JP7192692B2 - 燃料電池システム用の水素インジェクタ - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに用いられる水素インジェクタに関する。特に、消費電力を低減した水素インジェクタに関する。

燃料電池システムでは、水素インジェクタが用いられている（例えば特許文献１）。水素インジェクタは、水素タンク内の高圧水素ガスを減圧して燃料電池スタックへ供給する。

水素インジェクタの本体はソレノイドバルブである。ソレノイドバルブは、流路を開閉するプランジャ（バルブコア）を動かすコイルを有している。コイルに一定の電流を供給するとソレノイドバルブが開き、電流の供給を遮断するとソレノイドバルブが閉じる。ソレノイドバルブは、開くときに高い電流が必要であるが、開いた状態を保持するにはそれほど高い電流は必要ない。それゆえ、ソレノイドバルブのコントローラは、最初の一定時間は第１電流を供給してソレノイドバルブを開き、一定時間経過後は第１電流を第２電流まで下げてソレノイドバルブを開いた状態に保持する。特許文献２に、そのようなバルブ制御のシーケンスの一例が開示されている。特許文献２は、燃料噴射用のソレノイドバルブを開示する。

なお、特許文献２には、ソレノイドバルブをチェックする技術も開示されている。特許文献２のソレノイドバルブでは、コイルに電圧を印加しながらコイルに流れる電流をモニタする。プランジャが動くとコイルに流れる電流の時間変化率に変曲点が現われる。ソレノイドバルブのコントローラは、モニタしている電流の時間変化率に変曲点が見つからなかった場合、ソレノイドバルブが故障していると判断する。

特開２００８－１４０６１９号公報 特開２０１６－２００２４２号公報

特許文献２に開示されたソレノイドバルブでは、予め定められた一定時間が経過したら供給電流を第１電流から第２電流へ下げる。ソレノイドバルブが確実に開くように、一定時間にはマージンが含まれている。それゆえ、ソレノイドバルブが開いてからも、しばらくは第１電流が供給される。ソレノイドバルブが開いた後に第１電流（＞第２電流）を供給し続けると電力を無駄に消費する。本明細書は、水素インジェクタの消費電力を抑える技術を提供する。

本明細書が開示する水素インジェクタは、高圧の水素タンクに接続されるソレノイドバルブと、ソレノイドバルブのコイルに電流を供給するコントローラを備えている。コントローラは、第１電流をコイルに供給しながらコイルに流れる電流をモニタする。コントローラは、電流の変化率（時間変化率）が増加したら供給する電流を第１電流から第２電流（＜第１電流）へ下げる。

ソレノイドバルブが開くと、減圧された水素ガスが噴射される。高圧の水素ガスが減圧されるとガス温度が下がる。減圧された水素ガスによりソレノイドバルブ（コイル）が冷やされる。温度が下がるとコイルの電気抵抗が下がる。第１電流が供給されているコイルの電気抵抗が下がると電流が増加する。すなわち、コイルを流れる電流の変化率の増加は、ソレノイドバルブが開いたことを示す。本明細書が開示する水素インジェクタは、コイルを流れる電流の変化率が増加したら供給電流を第１電流から第２電流へ下げる。供給電流をモニタすることでソレノイドバルブが開いたタイミングを検知することができ、そのタイミングで供給電流を下げる。それゆえ、本明細書が開示する水素インジェクタは無駄な電力を抑えることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の水素インジェクタを含む燃料電池システムのブロック図である。 指令、電圧、電流、プランジャ位置のタイムチャートである。 図２の範囲IIIの拡大図である。

図面を参照して実施例の水素インジェクタ１０を説明する。図１に、水素インジェクタ１０を含む燃料電池システム２のブロック図を示す。燃料電池システム２は、燃料電池スタック３、水素タンク４、メインコントローラ５、水素インジェクタ１０を備えている。

よく知られているように、燃料電池システム２は、酸素と水素の反応により電力を得る。燃料電池スタック３にて酸素ガスと水素ガスが反応し、電力が得られる。

酸素は、大気から取得する。燃料電池スタック３には空気パイプ２１と燃料パイプ３１が接続されている。酸素（大気）は、空気コンプレッサ２２により空気パイプ２１に取り入れられる。空気パイプ２１には第１空気バルブ２３（調圧バルブ）が備えられており、第１空気バルブ２３により、燃料電池スタック３に供給される空気量が調整される。空気パイプ２１の燃料電池スタック３の出口側には第２空気バルブ２４（調圧バルブ）が設けられている。第２空気バルブ２４によって、燃料電池スタック３から排出される残酸素(残空気)の量が調整される。

