JP2022028510A

JP2022028510A - Fuel injection control method for fuel cell system

Info

Publication number: JP2022028510A
Application number: JP2020131967A
Authority: JP
Inventors: 基之木俣; Motoyuki Kimata
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2022-02-16

Abstract

To provide a fuel injection control method for a fuel cell system which can reduce the operation of a pressure reducing valve.SOLUTION: From among a plurality of injectors 20 provided in parallel between a pressure reducing valve 30 and a fuel cell stack 12 so as to supply gaseous hydrogen sent from a high pressure tank 18 through the pressure reducing valve 30 in the open state to the fuel cell stack 12 that generates power by the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air, a predetermined number of injectors 20 are maintained in an open state, and the other injectors 20 are opened and closed to adjust the amount of gaseous hydrogen supplied to the fuel cell stack 12.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システムの燃料噴射制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel injection control method for a fuel cell system.

燃料電池システムの燃料供給装置は高い応答性を確保するためにしばしばインジェクタが用いられる。燃料電池システムでは、インジェクタ下流（燃料電池スタック側）の圧力脈動を抑えつつ、燃料電池スタックの要求発電量に応じて必要な燃料を供給するために複数のインジェクタが用いられる場合がある。 Injectors are often used in fuel supply devices of fuel cell systems to ensure high responsiveness. In a fuel cell system, a plurality of injectors may be used to supply the required fuel according to the required power generation amount of the fuel cell stack while suppressing the pressure pulsation downstream of the injector (fuel cell stack side).

また、燃料電池システムでは、高圧タンク内に蓄えられた高圧の気体状水素を燃料電池スタックに供給可能な圧力まで減圧すると共に、インジェクタに供給される気体状水素の圧力を一定に保つために、インジェクタに供給される気体状水素の圧力に応じて自律的に開閉動作する減圧弁が設けられている。 In the fuel cell system, the high-pressure gaseous hydrogen stored in the high-pressure tank is depressurized to a pressure that can be supplied to the fuel cell stack, and the pressure of the gaseous hydrogen supplied to the injector is kept constant. A pressure reducing valve that opens and closes autonomously according to the pressure of gaseous hydrogen supplied to the injector is provided.

減圧弁は、高圧タンクとインジェクタとの間に設けられ、インジェクタの開閉によって生じる減圧弁とインジェクタとの間（以後、「インジェクタ上流」と称する）の圧力の変動に応じて減圧弁内のピストンが移動することにより、インジェクタ上流の圧力の変動を吸収してインジェクタ上流の圧力を一定に保とうとする。しかしながら、減圧弁はピストンの移動により摺動部が摩耗するという問題があると共に、減圧弁が完全に閉じる際にゴムシールが変形し、劣化するという問題があった。 The pressure reducing valve is provided between the high pressure tank and the injector, and the piston in the pressure reducing valve responds to the fluctuation of the pressure between the pressure reducing valve and the injector (hereinafter referred to as "injector upstream") caused by the opening and closing of the injector. By moving, it tries to absorb the fluctuation of the pressure upstream of the injector and keep the pressure upstream of the injector constant. However, the pressure reducing valve has a problem that the sliding portion is worn due to the movement of the piston, and there is a problem that the rubber seal is deformed and deteriorated when the pressure reducing valve is completely closed.

特許文献１には、減圧弁の作動上限回数などに基づきインジェクタの噴射周期を算出して燃料噴射装置を制御する燃料電池システムの発明が開示されている。 Patent Document 1 discloses an invention of a fuel cell system that controls a fuel injection device by calculating an injection cycle of an injector based on an upper limit of the number of times a pressure reducing valve is operated.

特開２０１９－３７９２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-3792

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、減圧弁はその作動回数や摺動距離に制限があるため、減圧弁の作動上限回数などに基づきインジェクタの噴射周期を算出して燃料噴射装置を制御しても、減圧弁の劣化が避けられないという問題があった。 However, in the invention described in Patent Document 1, since the pressure reducing valve has a limitation on the number of times of operation and the sliding distance, the injection cycle of the injector is calculated based on the number of times of operation of the pressure reducing valve and the like to control the fuel injection device. However, there is a problem that deterioration of the pressure reducing valve is unavoidable.

本発明は、上記事実を考慮し、減圧弁の作動を低減し得る燃料電池システムの燃料噴射制御方法を提供することを目的とする。 In view of the above facts, an object of the present invention is to provide a fuel injection control method for a fuel cell system capable of reducing the operation of a pressure reducing valve.

