JP5971922B2 - 燃料電池システム用水素燃料供給調節装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム用水素燃料供給調節装置及びその制御方法に係り、より詳しくは、燃料電池スタックに対する水素燃料供給量を調節するために、水素供給流量を制御する機能と共にジェットポンプと連携して燃料電池に必要な燃料極再循環性能を実現できる、燃料電池システム用水素燃料供給調節装置及びその制御方法に関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換させる一種の発電システムであって、電気エネルギを発生させる燃料電池スタック、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システム、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気供給システム、燃料電池スタックの反応熱をシステムの外部に放出して除去し、燃料電池スタックの運転温度を制御する冷却システムで構成される。

図７に従来の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置を示した。図７を参照して燃料電池スタック３０に連結される燃料供給システムの構成について説明する。
従来の燃料供給システムは、水素貯蔵タンク１０と、水素貯蔵タンク１０に連結される水素供給ライン１２と、燃料電池スタック３０で未反応の水素が再循環される水素再循環ライン１４と、新たな水素及び再循環水素を燃料電池スタック３０の燃料極側にポンプ供給するようにスタック入口１３と水素再循環ライン１４が接する地点に装着されるジェットポンプ１６（エジェクタ）と、スタック入口１３に装着され、水素及び空気圧力を測定するスタック入口側圧力センサ１８と、スタック入口側圧力センサ１８の検出信号に基づいて水素供給ライン１２に装着されたレギュレータ２０の流量制御動作を制御するＥＣＵ２２を含んで構成され、ジェットポンプ１６は高圧の水素貯蔵タンク１０から供給された圧縮水素をノズル２６を介して噴射して真空（負圧）を発生させ、これを用いて燃料電池スタック内の排出ガスを吸入して水素ガスを再循環させる働きをする（例えば、特許文献１、２参照）。
この時、図８に示したとおり、ジェットポンプ１６の代わりに水素再循環の手段としてブロワー２４を水素再循環ライン１４に設けて用いてもよい。

上記のとおり、従来の燃料電池自動車の製造過程では、円滑な水素燃料供給及び再循環のためにブロワー２４を用いた方式とジェットポンプ１６を用いた方式が使用されており、このような構成の水素再循環は、スタック３０の燃料極チャンネルに燃料供給によるシステム効率の向上、スタック出口の加湿ガスをスタック入口１３に再び供給することによる加湿効率の向上、スタック燃料極の流量増加によるスタック内の流動均一性の向上、スタック燃料極の凝縮水の排出による水素ガス燃料の電極膜アセンブリ（ＭＥＡ）への円滑な供給などにその目的がある。
しかし、水素再循環のためにブロワーを用いたシステムは、ブロワーに装着するモータが高価で、水素再循環ガスの凝縮水によりブロワーのベアリング及びその他の部品が腐食される恐れがあり、特に凝縮水が結氷してブロワーの回転子の部分が固着される場合、ヒータで溶かさなければならないなどの問題があった。
また、ジェットポンプは、システムの負荷が低い場合（低負荷）に使用するエネルギー源の再循環水素燃料が制限されるため、必要な再循環流量を供給できないという問題があった。

一方、図９の上側グラフに示したとおり、ジェットポンプのノズルに供給される水素燃料流量（矢印で示す）が増加すればするほど、ジェットポンプでポンプする流量と圧力は増加し、再循環される水素流量に対するシステムの圧力降下曲線との交差点は実際の水素の再循環運転点に該当する。
一定の圧力条件で水素燃料の増加によるジェットポンプの水素吸入性能は、図９の下側グラフに示すように、ジェットポンプのノズルによる流量供給が小さい場合、ノズルからの水素噴射圧力が小さく、流速が遅いため、発生する吸入圧力（負圧）が大きくない。これによって、ジェットポンプに吸入される水素再循環流量も低減する。このような水素再循環流量が低減する図９に示した吸入性能低下領域を、以下では低出力区間という。
ここで、燃料電池システムの低負荷時に供給される燃料が少ない場合、上述した運転条件では再循環流量が不充分であり、これによってスタックチャンネルの運転状態が悪くなってスタックの効率と耐久性が悪化する問題がある。