燃料パイプ３１は、燃料電池スタック３と水素タンク４を接続している。水素タンク４には高圧の水素ガスが蓄えられている。燃料パイプ３１には水素インジェクタ１０が備えられている。水素インジェクタ１０は、水素タンク４の内部の高圧の水素ガスを所定の圧力まで減圧して燃料電池スタック３へ供給する。なお、水素タンク４には主止バルブ３２が備えられており、燃料電池システム２が停止している間は、主止バルブ３２が閉められ、安全性が確保される。また、燃料パイプ３１には圧力センサなどのデバイスが備えられているが、それらデバイスの図示と説明は省略する。

燃料パイプ３１の燃料電池スタック３の出口側には排気バルブ３４（調圧バルブ）が備えられている。排気バルブ３４によって、燃料電池スタック３から排出される残水素ガスの量が調整される。

空気コンプレッサ２２、第１空気バルブ２３、第２空気バルブ２４、主止バルブ３２、水素インジェクタ１０、排気バルブ３４は、メインコントローラ５によって制御される。メインコントローラ５は、不図示の上位コントローラから電力目標指令を受け、その目標電力が実現するように、空気コンプレッサ２２や水素インジェクタ１０などを制御する。

水素インジェクタ１０について説明する。先に述べたように、水素インジェクタ１０は、高圧の水素ガスを減圧して燃料電池スタック３へ供給する。水素インジェクタ１０は、ソレノイドバルブ１２、コイル１３を含んでいる。水素インジェクタ１０を制御するのに必要な電流センサ１４とインジェクタコントローラ１５は、メインコントローラ５に含まれている。

ソレノイドバルブ１２の構造は一般的なものであり、技術的によく知られているので、ここでは概要のみを説明する。ソレノイドバルブ１２は、パイプ（燃料パイプ３１）の流路を開閉するプランジャ（不図示）を備えている。なお、プランジャはバルブコアと称されることもある。あるいは、流路を開閉する部品は、バルブプレートと呼ばれることもある。本明細書では、流路を開閉する部品をプランジャと称する。プランジャは、スプリングで付勢されており、コイル１３に電流が供給されていない間は、流路を閉じている。すなわち、ソレノイドバルブ１２は、ノーマルクローズタイプである。

コイル１３は電磁石の部品である。コイル１３に所定の電流を加えると、コイルが発生する磁力により、プランジャが流路を開く位置へと移動する。すなわち、コイル１３に所定の電流を加えるとソレノイドバルブ１２が開く。ソレノイドバルブ１２は、電流駆動型である。

説明の都合上、流路を閉じるプランジャ位置を閉位置と称し、流路を開くプランジャ位置を開位置と称する。電流が供給されていない間、プランジャはスプリングによりプランジャ閉位置に保持されている。プランジャを閉位置から開位置へ動かすには、比較的に大きな電流（第１電流）をコイル１３に供給する必要がある。プランジャが開位置に移動した後は、コイル１３に供給する電流を第２電流（＜第１電流）に下げてもプランジャを開位置に保持することができる。

コイル１３に供給する電流は、インジェクタコントローラ１５が制御する。インジェクタコントローラ１５は、最初に第１電流をコイル１３に供給し、プランジャが開位置へ移動したら（すなわち、ソレノイドバルブ１２が開いたら）、コイル１３に供給する電流を第２電流まで下げる。コイル１３に供給する電流を第１電流から第２電流へ下げることで、開状態を保持するのに要する消費電力を抑えることができる。

従来は、第１電流を供給時間は予め定められていた。説明の都合上、第１電流を供給する時間をバルブ起動時間と称する。予め定められるバルブ起動時間には、安全マージンが含まれている。すなわち、プランジャが閉位置から開位置へ移動したのちもしばらくは第１電流が供給され続ける。プランジャが開位置へ移動した後（すなわち、ソレノイドバルブ１２が開いた後）に供給される第１電流は無駄である。実施例の水素インジェクタ１０は、コイル１３に流れる電流の変化率からソレノイドバルブ１２が開くタイミングを検知する。水素インジェクタ１０は、ソレノイドバルブ１２が開いたことを検知したら直ちにコイル１３に供給する電流を下げ、消費電力を抑える。