請求項１に記載の燃料電池システムの燃料噴射制御方法は、開状態の際に減圧弁を介して高圧タンクから送られてきた気体状水素を、水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池スタックに供給するように前記減圧弁と前記燃料電池スタックとの間に並列に設けられた複数のインジェクタのうち、所定数のインジェクタの開状態を維持すると共に、他のインジェクタを開閉させて前記燃料電池スタックに供給する気体状水素の量を調整する。 The fuel injection control method of the fuel cell system according to claim 1 is a method of controlling gaseous hydrogen sent from a high-pressure tank via a pressure reducing valve in an open state by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air. Of a plurality of injectors provided in parallel between the pressure reducing valve and the fuel cell stack so as to supply the fuel cell stack to generate power, a predetermined number of injectors are maintained in an open state and other injectors are opened and closed. The amount of gaseous hydrogen supplied to the fuel cell stack is adjusted.

請求項１に記載の燃料電池システムの燃料噴射制御方法によれば、複数のインジェクタのうち、所定数のインジェクタの開状態を維持すると共に、他のインジェクタを開閉させて燃料電池スタックに供給する気体状水素の量を調整することにより、インジェクタ上流の圧力の変動を抑制する。 According to the fuel injection control method of the fuel cell system according to claim 1, the gas supplied to the fuel cell stack by maintaining the open state of a predetermined number of injectors among the plurality of injectors and opening and closing the other injectors. By adjusting the amount of fuel, fluctuations in pressure upstream of the injector are suppressed.

以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムの燃料噴射制御方法によれば、インジェクタ上流の圧力の変動を抑制することにより、減圧弁の作動を低減し得る。 As described above, according to the fuel injection control method of the fuel cell system according to the present invention, the operation of the pressure reducing valve can be reduced by suppressing the fluctuation of the pressure upstream of the injector.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一例を示したブロック図である。It is a block diagram which showed an example of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. （Ａ）は、開状態である減圧弁の一例を示した概略図であり、（Ｂ）は、閉状態である減圧弁の一例を示した概略図である。(A) is a schematic view showing an example of a pressure reducing valve in an open state, and (B) is a schematic view showing an example of a pressure reducing valve in a closed state. （Ａ）は、同期制御で制御ＥＣＵからインジェクタに出力する電気信号の態様の一例を示した説明図であり、（Ｂ）は、積み上げ制御で制御ＥＣＵからインジェクタに出力する電気信号の一例を示した説明図である。(A) is an explanatory diagram showing an example of an mode of an electric signal output from the control ECU to the injector by synchronous control, and (B) shows an example of an electric signal output from the control ECU to the injector by stacking control. It is an explanatory diagram. （Ａ）は同期制御における各々のインジェクタの開閉状態の一例を示した説明図であり、（Ｂ）は同期制御における減圧弁の水素の流量の変化の一例を示した説明図であり、（Ｃ）は同期制御における減圧弁の動作行程の一例を示した説明図であり、（Ｄ）は同期制御における目標インジェクタ上流圧に対する実際のインジェクタ上流圧の変化の一例を示した説明図であり、（Ｅ）は同期制御におけるインジェクタの作動により、減圧弁が全閉状態となった回数の累積の一例を示した説明図であり、（Ｆ）は、同期制御における減圧弁の摺動距離の累積の一例を示した説明図である。(A) is an explanatory diagram showing an example of the open / closed state of each injector in the synchronous control, and (B) is an explanatory diagram showing an example of the change in the hydrogen flow rate of the pressure reducing valve in the synchronous control, and (C). ) Is an explanatory diagram showing an example of the operation process of the pressure reducing valve in the synchronous control, and (D) is an explanatory diagram showing an example of the change of the actual injector upstream pressure with respect to the target injector upstream pressure in the synchronous control. E) is an explanatory diagram showing an example of the cumulative number of times the pressure reducing valve is fully closed due to the operation of the injector in the synchronous control, and (F) is the cumulative number of sliding distances of the pressure reducing valve in the synchronous control. It is explanatory drawing which showed an example. （Ａ）は積み上げ制御におけるインジェクタの各々の開閉状態の一例を示した説明図であり、（Ｂ）は積み上げ制御における減圧弁の水素の流量の変化の一例を示した説明図であり、（Ｃ）は積み上げ制御における減圧弁の動作行程の一例を示した説明図であり、（Ｄ）は積み上げ制御における目標インジェクタ上流圧に対する実際のインジェクタ上流圧の変化の一例を示した説明図であり、（Ｅ）は積み上げ制御におけるインジェクタの作動により、減圧弁が全閉状態となった回数の累積の一例を示した説明図であり、（Ｆ）は積み上げ制御における減圧弁の摺動距離の累積の一例を示した説明図である。(A) is an explanatory diagram showing an example of the open / closed state of each injector in the stacking control, and (B) is an explanatory diagram showing an example of a change in the hydrogen flow rate of the pressure reducing valve in the stacking control. ) Is an explanatory diagram showing an example of the operation process of the pressure reducing valve in the stacking control, and (D) is an explanatory diagram showing an example of the change of the actual injector upstream pressure with respect to the target injector upstream pressure in the stacking control. E) is an explanatory diagram showing an example of the accumulation of the number of times the pressure reducing valve is fully closed due to the operation of the injector in the stacking control, and (F) is an example of the accumulation of the sliding distance of the pressure reducing valve in the stacking control. It is explanatory drawing which showed. 本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池システムの一例を示したブロック図である。It is a block diagram which showed an example of the fuel cell system which concerns on the modification of embodiment of this invention.