特開２００４−０９５５２８号公報 特開２００７−０４０１９３号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、通常のジェットポンプ（エジェクタ）を用いた再循環システムの場合、低出力区間でも充分な水素再循環流量を提供することにある。
また、本発明の他の目的とするところは、従来のジェットポンプ（エジェクタ）を用いた再循環システムにおいて、簡単な構成で再循環流量を確保するために、特に低出力区間でジェットポンプの効率を上昇させる水素供給調節装置の制御方法を提供することある。
また、本発明のさらに他の目的とするところは、低出力区間におけるバルブのオン／オフ制御により発生する騒音を除去して、静粛な走行モードを提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置は、燃料電池スタックの入口側に設置され、燃料電池スタックに水素を供給して再循環流動を形成するジェットポンプと、水素供給ラインに連結され、ジェットポンプのノズル入口に連通されてジェットポンプへの水素供給を制御する比例制御ソレノイドバルブと、燃料電池システムの出力により比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御するバルブ制御機と、を含み、バルブ制御機は、所定の基準出力よりも現在状態の出力が低い低出力区間ではパルス流量制御方式により比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御することを特徴とする。

また、バルブ制御機は、所定の基準出力よりも現在状態の出力が高い高出力区間では比例制御方式により比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御することが好ましい。
また、高出力区間における制御は、水素供給のための目標圧力とスタック入口圧との差を計算して制御するバルブ比例制御（ＰＩＤ圧力制御）により行われることが好ましい。
また、低出力区間における制御は、ピークアンドホールド制御方式によりピーク電流及びホールド電流を比例制御ソレノイドバルブに印加してバルブの駆動を制御することが好ましい。

また、低出力区間でピークアンドホールド制御を行う場合、ピーク電流値、ピーク電流印加時間、ホールド電流値、及びホールド電流印加時間からなる一群のうちの１つ以上を変更してバルブの駆動を制御することが好ましい。
また、比例制御ソレノイドバルブは、重力方向に上下駆動するバルブプランジャを含み、バルブプランジャの下端には吸音部材が設けられることが好ましい。

一方、本発明の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法は、燃料電池スタックに水素供給を開始する段階と、現在燃料電池システムの出力を検出して所定の基準出力と比較する段階と、比較結果に応じて比例制御ソレノイドバルブの制御方式を決定し、バルブ制御機で比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御する段階と、で構成され、比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御する段階において、現在の出力が基準出力よりも低い低出力区間ではパルス流量制御方式でバルブ駆動を制御し、現在の出力が基準出力よりも高い高出力区間では比例制御方式でバルブ駆動を制御することを特徴とする。

比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御する段階において、低出力区間における制御は、ピークアンドホールド制御方式によりピーク電流及びホールド電流を比例制御ソレノイドバルブに印加してバルブの駆動を制御することが好ましい。
また、ピークアンドホールド制御を行う場合、ホールド電流値の大きさと印加時間を調節してバルブプランジャの下降を複数の段階に分けることにより、最終下降時の下死点での衝突時の衝撃量を減少させて騒音を低減することが好ましい。
また、ピークアンドホールド制御を行う場合、ピーク電流値の大きさと印加時間を調節してバルブプランジャの上死点の位置を調節することにより、上死点での衝突を防止して騒音を低減することが好ましい。
また、比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御する段階において、低出力区間に該当する場合、水素供給圧力に関する測定圧力と所定の目標圧力を比較する段階をさらに含み、測定圧力よりも目標圧力が大きい場合、パルス流量制御方式でバルブ駆動を制御し、測定圧力が目標圧力よりも大きい場合、比例制御ソレノイドバルブを閉鎖して制御することが好ましい。

上記課題を解決するための手段により、本発明は次のような効果を有する。
本発明によれば、燃料電池システムを低出力運転する時、パルス流量制御方式で燃料供給がなされることにより、ジェットポンプ（エジェクタ）の再循環ガス吸入性能を極大化して低出力運転時にも充分な再循環流量を確保することができる。
また、本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置は、比例制御バルブの特性上、プランジャにより強い衝撃が発生したり、気体を圧縮したりしないため、騒音が大きくないという長所がある。
また、本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置は、バルブ制御機により、ピーク電流及びホールド電流値を調整してバルブプランジャの昇降駆動を段階的に調節するため、衝撃により発生する騒音を大きく抑制して静粛な走行性能を提供する効果がある。

