準値を変更してもよい。図９に示すように、燃料電池スタックでの消費量による下流側圧力Ｐ_Lの低下速度から、実際に測定された下流側圧力Ｐ_Lの低下速度を引いたものが、小インジェクタ３００のリークによるものである。制御部５００は、例えば小インジェクタ３００の単位時間当たりのリーク量Ｌ_K（ｍｏｌ／ｓ）を学習し、さらに上流側圧力Ｐ_Mの変化量ΔＰ_M、上流側ガス供給管１１０の容積Ｖ_Mとから下記の式を用いて、主止弁１２０の単位時間当たりのリーク量Ｌ_M（ｍｏｌ／ｓ）を推定することが可能である。
Ｌ_M＝（ΔＰ_M×Ｖ_M）／（Ｒ・Ｔ）＋Ｌ_K
ここで、Ｒは気体常数、Ｔは温度である。

変形例２：
図１１は、ガス流路上のインジェクタ配置位置と、第２のインジェクタ開弁時のインジェクタの上流側圧力Ｐ_Mの関係を示す説明図である。この変形例では、２つの大インジェクタ２００Ａ、２００Ｂと、１つの小インジェクタ３００を備える。図１１（Ｂ）に示す例では、上流側ガス供給管１１０の下流側から、大インジェクタ２００Ａ、小インジェクタ３００、大インジェクタ２００Ｂの順番に並んでいる。図１１（Ｃ）に示す例では、上流側ガス供給管１１０の下流側から、小インジェクタ３００、大インジェクタ２００Ａ、大インジェクタ２００Ｂの順番に並んでいる。図１１（Ａ）は、図１１（Ｂ）、（Ｃ）において、小インジェクタ３００が開弁した後のタイミングにおける上流側ガス供給管１１０の圧力分布を示している。

図７で説明したように、上流側圧力Ｐ_Mが大インジェクタの開弁可能最大圧力Ｐｍａｘｌよりも大きい場合、まず、小インジェクタ３００が開弁する。したがって、上流側ガス供給管１１０のうち、小インジェクタ３００が接続されている部分の圧力が下がる。図１１（Ｂ）に示す例では、小インジェクタ３００は、上流側ガス供給管１１０の末端１１０ａから距離ｙだけ離れた位置（以下「位置ｙ」と呼ぶ。）に配置されているので、図１１（Ａ）の実線で示すように、位置ｙでもっとも圧力が下がる。一方、図１１（Ｃ）に示す例では、小インジェクタ３００は、上流側ガス供給管１１０の末端１１０ａから距離ｘ（ｘ＜ｙ）だけ離れた位置（以下「位置ｘ」と呼ぶ。）に配置されているので、図１１（Ａ）の一点鎖線で示すように位置ｘで最も圧力が下がる。

次に、２つの大インジェクタ２００Ａ、２００Ｂが接続されている部分の圧力を検討する。図１１（Ｂ）に示す例では、大インジェクタ２００Ａは、上流側ガス供給管１１０の末端１１０ａから距離ｘだけ離れた位置に配置され、大インジェクタ２００Ｂは、上流側ガス供給管１１０の末端１１０ａから距離ｚ（ｘ＜ｙ＜ｚ）だけ離れた位置（以下「位置ｚ」と呼ぶ。）に配置されている。この場合、上流側ガス供給管１１０の位置ｘの圧力Ｐｘは、上流側ガス供給管１１０の位置ｚの圧力Ｐｚよりも小さい。これは、上流側ガス供給管１１０の位置ｚには、上流側ガス供給管１１０内の燃料ガスが供給されるのに対し、上流側ガス供給管１１０の位置ｘの下流側は、閉塞されており、燃料ガスが供給され難いからである。同様に、図１１（ｃ）では、上流側ガス供給管１１０の位置ｙの圧力Ｐｙは、上流側ガス供給管１１０の位置ｚの圧力Ｐｚよりも小さい。

次に、図１１（Ｂ）の圧力Ｐｘと図１１（ｃ）の圧力Ｐｙの大きさを検討する。図１１（Ｂ）の位置ｘの圧力Ｐｘは、図１１（ｃ）の位置ｙの圧力Ｐｙよりも小さい。これは、以下の理由による。図１１（Ｂ）の例では、上流側から供給される燃料ガスは、小インジェクタ３００により下流側ガス流路に流されるため、上流側ガス供給管１１０の位置ｙよりも下流側には、供給されにくい。したがって、圧力Ｐｘは大きくなりにくい。これに対し、図１１（ｃ）の例では、上流側から供給される燃料ガスは、一旦、上流側ガス供給管１１０位置ｙに供給された後、さらに下流の上流側ガス供給管１１０の位置ｘに供給される。すなわち、上流側ガス供給管１１０の位置ｙにおける圧力は下がり難い。