図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０の一例を示したブロック図である。図１に示したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池を構成する燃料電池スタック１２と、燃料である水素を貯蔵する高圧タンク１８と、高圧タンク１８から供給された水素の燃料電池スタック１２への供給量を調整する電磁弁又は圧電素子を用いたピエゾインジェクタの一種であるインジェクタ２０と、インジェクタ２０の開閉を制御する制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２２と、インジェクタ２０の上流側の水素の圧力を一定に保つための減圧弁３０と、を備える。 FIG. 1 is a block diagram showing an example of the fuel cell system 10 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a fuel cell stack 12 constituting a fuel cell, a high-pressure tank 18 for storing hydrogen as fuel, and hydrogen supplied from the high-pressure tank 18. An injector 20 which is a kind of piezo injector using an electromagnetic valve or a piezoelectric element for adjusting the supply amount to the fuel cell stack 12, a control ECU (Electronic Control Unit) 22 for controlling the opening and closing of the injector 20, and the injector 20. A pressure reducing valve 30 for keeping the pressure of hydrogen on the upstream side constant is provided.

燃料電池スタック１２は、各々が直列又は並列に電気的に接続された複数のセルを備え、各々のセルには燃料である気体状の水素が供給される。各々のセルでは、燃料である水素がセルの正極（アノード、燃料極）と正極側のセパレータとの間を流れ、酸化剤である酸素を含む空気がセルの負極（カソード、空気極）と負極側のセパレータとの間を流れることによって、水の電気分解の逆反応に相当する化学反応が生じる。燃料電池スタック１２は、各々のセルの化学反応によって生じたエネルギーを電力として取り出すことで発電する。 The fuel cell stack 12 includes a plurality of cells, each of which is electrically connected in series or in parallel, and each cell is supplied with gaseous hydrogen as a fuel. In each cell, hydrogen as a fuel flows between the positive electrode (anode, fuel electrode) of the cell and the separator on the positive electrode side, and air containing oxygen as an oxidant flows between the negative electrode (cathode, air electrode) and the negative electrode of the cell. By flowing between the separator on the side, a chemical reaction corresponding to the reverse reaction of electrolysis of water occurs. The fuel cell stack 12 generates electric power by extracting the energy generated by the chemical reaction of each cell as electric power.

高圧タンク１８には、燃料である気体状の水素が高圧の状態で貯蔵されている。高圧タンク１８に貯蔵された水素は、メイン流路２４によって燃料電池スタック１２に供給される。メイン流路２４には、前述の減圧弁３０と、インジェクタ２０とが設けられている。 In the high-pressure tank 18, gaseous hydrogen as a fuel is stored in a high-pressure state. The hydrogen stored in the high pressure tank 18 is supplied to the fuel cell stack 12 by the main flow path 24. The pressure reducing valve 30 and the injector 20 are provided in the main flow path 24.

図２（Ａ）は、開状態である減圧弁３０の一例を示した概略図であり、図２（Ｂ）は、閉状態である減圧弁３０の一例を示した概略図である。減圧弁３０は、高圧タンク１８に接続された気体入口４８から高圧水素５２が流入する。減圧弁３０に流入した高圧水素５２は、一次シリンダ２６内を、一次シリンダ２６の内壁とバルブ４２の外壁との間を進み、中心線４０に対して垂直な断面が狭隘化された狭隘部２８を通過して、二次シリンダ３２内で拡散する。かかる拡散により、高圧タンク１８から送られてきた高圧水素は、燃料電池スタック１２に供給することが可能な程度まで減圧される。そして、減圧された水素は、気体出口５０から低圧水素５４としてインジェクタ２０に送られる。 FIG. 2A is a schematic view showing an example of the pressure reducing valve 30 in the open state, and FIG. 2B is a schematic view showing an example of the pressure reducing valve 30 in the closed state. High-pressure hydrogen 52 flows into the pressure reducing valve 30 from the gas inlet 48 connected to the high-pressure tank 18. The high-pressure hydrogen 52 flowing into the pressure reducing valve 30 travels inside the primary cylinder 26 between the inner wall of the primary cylinder 26 and the outer wall of the valve 42, and the narrow section 28 having a narrow cross section perpendicular to the center line 40. And diffuses in the secondary cylinder 32. Due to such diffusion, the high-pressure hydrogen sent from the high-pressure tank 18 is depressurized to a extent that it can be supplied to the fuel cell stack 12. Then, the depressurized hydrogen is sent from the gas outlet 50 to the injector 20 as low pressure hydrogen 54.