また、本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置は、高出力区間の水素供給を制御する時、水素を供給するための目標圧力とスタック入口圧との差を計算してバルブ比例制御（ＰＩＤ圧力制御）を行う方式により、スタックに必要な水素量を供給することができ、ジェットポンプが最適の性能を発揮する作動範囲内で運転することにより、充分な再循環水素の吸入量を確保することができる。
したがって、本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置及びその制御方法は、ブロワーや複数のジェットポンプのような付加的な構成をさらに設置しなくても、簡単に比例制御ソレノイドバルブをジェットポンプに連結し、基準出力によりこれを制御することにより、効率的な水素再循環システムを簡単に実現することができる。

本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置のジェットポンプ及び比例制御ソレノイドバルブを示す断面図である。 本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の概略図である。 本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法を示すフローチャートである。 本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法を説明する制御波形図である。 本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の比例制御ソレノイドバルブの燃料量制御特性曲線を示すグラフである。 本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の比例制御ソレノイドバルブに対する電流制御方式を説明する制御波形図である。 従来の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置を示す概略図である。 従来の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置を示す概略図である。 従来の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置における水素燃料供給流量を説明するグラフである。

本発明は、燃料電池スタックの燃料極に水素ガスを供給すると同時に水素再循環ガスを供給するための手段であって、ジェットポンプと比例制御ソレノイドバルブが組み合わされた構成を提供する一方、出力区間に応じて比例制御ソレノイドバルブの制御方式を水素供給流量に対するパルス流量制御方式と比例制御方式で区分して適用することにより、効率的な水素再循環システムを実現する燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法を提供する。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照して詳細に説明する。
図１及び図２に示したとおり、燃料電池システムにおいて、燃料供給システムは水素貯蔵タンク１０に連結される水素供給ライン１２と、燃料電池スタック３０で未反応の水素が再循環される水素再循環ライン１４と、を含み、新たな水素及び再循環水素を燃料電池スタック３０の燃料極側に供給するために水素供給ライン１２と水素再循環ライン１４との間に装着されるジェットポンプ１６（エジェクタ）を含んで構成される。ジェットポンプ１６は、高圧の水素タンクから供給された圧縮水素、すなわち新たな水素を、ノズル２６を介してスタック３０に向かってスタック入口１３に噴射すると同時に真空（負圧）を発生させ、この時、発生した真空（負圧）により、燃料電池スタック３０から排出された未反応の水素が再循環水素流入口２８を介して吸入し、新たな水素と共にスタック３０に供給する。

本発明による好ましい実施例では、ジェットポンプ１６と水素タンクとの間を連結する流路上においてジェットポンプ１６のノズル２６の入口圧力を変化させると同時に水素供給流量を調節する比例制御ソレノイドバルブ４０がジェットポンプ１６の入口側に装着される。
比例制御ソレノイドバルブ４０は、その内部のプランジャ４８の上下移動により、新たな水素が通過するオリフィス４３の孔の広さを変更させると同時に、ジェットポンプ１６のノズル２６の入口圧を変更させて水素供給流量を制御する。また、ジェットポンプ１６は、ノズル２６を介して比例制御ソレノイドバルブ４０を通過した高濃度の水素ガスを高速噴出する。ジェットポンプ１６のノズル２６より水素が噴出されることにより、ノズル２６の周辺の圧力を低下させて真空（負圧）を生成すると同時にスタック出口から排出された未反応の水素ガスを吸入する。

本発明の一実施例による比例制御ソレノイドバルブ４０は、図１に示したとおり、水平配列されるバルブボディ４４と、バルブボディ４４の上側に垂直配列により装着されるソレノイド４５とから構成される。
バルブボディ４４は、水素燃料が流入される流入口４１が一側に形成され、他側にはジェットポンプ１６のノズル２６の入口と一致する流出口４２が形成され、上端の中央部には流入口４１と流出口４２との間を連通させると同時に水素貯蔵タンク１０からの水素が通過するオリフィス４３が形成された構造である。
また、バルブボディ４４の上面に垂直方向に装着されるソレノイド４５は、ケーシング４６の内径部に配置されるコイル４７と、コイルの内側に配置され、コイル４７に対する電流印加により昇降しながらオリフィス４３の断面積を増減させるプランジャ４８と、ケーシング４６の上部に配置され、プランジャ４８を弾性支持するばね４９と、で構成される。