インジェクタコントローラ１５が、ソレノイドバルブ１２の開くタイミングを検知する仕組みについて説明する。先に述べたように、水素インジェクタ１０は、水素タンク４に接続されており、開くと高圧の水素ガスを減圧して噴射する。高圧の水素ガスの圧力が下がると温度が急激に下がる。従って、ソレノイドバルブ１２が開いて水素ガスが減圧されると、水素ガスによってソレノイドバルブ１２（コイル１３を含む）が冷却される。コイル１３が冷却されると電気抵抗が下がる。一定の電圧が供給されているコイル１３の電気抵抗が下がるとコイル１３に流れる電流が増加する。すなわち、コイル１３に一定の電圧が供給されている間にソレノイドバルブ１２が開くとコイル１３に流れる電流の変化率（時間当たりの電流変化）が増加する。メインコントローラ５は、コイル１３に流れる電流を計測する電流センサ１４を備えている。インジェクタコントローラ１５は、第１電流を供給している間、電流センサ１４によってコイル１３に流れる電流をモニタする。インジェクタコントローラ１５は、コイル１３に流れる電流の変化率の増加を検知したら、ソレノイドバルブ１２が開いたと判断する。インジェクタコントローラ１５は、第１電流を供給している間、コイル１３に流れる電流の変化率が増加したらコイル１３に供給する電流を第１電流から第２電流へ下げる。上記のプロセスによりインジェクタコントローラ１５は、ソレノイドバルブ１２が開くと直ちにコイル１３に供給する電流を下げることができ、消費電力を抑えることができる。

図２に、水素インジェクタ１０の各種パラメータのタイムチャートを示す。図２のグラフ（１）は、メインコントローラ５がインジェクタコントローラ１５へ送る指令を示している。時刻Ｔ１までは、ソレノイドバルブ１２を閉じた状態に保持する指令が送信されている。時刻Ｔ１から時刻Ｔ５の間、ソレノイドバルブ１２を開く指令が送信される。時刻Ｔ５以降は、再び、ソレノイドバルブ１２を閉じた状態に保持する指令が送信される。

図２のグラフ（２）は、インジェクタコントローラ１５がコイル１３に供給する電圧を示している。時刻Ｔ１にソレノイドバルブ１２を開く指令を受けたインジェクタコントローラ１５は、電圧をコイル１３に供給する。時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の期間、プランジャが開位置へ動くまで十分長い時間、１００％のデューティで電圧が供給される。別言すれば、インジェクタコントローラ１５は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の間、一定の電圧を連続的にコイル１３に供給する。

図２のグラフ（３）は、コイル１３に流れる電流を示しており、グラフ（４）は、プランジャの位置を示している。時刻Ｔ１にコイル１３に電圧が供給される。時刻Ｔ１からコイル１３に電流が流れ始める。電流は徐々に大きくなっていく。時刻Ｔ１からしばらくの間、プランジャは動かない（プランジャは閉位置にとどまっている）。

時刻Ｔ２に、コイル１３に供給される電流が第１電流Ｉ１に達する。プランジャは時刻Ｔ２に動き始め、時刻Ｔ３に開位置に達する。プランジャが動き出すとともに水素ガスがソレノイドバルブ１２（すなわち水素インジェクタ１０）から噴出し始める。噴出するときに水素ガスは減圧されて急激に温度が下がる。ソレノイドバルブ１２のガス噴出側を冷たい水素ガスが通ることで、ソレノイドバルブ１２が冷却される。同時にコイル１３も冷却される。コイル１３の温度が下がるとコイル１３の電気抵抗も下がる。コイル１３には一定の電圧が供給されているので、コイル１３の電気抵抗が下がると電流が流れ易くなる。すると、コイル１３に流れる電流の時間変化率が増加する。図２のグラフ（３）の右側に、時刻Ｔ２、Ｔ３付近の電流グラフの拡大図を示してある。時刻Ｔ３以前は、電流の変化率はｄＩ１／ｄＴである。時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間、コイル１３が冷やされることで電流の変化率ｄＩ２／ｄＴは増大する。すなわち、コイル１３に流れる電流の変化率が増大したら、ソレノイドバルブ１２が開いたと判断することができる。

インジェクタコントローラ１５は、電流センサ１４によって、コイル１３に流れる電流をモニタしている。インジェクタコントローラ１５は、電流センサ１４の計測値から電流の変化率を算出する。第１電流を供給している間に電流の変化率が増大したら（たとえば、変化率がｄＩ１／ｄＴからｄＩ２／ｄＴに増大したら）、インジェクタコントローラ１５は、ソレノイドバルブ１２が開いたと判断する。インジェクタコントローラ１５は、時刻Ｔ４に、電流の変化率が増大したことを検知し（すなわち、ソレノイドバルブ１２が開いたことを検知し）、コイル１３に供給する電流を第１電流から第２電流（図２の電流Ｉ２）へ下げる。第２電流は、プランジャを開位置に保持するのに必要な電流に設定されている。インジェクタコントローラ１５は、プランジャが開位置に移動したことを検知したら（すなわち、ソレノイドバルブ１２が開いたことを検知したら）、直ちにコイル１３に供給する電流を第１電流から第２電流へ下げる。ソレノイドバルブ１２が開いたら直ちにコイル１３に供給する電流を下げることで、消費電力が抑えられる。