二次シリンダ３２には、圧縮ばねであるメインスプリング３８で保持されたピストン３４があり、ピストン３４は、ピストンシール３６によって二次シリンダ３２の内壁との気密性を保持された状態で、二次シリンダ３２内の水素の圧力に応じて、中心線４０と平行方向に移動する。例えば、二次シリンダ３２内の圧力が高まれば、ピストン３４は矢印Ａの方向に移動し、当該圧力が低下すれば、ピストン３４は矢印Ｂの方向に移動する。二次シリンダ３２内の水素の圧力は、インジェクタ上流の圧力と理論上は等価である。 The secondary cylinder 32 has a piston 34 held by a main spring 38 which is a compression spring, and the piston 34 is in a state where the airtightness with the inner wall of the secondary cylinder 32 is maintained by the piston seal 36. It moves in a direction parallel to the center line 40 according to the pressure of hydrogen in the cylinder 32. For example, if the pressure in the secondary cylinder 32 increases, the piston 34 moves in the direction of arrow A, and if the pressure decreases, the piston 34 moves in the direction of arrow B. The pressure of hydrogen in the secondary cylinder 32 is theoretically equivalent to the pressure upstream of the injector.

ピストン３４の底面には、中心線４０と同軸のシャフト５６を介してバルブ４２が設けられている。バルブ４２は、圧縮ばねであるサブスプリング４４で保持された状態で、ピストン３４の移動に応じて中心線と平行方向に一次シリンダ２６内を移動する。 A valve 42 is provided on the bottom surface of the piston 34 via a shaft 56 coaxial with the center line 40. The valve 42 moves in the primary cylinder 26 in a direction parallel to the center line in accordance with the movement of the piston 34 while being held by the sub spring 44, which is a compression spring.

シャフト５６と接続するバルブ４２の端部４２Ｔはテーパー状になっている。二次シリンダ３２内の圧力が高まってピストン３４が矢印Ａの方向に移動すると、テーパー状の端部４２Ｔは狭隘部２８の断面積を減少させ、二次シリンダ３２内に拡散させる水素を減らすことにより、二次シリンダ３２内を減圧する。また、二次シリンダ３２内の圧力が低下してピストン３４が矢印Ｂの方向に移動すると、テーパー状の端部４２Ｔは狭隘部２８の断面積を増大させ、二次シリンダ３２内に拡散させる水素を増やすことにより、二次シリンダ３２内を加圧する。 The end portion 42T of the valve 42 connected to the shaft 56 is tapered. When the pressure in the secondary cylinder 32 increases and the piston 34 moves in the direction of arrow A, the tapered end 42T reduces the cross-sectional area of the narrowed portion 28 and reduces the hydrogen diffused into the secondary cylinder 32. The pressure inside the secondary cylinder 32 is reduced. Further, when the pressure in the secondary cylinder 32 decreases and the piston 34 moves in the direction of arrow B, the tapered end portion 42T increases the cross-sectional area of the narrow portion 28 and diffuses hydrogen into the secondary cylinder 32. Pressurizes the inside of the secondary cylinder 32 by increasing the number.

一次シリンダ２６と狭隘部２８との接続部には、ゴム等のエラストマーで構成されたシール材４６が設けられている。図２（Ｂ）に示したように、シール材４６は、二次シリンダ３２内の圧力が過大となってピストン３４が矢印Ａの方向に移動すると、バルブ４２の端部４２Ｔと接触して、一次シリンダ２６から二次シリンダ３２への水素の流入を停止させる。 A sealing material 46 made of an elastomer such as rubber is provided at the connection portion between the primary cylinder 26 and the narrow portion 28. As shown in FIG. 2B, when the pressure in the secondary cylinder 32 becomes excessive and the piston 34 moves in the direction of arrow A, the sealing material 46 comes into contact with the end portion 42T of the valve 42. The inflow of hydrogen from the primary cylinder 26 to the secondary cylinder 32 is stopped.

インジェクタ２０は、例えば電気信号が入力されると開状態となる電磁弁又は圧電素子を用いたピエゾインジェクタの一種である。本実施形態では、インジェクタ２０下流の圧力脈動を抑えると共に、燃料電池スタック１２の要求発電量に応じて必要な燃料を供給するために、減圧弁３０と燃料電池スタック１２との間に並列に設けられた複数のインジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを備える。 The injector 20 is a kind of piezo injector using, for example, a solenoid valve or a piezoelectric element that is opened when an electric signal is input. In the present embodiment, in order to suppress the pressure pulsation downstream of the injector 20 and supply the required fuel according to the required power generation amount of the fuel cell stack 12, the pressure reducing valve 30 and the fuel cell stack 12 are provided in parallel. The plurality of injectors 20A, 20B, and 20C are provided.

インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々には、制御ＥＣＵ２２が接続されている。制御ＥＣＵ２２は、上位の制御装置である車両ＥＣＵ等からの指令に基づいて、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々を開閉させる電気信号を生成し、生成した電気信号をインジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々に出力する。 A control ECU 22 is connected to each of the injectors 20A, 20B, and 20C. The control ECU 22 generates an electric signal for opening and closing each of the injectors 20A, 20B, and 20C based on a command from a vehicle ECU or the like, which is a higher-level control device, and uses the generated electric signal as each of the injectors 20A, 20B, and 20C. Output to.

燃料電池スタック１２の正極側には排気流路６０が設けられている。排気流路６０の他端は気液分離器６２に接続されており、燃料電池スタック１２の正極側から排出された排気は、気液分離器６２に導入される。 An exhaust flow path 60 is provided on the positive electrode side of the fuel cell stack 12. The other end of the exhaust flow path 60 is connected to the gas-liquid separator 62, and the exhaust gas discharged from the positive electrode side of the fuel cell stack 12 is introduced into the gas-liquid separator 62.

気液分離器６２では、燃料電池スタック１２の排気に含まれる液状の水分を気体と分離し、分離した水分を排水弁６４から排出する。気液分離器６２で液状の水分が分離された排気は、ポンプ又はエゼクタ等である循環器６６によって適宜加圧されてメイン流路２４に導入され、インジェクタ２０を介して送られてきた水素と共に燃料電池スタック１２に供給される。 In the gas-liquid separator 62, the liquid water contained in the exhaust of the fuel cell stack 12 is separated from the gas, and the separated water is discharged from the drain valve 64. The exhaust from which the liquid water is separated by the gas-liquid separator 62 is appropriately pressurized by a circulator 66 such as a pump or an ejector, introduced into the main flow path 24, and together with hydrogen sent through the injector 20. It is supplied to the fuel cell stack 12.

図３（Ａ）は、制御ＥＣＵ２２からインジェクタ２０に出力する電気信号の一般的な態様の一例を示した説明図であり、図３（Ｂ）は、本実施形態に係る燃料電池システムの燃料噴射制御方法における制御ＥＣＵ２２からインジェクタ２０に出力する電気信号の一例を示した説明図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）の各々に示した電気信号は、例えば、制御ＥＣＵ２２内に実装されたＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子（図示せず）のオンオフ動作によるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）によって生成される。 FIG. 3A is an explanatory diagram showing an example of a general aspect of an electric signal output from the control ECU 22 to the injector 20, and FIG. 3B is a fuel injection of the fuel cell system according to the present embodiment. It is explanatory drawing which showed an example of the electric signal output from the control ECU 22 to the injector 20 in the control method. The electric signals shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B) are, for example, PWM (not shown) by on / off operation of a switching element (not shown) such as a FET (field effect transistor) mounted in the control ECU 22. Generated by Pulse Width Modulation).

図３（Ａ）に示した例では、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃには等価な電気信号が各々印加される。一例として、各々の電気信号は、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々を開状態とし、水素を燃料電池スタック１２に供給するための信号成分の開デューティ比が８０％となっている。本実施形態では、図３（Ａ）に示したように、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに等価な電気信号が各々印加される場合を、同期制御と称する。 In the example shown in FIG. 3A, equivalent electric signals are applied to the injectors 20A, 20B, and 20C, respectively. As an example, each electric signal has the injectors 20A, 20B, and 20C in an open state, and the open duty ratio of the signal component for supplying hydrogen to the fuel cell stack 12 is 80%. In the present embodiment, as shown in FIG. 3A, the case where the electric signals equivalent to the injectors 20A, 20B, and 20C are applied is referred to as synchronous control.

本実施形態で開デューティ比は、ＰＷＭによって生成される電気信号の波形の１周期間に対する前述のスイッチング素子がオンになったこと等で生じる１のパルスの時間の割合である。また、ＰＷＭによって生成される電圧の波形の１周期は、前述の１のパルスの時間と前述のスイッチング素子がオフになりパルスが生じない時間との和である。制御ＥＣＵ２２は、上位の制御装置である車両ＥＣＵ等からの指令に基づいて、前述のスイッチング素子をオンオフさせて図３（Ａ）及び図３（Ｂ）の各々に示した電気信号を生成する。 In the present embodiment, the open duty ratio is the ratio of the time of one pulse generated by the above-mentioned switching element being turned on or the like to one cycle of the waveform of the electric signal generated by PWM. Further, one cycle of the voltage waveform generated by PWM is the sum of the time of the pulse of 1 described above and the time of time when the switching element is turned off and no pulse is generated. The control ECU 22 turns the above-mentioned switching element on and off based on a command from a vehicle ECU or the like, which is a higher-level control device, to generate the electric signals shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B).