図１に示したとおり、ソレノイド４５内のプランジャ４８は、重力方向に昇降するように構成されることが好ましい。すなわち、図１に示したとおり、水平方向に燃料を供給するジェットポンプ１６の場合、ソレノイド４５はその燃料供給方向に対し垂直に配置され、これによって、重力方向とプランジャ駆動方向とのズレにより発生する摩擦を防止し、摩耗や騒音を防止することができる。
一方、図１に示していないが、本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置は、比例制御ソレノイドバルブ４０の開閉に関する駆動を制御するバルブ制御機をさらに含む。

バルブ制御機は、図９に示した吸入性能低下領域（低出力区間）における吸入性能の低下により、水素再循環量を確保しにくくなる点を解決するためのもので、バルブ制御機は、燃料電池システムの出力高低に応じて運転状態を区分し、それぞれの運転状態に対して所定の電気的信号を制御入力して比例制御ソレノイドバルブ４０に印加することにより、バルブの開閉を制御する。
具体的に、バルブ制御機は、吸入性能が低下する低出力区間では、スタック３０が必要とする水素量を短時間に供給するためにバルブに電流を印加した後、残り時間には水素の供給を中断するためにバルブへの印加電流を遮断させるパルス流量制御方式を用いる。

ここで、パルス流量制御方式とは、低負荷の運転条件に必要な水素燃料流量だけ供給するために、比例制御ソレノイドバルブ４０を介して非常に短時間に大きい流量を供給するように制御する方式であり、このようなパルス流量制御は、比例制御ソレノイドバルブ４０に印加される電流と時間を制御することにより行われる。
すなわち、バルブ制御機は、所定の基準出力と現在の燃料電池システムの出力とを比較し、現在の出力が基準出力以上の場合は典型的なバルブ比例制御を実施し、基準出力以下の場合はパルス流量制御方式によるバルブの制御を行う。
したがって、本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置は、パルス流量制御方式により低出力区間でもジェットポンプ１６が相対的に高効率を発揮する。

このようなバルブ制御機を具体的に説明するために、ジェットポンプ１６、比例制御ソレノイドバルブ４０、及びバルブ制御機を含んで構成される本発明の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の具体的な制御方法を説明する。
本発明の比例制御ソレノイドバルブ４０は、図５の燃料量制御特性曲線に示したとおり、コイル４７に印加される電流の大きさに応じてプランジャ４８が上方または下方に移動させてオリフィス４３の孔の断面積を増減させることにより、水素貯蔵タンク１０からの水素燃料供給量を精密に制御し、水素燃料供給量によるジェットポンプ１６のノズル２６の入口圧力を制御する。

この時、比例制御ソレノイドバルブ４０のコイル４７に印加される電流が水素燃料供給開始電流よりも小さい場合は、バルブが閉じられ、プランジャ４８がオリフィス４３を遮って水素燃料がジェットポンプ１６側に供給されない。
一方、コイル４７に水素燃料供給開始電流より大きい電流が印加される場合、プランジャ４８が上昇し、オリフィス４３の孔の断面積が増加して水素燃料供給流量も徐々に増加する。オリフィス４３を流れる水素が最大流量となって、コイル４７に印加された電流を低減すると、プランジャ４８が下降すると同時にオリフィス４３の孔の断面積が減少して水素供給流量も減少するヒステリシス特性を示す。

図３及び図４は、本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法を具体的に示す図面であり、図３のフローチャート及び図４の制御波形図に示したとおり、本発明では、水素供給燃料量及び水素供給圧力制御が基準出力に対する出力の高低に応じて２種類の制御方式に区分される。
図３のフローチャートに示したとおり、それぞれの制御方式の選択基準とするために、所定の基準出力と現在の出力を比較して低出力区間であるか高出力区間であるかを優先的に判断する段階を行う。