なお、インジェクタコントローラ１５は、第２電流を電圧パルスでコイル１３に供給する。第２電流を電圧パルスで供給することも、消費電力の抑制に貢献する。

時刻Ｔ５にメインコントローラ５の指令が開から閉に変化する。指令を受けたインジェクタコントローラ１５は、時刻Ｔ５にコイル１３への電圧供給を停止する。時刻Ｔ５以降、コイル１３に流れる電流が減少し、時刻Ｔ６にプランジャは閉位置に戻る。すなわち、時刻Ｔ６にソレノイドバルブ１２が閉じる。

図３に、図２の範囲IIIの拡大図を示す。時刻Ｔ５に電圧供給が停止する。時刻Ｔ５以降、コイル１３に流れる電流は急速に減少する。時刻Ｔ６にソレノイドバルブ１２が閉じると、減圧された水素ガスの噴出が止まる。減圧された水素ガスの噴出が止まることは、ソレノイドバルブ１２の冷却が止まることを意味する。そうすると、コイル１３の温度が上昇し、コイル１３の電気抵抗が上昇する。時刻Ｔ６にコイル１３を流れる電流の変化率が変化する。インジェクタコントローラ１５は、ソレノイドバルブ１２が閉じるときの電流の変化率もモニタしている。インジェクタコントローラ１５は、コイル１３への電圧供給を停止した後、電流の変化率が変化したタイミング（時刻Ｔ６）を、ソレノイドバルブ１２が閉じたタイミングとして検知する。

インジェクタコントローラ１５は、最初に電流の変化率が変化した時刻Ｔ３から、次に変化率が変化した時刻Ｔ６までの間隔を、ソレノイドバルブ１２が開いていた期間として特定する。ソレノイドバルブ１２が開いていた期間は、燃料電池スタック３へ供給される水素ガスの容量を推定するのに利用される。

実施例の水素インジェクタ１０の特徴を以下に述べる。水素インジェクタ１０はソレノイドバルブ１２と、コイル１３を備えている。水素インジェクタ１０を制御するメインコントローラ５は、電流センサ１４と、インジェクタコントローラ１５を備えている。インジェクタコントローラ１５がコイル１３へ所定の第１電流を供給すると、ソレノイドバルブ１２が開く。コイル１３への電流供給を停止するとソレノイドバルブ１２が閉じる。インジェクタコントローラ１５は、第１電流をコイル１３に供給しながらコイル１３に流れる電流をモニタする。インジェクタコントローラ１５は、電流の変化率が増加したらコイル１３へ供給する電流を第１電流から第２電流へ下げる。

本明細書が開示する技術は、高圧の水素ガスが減圧されると温度が急激に下がる現象を利用している。ソレノイドバルブが開くと減圧された水素ガス（温度の低下した水素ガス）が噴出する。低温の水素ガスは、ソレノイドバルブとコイルを急激に冷やす。コイルが急激に冷却されると電気抵抗が下がる。一定の電圧が供給されているコイルの温度が下がると電流の時間変化率が増加する。本明細書が開示する技術は、上記の事象を利用し、ソレノイドバルブ（水素インジェクタ）が開くタイミングを決定することができる。決定されたタイミングでコイルに供給する電流を下げることで消費電力が抑制される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：燃料電池システム ３：燃料電池スタック ４：水素タンク ５：メインコントローラ １０：水素インジェクタ １２：ソレノイドバルブ １３：コイル １４：電流センサ １５：インジェクタコントローラ ２１：空気パイプ ２２：空気コンプレッサ ２３、２４：空気バルブ ３１：燃料パイプ ３２：主止バルブ ３４：排気バルブ

Claims (1)

1. 水素タンクに接続されるソレノイドバルブと、
   前記ソレノイドバルブのコイルに電流を供給するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   第１電流を前記コイルに供給しながら前記コイルに流れる電流をモニタし、
   前記水素タンクから減圧された水素ガスが噴射されることに応じて前記コイルの温度が低下することに起因して前記電流の変化率が増加したら、供給する電流を前記第１電流から第２電流へ下げる、燃料電池システム用の水素インジェクタ。

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