図３（Ｂ）に示した例では、例えばインジェクタ２０Ｂ、２０Ｃの各々は、開状態を継続するために、作動開始から開デューティ比１００％の電気信号が印加されるが、インジェクタ２０Ａには例えば開デューティ比４０％の電気信号が周期的に印加される。本実施形態では、図３（Ｂ）に示したように、２本のインジェクタ２０Ｂ、２０Ｃを開デューティ比１００％、１本のインジェクタ２０Ａを１００％未満の開デューティ比で作動させる場合を、積み上げ制御と称する。 In the example shown in FIG. 3B, for example, in order to keep the injectors 20B and 20C in the open state, an electric signal having an open duty ratio of 100% is applied to the injector 20A, for example. An electric signal having an open duty ratio of 40% is periodically applied. In the present embodiment, as shown in FIG. 3B, the case where two injectors 20B and 20C are operated with an open duty ratio of 100% and one injector 20A is operated with an open duty ratio of less than 100% is stacked. Called control.

図３（Ｂ）では、インジェクタ２０Ａを開デューティ比４０％で周期的に開閉させたが、開閉の周期は規則的であることに限定されない。具体的には、燃料電池スタック１２に供給する水素の量を適切に調整するために、状況に応じて開デューティ比を適宜変化させてもよい。 In FIG. 3B, the injector 20A is periodically opened and closed at an open duty ratio of 40%, but the opening and closing cycle is not limited to regular. Specifically, in order to appropriately adjust the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 12, the open duty ratio may be appropriately changed depending on the situation.

図４（Ａ）は同期制御におけるインジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々の開閉状態の一例を示した説明図である。図４（Ａ）に示した曲線７０は、図３（Ａ）に示した電気信号の波形に対応して変化し、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々が同一のタイミングで開閉することを示している。 FIG. 4A is an explanatory diagram showing an example of the open / closed state of each of the injectors 20A, 20B, and 20C in the synchronous control. The curve 70 shown in FIG. 4 (A) changes corresponding to the waveform of the electric signal shown in FIG. 3 (A), indicating that the injectors 20A, 20B, and 20C each open and close at the same timing. There is.

図４（Ｂ）は同期制御における減圧弁３０の水素の流量の変化の一例を示した説明図である。また、図４（Ｃ）は同期制御における減圧弁３０の動作行程の一例を示した説明図である。図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）の各々に示した曲線７２、７４は、図４（Ａ）に示した曲線７０に対応して変化するが、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々が同一のタイミングで開閉するため、流量及び動作行程の各々は、極小値である０から極大値まで変化が著しい。 FIG. 4B is an explanatory diagram showing an example of a change in the hydrogen flow rate of the pressure reducing valve 30 in the synchronous control. Further, FIG. 4C is an explanatory diagram showing an example of the operation process of the pressure reducing valve 30 in the synchronous control. The curves 72 and 74 shown in FIGS. 4 (B) and 4 (C) change corresponding to the curves 70 shown in FIG. 4 (A), but the injectors 20A, 20B and 20C are the same. Since it opens and closes at the timing of, each of the flow rate and the operation stroke changes remarkably from the minimum value of 0 to the maximum value.

図４（Ｄ）は同期制御における目標インジェクタ上流圧７８に対する実際のインジェクタ上流圧７６の変化の一例を示した説明図である。同期制御では、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々が同時に開状態となり、また同時に閉状態になるので、実際のインジェクタ上流圧７６は目標インジェクタ上流圧７８に対して振れ幅が大きい。 FIG. 4D is an explanatory diagram showing an example of a change in the actual injector upstream pressure 76 with respect to the target injector upstream pressure 78 in the synchronous control. In the synchronous control, each of the injectors 20A, 20B, and 20C is opened at the same time and closed at the same time, so that the actual injector upstream pressure 76 has a large swing width with respect to the target injector upstream pressure 78.