したがって、図３に示したとおり、基準出力値と現在の出力値を比較し、現在の出力が基準出力を超えた場合は高出力区間であると判断し、バルブに対する比例制御を行い、現在の出力が基準出力以下の場合は低出力区間であると判断し、バルブをパルス流量制御方式によりソレノイドバルブを作動させる。この場合、低出力区間では測定圧力と目標圧力とを比較して測定圧力が目標圧力よりも大きい場合はバルブを閉じ、測定圧力が目標圧力よりも小さい場合にだけパルス流量制御を行うことが好ましい。
すなわち、本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置は、下記で詳細に説明するように、ジェットポンプ１６の入口側に比例制御ソレノイドバルブ４０を装着した状態で、比例制御ソレノイドバルブ４０を早くオン／オフ作動させることにより、燃料電池システムの低出力時に水素供給を制御する方式と、比例制御ソレノイドバルブ４０のプランジャ４８の上下移動量を調節して水素が通過するオリフィス４３の孔の断面積を可変させることにより、燃料電池システムの高出力時に水素供給を制御する方式と、に区分される。

〔低出力時の水素供給制御〕
燃料電池システムが運転を開始して現在の出力が、基準出力（例えば、低出力と高出力の境界出力である所定値）よりも小さい低出力時における水素供給制御は、比例制御ソレノイドバルブ４０を早くオン／オフを繰り返すパルス流量制御方式で行われる。
すなわち、比例制御ソレノイドバルブ４０に燃料供給開始電流以上の電流を最適の周波数により高速でオン／オフを繰り返し印加して比例制御ソレノイドバルブ４０の開閉を繰り返し駆動させる（図４、バルブ印加電流グラフのオン／オフ周期縮小区間参照）。
比例制御ソレノイドバルブ４０のコイル４７に対する電流印加をオン／オフを繰り返すことにより、プランジャ４８の昇降を繰り返すと同時にオリフィス４３の相対的な開放及び閉鎖を繰り返す。

このように比例制御ソレノイドバルブ４０の印加電流を最適の周波数でオン／オフして制御することにより、図４のジェットポンプ水素供給量グラフに示したとおり、パルス流量制御形態の水素燃料供給が行われ、ジェットポンプ１６のノズル２６より水素燃料が間隔をおいて繰り返し噴射され、スタック入口１３よりスタック３０に供給される。
ジェットポンプ１６のノズル２６から水素燃料が噴射されると、ジェットポンプ１６の再循環水素流入口２８側に真空（負圧）が生じ、燃料電池スタック３０から排出された未反応の水素が再循環水素流入口２８より吸入され、新たな水素と共にスタック３０に供給される。

一方、本発明による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置は、比例制御ソレノイドバルブ４０を水素供給圧力が目標圧力に到達するまでオン／オフ制御を繰り返し行う。水素供給圧力が所定の目標圧力に到達した場合は、比例制御ソレノイドバルブ４０を閉じ、水素供給圧力が目標圧力に到達しなかった場合は、比例制御ソレノイドバルブ４０を一定時間開放することにより、水素供給量の増加によるノズル入口圧力を増加させる。したがって、図３に示したとおり、バルブのパルス流量制御が行われる前に目標圧力に到達したか否かを先ず判断した後、目標圧力に到達しなかった場合にだけバルブのパルス流量制御を行う。

このような低出力区間における制御方式おいては、バルブのオン／オフが高速で行われても、低騒音方式を実現する。
具体的には、従来、バルブが短周期でオン／オフを繰り返す場合、プランジャ４８がバルブの上部または下部に当たって大きい騒音を繰り返し発生させて車両騒音の原因となっていたが、本発明はこのような問題を解決するために、オン／オフのバルブの代わりに、比例制御ソレノイドバルブを用いると共にバルブをパルス流量制御方式で駆動することにより騒音を防止した。
より詳しくは、上記の低出力区間におけるパルス流量を制御する時、図６に示したピークアンドホールド方式で電流を印加して、ピーク電流値（ｐ１）及び印加時間（ｔ１）を調節してバルブプランジャ４８が上死点に到達する前、すなわち上死点より下の地点に到達するようにする。したがって、バルブプランジャ４８がバルブの上部と衝突することがないため、低出力区間におけるバルブの上部で発生する騒音を防止する。