以上のように、大インジェクタ２００Ａを小インジェクタ３００よりも下流側に配置することにより、上流側ガス供給管１１０の大インジェクタ２００Ａが接続される部分の圧力を早く下げることが出来るので、早く、大インジェクタ２００Ａを開弁することが可能となる。したがって、小インジェクタ３００を早期に閉弁することができる。したがって、小インジェクタ３００で消費されるエネルギーを削減し、省エネルギーを実現することが可能となる。また、濃淡電池の発生をし難くできる。

また、図１１（Ａ）のグラフから明らかなように、小インジェクタ３００からの距離が大きくなるほど、上流側ガス供給管１１０の圧力が大きくなる。したがって、大インジェクタ２００が２つある場合には、小インジェクタ３００により近い大インジェクタ２００を、小インジェクタ３００からより遠い大インジェクタ２００よりも先に開弁するようにしてもよい。

なお、本実施例では、上流側圧力計１５０は、先に開くべき大インジェクタ２００Ａの近傍に配置している。これにより、制御部５００は、開弁する大インジェクタ２００Ａの近傍の上流側圧力を取得することができ、大インジェクタ２００Ａを開弁するタイミングを容易に求めることができる。

上記説明では、小インジェクタ３００について、弁体３５５がメタル製のものを例にとり説明したが、大インジェクタ２００と同様なゴム製シール部を備える小インジェクタであってもよい。ゴム製シール部を備えると、ゴム製シール部が弁座３１５に密着されるため、小インジェクタ３００のリークを抑制し易い。弁体３５５がメタル製の場合には、ゴムのつぶれ代がないため、ストローク量に対する流量を多くできる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池搭載車両
１００…燃料タンク
１１０…上流側ガス供給管
１１０ａ…末端
１１５…下流側ガス供給管
１２０…主止弁
１３０…レギュレータ
１４０…分岐管
１４５…リリーフ弁
１５０…上流側圧力計
１６０…下流側圧力計
２００、２００Ａ、２００Ｂ…大インジェクタ
２０１…中心軸
２１０…外筒
２１５…弁座
２２０…第１のガス流路
２２５…第５のガス流路
２３０…第６のガス流路
２５０…プランジャ
２５５…弁体
２６０…シール部
２６５…第３のガス流路
２７０…第２のガス流路
２７５…第４のガス流路
２８０…固定鉄心
２９０…ソレノイド
２９５…バネ
３００…小インジェクタ
３１０…外筒
３３０…第６のガス流路
３５５…弁体
３６５…第３のガス流路
３９０…ソレノイド
４００…燃料電池スタック
５００…制御部

Claims (6)

1. 燃料電池システムに用いられるガス供給装置であって、
   第１の開弁可能最大圧力を有する複数の第１のインジェクタと、
   前記第１のインジェクタと並列に配置され、前記第１のインジェクタよりも、流量が少なく、前記第１の開弁可能最大圧力よりも大きな第２の開弁可能最大圧力を有する第２のインジェクタと、
   前記第１と第２のインジェクタの上流部に配置された第１の圧力センサと、
   前記第１と第２のインジェクタの開閉を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時において、
   （ｉ）前記第１と第２のインジェクタの上流部の圧力が、前記第１の開弁可能最大圧力よりも大きく、かつ、前記第２の開弁可能最大圧力以下の場合には、前記第２のインジェクタを開弁し、前記第２のインジェクタの開弁後、前記第１と第２のインジェクタの上流部の圧力が前記第１の開弁可能最大圧力以下に下がった場合には、前記複数の第１のインジェクタのうち前記第２のインジェクタとの距離が最も短い位置にある第１のインジェクタを最初に開弁し、
   （ｉｉ）前記第１と第２のインジェクタの上流部の圧力が、前記第１の開弁可能最大圧力以下の場合には、前記第１のインジェクタを開弁する、
   ガス供給装置。
2. 請求項１に記載のガス供給装置において、
   前記制御部は、前記第２のインジェクタとの距離が最も短い位置にある第１のインジェクタが複数ある場合には、前記上流部のうちの最も下流側に配置された第１のインジェクタを最初に開弁する、
   ガス供給装置。
3. 請求項２に記載のガス供給装置において、
   前記第１の圧力センサは、前記第１の圧力センサと前記最初に開弁する第１のインジェクタとの距離が、前記第１の圧力センサと開弁しない第１のインジェクタとの距離よりも短くなる位置に配置されている、
   ガス供給装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載ガス供給装置において、
   前記制御部は、前記第１のインジェクタを開弁した後に、前記第２のインジェクタを閉弁する、ガス供給装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガス供給装置において、
   前記第２のインジェクタは、
   弁座と、
   メタル製の弁体と、
   を有している、ガス供給装置。
6. 請求項５に記載のガス供給装置において、さらに、
   前記第１と第２のインジェクタの下流部に第２の圧力センサを備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの動作を停止した時における前記第１と第２のインジェクタの下流部の圧力の低下率が、予め定められた基準値よりも低い場合には、前記第２のインジェクタを一旦開弁し、その後閉弁する、ガス供給装置。

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