図４（Ｅ）は同期制御におけるインジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの作動により、減圧弁３０が全閉状態となった回数の累積の一例を示した説明図である。同期制御では、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々が同時に閉状態となる。かかる閉状態時には、減圧弁３０の二次シリンダ３２内の圧力が過大となってピストン３４が図２の矢印Ａの方向に移動し、その結果、図２（Ｂ）に示したようにシール材４６とバルブ４２の端部４２Ｔとが接触して、一次シリンダ２６から二次シリンダ３２への水素の流入を停止させる。同期制御では、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々は同時に閉状態となる回数が多いので、図４（Ｅ）の曲線８０に示したように、減圧弁３０が全閉状態となる回数は累積的に増大し、シール材４６が消耗するおそれがある。 FIG. 4E is an explanatory diagram showing an example of the cumulative number of times that the pressure reducing valve 30 is fully closed due to the operation of the injectors 20A, 20B, and 20C in the synchronous control. In the synchronous control, each of the injectors 20A, 20B, and 20C is closed at the same time. In such a closed state, the pressure in the secondary cylinder 32 of the pressure reducing valve 30 becomes excessive and the piston 34 moves in the direction of the arrow A in FIG. 2, and as a result, the sealing material as shown in FIG. 2 (B). The 46 and the end 42T of the valve 42 come into contact with each other to stop the inflow of hydrogen from the primary cylinder 26 to the secondary cylinder 32. In the synchronous control, each of the injectors 20A, 20B, and 20C is closed at the same time many times. Therefore, as shown in the curve 80 of FIG. 4 (E), the number of times the pressure reducing valve 30 is fully closed is cumulative. There is a risk that the sealing material 46 will be consumed.

図４（Ｆ）は同期制御における減圧弁３０の摺動距離の累積の一例を示した説明図である。同期制御では、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々が同時に閉状態になることから、減圧弁３０におけるピストンシール３６と二次シリンダ３２の内壁との摺動距離は基本的に大きくなりがちである。さらに、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々が作動を継続することにより、図４（Ｆ）の曲線８２に示したように、当該摺動距離の累積が増大して、ピストンシール３６等が消耗するおそれがある。 FIG. 4F is an explanatory diagram showing an example of cumulative sliding distance of the pressure reducing valve 30 in synchronous control. In the synchronous control, since each of the injectors 20A, 20B, and 20C is closed at the same time, the sliding distance between the piston seal 36 and the inner wall of the secondary cylinder 32 in the pressure reducing valve 30 tends to be basically large. Further, as each of the injectors 20A, 20B, and 20C continues to operate, as shown in the curve 82 of FIG. 4F, the accumulation of the sliding distance increases and the piston seal 36 and the like are consumed. There is a risk.

図５（Ａ）は積み上げ制御におけるインジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々の開閉状態の一例を示した説明図である。図５（Ａ）において、直線９０は、インジェクタ２０Ｂ、２０Ｃの各々が開状態となっていることを示し、曲線９２は、インジェクタ２０Ａが、図３（Ｂ）に示した電気信号の波形に対応して開閉することを示している。 FIG. 5A is an explanatory diagram showing an example of the open / closed state of each of the injectors 20A, 20B, and 20C in the stacking control. In FIG. 5A, the straight line 90 indicates that each of the injectors 20B and 20C is in the open state, and the curve 92 corresponds to the injector 20A corresponding to the waveform of the electric signal shown in FIG. 3B. It shows that it opens and closes.

図５（Ｂ）は積み上げ制御における減圧弁３０の水素の流量の変化の一例を示した説明図である。また、図５（Ｃ）は積み上げ制御における減圧弁３０の動作行程の一例を示した説明図である。図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）の各々に示した曲線９４、９６は、図５（Ａ）に示した曲線９２に対応して変化するが、インジェクタ２０Ｂ、２０Ｃの各々が開状態を維持し、インジェクタ２０Ａのみが開閉するので、流量及び動作行程の各々の変化は、同期制御の場合よりも抑制される。 FIG. 5B is an explanatory diagram showing an example of a change in the flow rate of hydrogen in the pressure reducing valve 30 in stacking control. Further, FIG. 5C is an explanatory diagram showing an example of the operation process of the pressure reducing valve 30 in the stacking control. The curves 94 and 96 shown in FIGS. 5 (B) and 5 (C) change corresponding to the curves 92 shown in FIG. 5 (A), but the injectors 20B and 20C are each in the open state. Since it is maintained and only the injector 20A opens and closes, changes in each of the flow rate and the operation stroke are suppressed as compared with the case of synchronous control.

図５（Ｄ）は積み上げ制御における目標インジェクタ上流圧９８に対する実際のインジェクタ上流圧１００の変化の一例を示した説明図である。積み上げ制御では、インジェクタ２０Ａが開閉して、燃料電池スタック１２に供給する水素の量を調整しているため、実際のインジェクタ上流圧１００は目標インジェクタ上流圧９８に対して若干の振れ幅を有するが、インジェクタ２０Ｂ、２０Ｃが共に開状態を維持しているので、当該振れ幅は同期制御よりも抑制される。 FIG. 5D is an explanatory diagram showing an example of a change in the actual injector upstream pressure 100 with respect to the target injector upstream pressure 98 in stacking control. In the stacking control, the injector 20A opens and closes to adjust the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 12, so that the actual injector upstream pressure 100 has a slight fluctuation width with respect to the target injector upstream pressure 98. Since both the injectors 20B and 20C are maintained in the open state, the swing width is suppressed more than the synchronous control.