また、これによって、プランジャ４８が移動する距離を低減し、その結果、プランジャ４８が落下する高さを減少させ、バルブシート面とプランジャ４８との衝突により発生する衝撃量を最小化してバルブの下部における騒音を減少させる。そして、ピーク電流と共にホールド電流値（ｈ１）を印加することにより、プランジャ４８が落下する間、落下方向とは逆の方向の力を印加してプランジャ４８の落下速度を相対的に低減することにより、衝突による騒音をさらに減少させる。
すなわち、プランジャ４８の上昇区間ではバルブの上部との接触を遮断し、プランジャ４８の下降区間では下降の速度及び下降の高さを調節してバルブの下部との接触騒音を大きく低減する。

したがって、本発明の好ましい実施例による燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法は、低出力区間におけるピークアンドホールド制御方式で印加電流を制御することにより、騒音を大きく低減する。この場合、このような騒音低減は、印加電流に対するピーク電流値、ピーク電流印加時間、ホールド電流値、及びホールド電流印加時間の４個のパラメーターを適切に調節することにより、所望の水準にパルス流量を制御する。
さらに好ましくは、バルブプランジャ４８の移動方向と重力方向を一致させて摩耗などによる耐久性の低下及び騒音の発生を防止する一方、バルブプランジャ４８の下端には騒音を吸収する素材の吸音部材を設けることにより、騒音の発生を完全に防止する。

図６は、このようなピークアンドホールド制御を行う具体的な例を示した図面である。 図６に示したとおり、本発明のピークアンドホールド制御は、所定のピーク電流印加時間（ｔ１）の間、所定のピーク電流値（ｐ１）を印加し、再び所定のホールド電流印加時間（ｔ２）の間、所定のホールド電流値（ｈ１）を印加する。次に、所定のオン／オフ周期により所定の時間（ｔ３）が過ぎた後、上述したピーク電流及びホールド電流の印加を繰り返す。図６には、このようなピークアンドホールド方式の電流制御により制御された比例制御ソレノイドバルブのプランジャ位置グラフ及び燃料供給量／吸入量グラフを示した。
図６のプランジャ位置グラフによると、プランジャ４８の位置は１００％開放に該当する上死点には到達しないようにピーク電流が制御されたことを確認でき、バルブの下降も段階的に行われるため、騒音が低減することを確認できる。
また、燃料供給量／吸入量のグラフに示したとおり、低出力区間でも一定の水準以上の燃料供給量／吸入量を周期的に提供することにより、水素再循環性能が改善される。

〔高出力時の水素供給制御〕
一方、基準出力よりも高い高出力時、水素供給制御は、水素供給圧力及び供給量を同時に調節して行われる。
すなわち、水素供給圧力は、水素供給のための目標圧力とスタック入口圧との差を計算して制御するＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）圧力制御により設定され、設定された水素供給圧力によりプランジャ４８の昇降高さを調節してオリフィス４３の孔の断面積を可変させることにより、水素供給流量が調節される。
したがって、ＰＩＤ圧力制御により設定された水素供給圧力に応じて、比例制御ソレノイドバルブ４０のプランジャ４８を線形的に昇降させることにより、水素が通過するオリフィス４３の孔の断面積を調節すると、調節されたオリフィス４３を通過する水素タンクからの水素供給量が線形的に増減し、ジェットポンプ１６のノズル２６を介して水素燃料が持続的に噴射されてスタック入口１３よりスタック３０に供給される。

また、ジェットポンプ１６のノズル２６を介して水素燃料が持続的に噴射される時、ジェットポンプ１６の再循環水素流入口２８側に真空（負圧）が生ずるため、燃料電池スタック３０から排出された未反応の水素が再循環水素流入口２８より吸入されて新たな水素と共にスタック３０に再循環供給される。
このように、比例制御ソレノイドバルブ４０のプランジャ４８の線形的な移動により流量を制御するため、騒音が発生することがなく、オリフィス４３を通過してジェットポンプ１６から噴射される水素燃料供給量が大きいため、水素再循環量が容易に確保できる。

以上、本発明を好ましい実施例について詳しく説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるのではなく、特許請求の範囲によって解釈されなければならない。また、この技術分野で通常の知識を習得した者なら、本発明の技術的範囲内で多くの修正と変形ができることはいうまでもない。

１０ 水素貯蔵タンク
１２ 水素供給ライン
１３ スタック入口
１４ 水素再循環ライン
１６ ジェットポンプ
１８ スタック入口側圧力センサ
２０ レギュレータ
２２ ＥＣＵ
２４ ブロワー
２６ ノズル
２８ 再循環水素流入口
３０ スタック
４０ 比例制御ソレノイドバルブ
４１ 流入口
４２ 流出口
４３ オリフィス
４４ バルブボディ
４５ ソレノイド
４６ ケーシング
４７ コイル
４８ プランジャ
４９ ばね
ｈ１ ホールド電流値
ｐ１ ピーク電流値
ｔ１ ピーク電流印加時間
ｔ２ ホールド電流印加時間
ｔ３ オン／オフ周期による所定の時間

Claims (11)

1. 燃料電池システム用水素燃料供給調節装置であって、
   燃料電池スタックの入口側に設置され、前記燃料電池スタックに水素を供給して再循環流動を形成するジェットポンプと、
   水素供給ラインに連結され、前記ジェットポンプのノズル入口に連通されて前記ジェットポンプへの水素供給を制御する比例制御ソレノイドバルブと、
   燃料電池システムの出力により前記比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御するバルブ制御機と、を含み、
   前記バルブ制御機は、所定の基準出力よりも現在状態の出力が低い低出力区間ではパルス流量制御方式により前記比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御することを特徴とする燃料電池システム用水素燃料供給調節装置。
2. 前記バルブ制御機は、所定の基準出力よりも現在状態の出力が高い高出力区間では比例制御方式により前記比例制御ソレノイドバルブの駆動を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用水素燃料供給調節装置。
3. 前記高出力区間における制御は、水素供給のための目標圧力とスタック入口圧との差を計算して制御するバルブ比例制御（ＰＩＤ圧力制御）により行われることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置。
4. 前記低出力区間における制御は、ピークアンドホールド制御方式によりピーク電流及びホールド電流を前記比例制御ソレノイドバルブに印加してバルブの駆動を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置。
5. 前記低出力区間で前記ピークアンドホールド制御を行う場合、ピーク電流値、ピーク電流印加時間、ホールド電流値、及びホールド電流印加時間からなる一群のうちの１つ以上を変更してバルブの駆動を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置。
6. 前記比例制御ソレノイドバルブは、重力方向に上下駆動するバルブプランジャを含み、前記バルブプランジャの下端には吸音部材が設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置。
7. 燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法であって、
   燃料電池スタックに水素供給を開始する段階と、
   現在燃料電池システムの出力を検出して所定の基準出力と比較する段階と、
   比較結果に応じて比例制御ソレノイドバルブの制御方式を決定し、バルブ制御機で前記比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御する段階と、で構成され、
   前記比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御する段階において、現在の出力が前記基準出力よりも低い低出力区間ではパルス流量制御方式でバルブ駆動を制御し、
   現在の出力が前記基準出力よりも高い高出力区間では比例制御方式でバルブ駆動を制御することを特徴とする燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法。
8. 前記比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御する段階において、低出力区間における制御は、ピークアンドホールド制御方式によりピーク電流及びホールド電流を前記比例制御ソレノイドバルブに印加してバルブの駆動を制御することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法。
9. 前記ピークアンドホールド制御を行う場合、ホールド電流値の大きさと印加時間を調節してバルブプランジャの下降を複数の段階に分けることにより、最終下降時の下死点での衝突時の衝撃量を減少させて騒音を低減することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法。
10. 前記ピークアンドホールド制御を行う場合、ピーク電流値の大きさと印加時間を調節してバルブプランジャの上死点の位置を調節することにより、上死点での衝突を防止して騒音を低減することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法。
11. 前記比例制御ソレノイドバルブの駆動を制御する段階において、低出力区間に該当する場合、水素供給圧力に関する測定圧力と所定の目標圧力を比較する段階をさらに含み、
    前記測定圧力よりも前記目標圧力が大きい場合、パルス流量制御方式でバルブ駆動を制御し、前記測定圧力が前記目標圧力よりも大きい場合、前記比例制御ソレノイドバルブを閉鎖して制御することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム用水素燃料供給調節装置の制御方法。
    

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