図５（Ｅ）は積み上げ制御におけるインジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの作動により、減圧弁３０が全閉状態となった回数の累積の一例を示した説明図である。積み上げ制御では、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々が同時に閉状態となることはないので、減圧弁３０の二次シリンダ３２内の圧力が過大とならず、シール材４６とバルブ４２の端部４２Ｔとが接触する全閉状態になりにくい。図５（Ｅ）の直線１０２が示すように、積み上げ制御は、減圧弁３０が全閉状態となる回数は累積的に増大しないので、同期制御に比して、シール材４６が消耗するおそれが少ない。 FIG. 5E is an explanatory diagram showing an example of the cumulative number of times that the pressure reducing valve 30 is fully closed due to the operation of the injectors 20A, 20B, and 20C in the stacking control. In the stacking control, each of 20A, 20B, and 20C is not closed at the same time, so that the pressure in the secondary cylinder 32 of the pressure reducing valve 30 does not become excessive, and the sealing material 46 and the end portion 42T of the valve 42 Is unlikely to be in a fully closed state. As shown by the straight line 102 in FIG. 5 (E), in the stacking control, the number of times the pressure reducing valve 30 is fully closed does not increase cumulatively, so that the sealing material 46 may be consumed as compared with the synchronous control. Few.

図５（Ｆ）は積み上げ制御における減圧弁３０の摺動距離の累積の一例を示した説明図である。積み上げ制御では、インジェクタ２０Ａのみが開閉し、インジェクタ２０Ｂ、２０Ｃの各々は開状態を維持するので、減圧弁３０の二次シリンダ３２内の圧力の変動が同期制御に比して少ない。従って、減圧弁３０におけるピストンシール３６と二次シリンダ３２の内壁との摺動距離は同期制御に比して抑制され、インジェクタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの各々が作動を継続しても、図５（Ｆ）の曲線１０４に示したように、当該摺動距離の累積は同期制御の場合ほど増大しない。その結果、積み上げ制御では、同期制御に比して、ピストンシール３６等が消耗するおそれが抑制される。 FIG. 5F is an explanatory diagram showing an example of cumulative sliding distance of the pressure reducing valve 30 in stacking control. In the stacking control, only the injector 20A opens and closes, and each of the injectors 20B and 20C maintains an open state, so that the fluctuation of the pressure in the secondary cylinder 32 of the pressure reducing valve 30 is smaller than that in the synchronous control. Therefore, the sliding distance between the piston seal 36 and the inner wall of the secondary cylinder 32 in the pressure reducing valve 30 is suppressed as compared with the synchronous control, and even if each of the injectors 20A, 20B, and 20C continues to operate, FIG. As shown in curve 104 of F), the accumulation of the sliding distance does not increase as much as in the case of synchronous control. As a result, in the stacking control, the possibility that the piston seal 36 and the like are consumed is suppressed as compared with the synchronous control.

続いて、本実施形態の変形例について説明する。図６は、本実施形態の変形例に係る燃料電池システム１１０の一例を示したブロック図である。本変形例に係る燃料電池システム１１０は、３本の高圧タンク１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、３つの減圧弁１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、及び減圧弁１３０Ａと燃料電池スタック１２との間に並列に設けられた５つのインジェクタ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅ（以下、必要に応じて「インジェクタ１２０」と略記）を備え、制御ＥＣＵ１２２は、５つのインジェクタ１２０を制御する点で図１に示した燃料電池システム１０と相違するが、その他の構成は、図１に示した燃料電池システム１０と同一なので、当該同一の構成には図１と同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 Subsequently, a modified example of the present embodiment will be described. FIG. 6 is a block diagram showing an example of the fuel cell system 110 according to the modified example of the present embodiment. The fuel cell system 110 according to this modification is provided in parallel between the three high pressure tanks 18A, 18B, 18C, the three pressure reducing valves 130A, 130B, 130C, and the pressure reducing valves 130A and the fuel cell stack 12. The fuel cell system shown in FIG. 1 is provided with five injectors 120A, 120B, 120C, 120D, 120E (hereinafter, abbreviated as “injector 120” as necessary), and the control ECU 122 controls the five injectors 120. Although different from 10, since the other configurations are the same as those of the fuel cell system 10 shown in FIG. 1, the same configurations are designated by the same reference numerals as those of FIG. 1 and detailed description thereof will be omitted.

本変形例では、３本の高圧タンク１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃを有し、前述の本実施形態よりも多くの水素を燃料電池スタック１２側に送り込むので、３つの減圧弁１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃを並列に配している。 In this modification, three high-pressure tanks 18A, 18B, and 18C are provided, and more hydrogen is sent to the fuel cell stack 12 side than in the present embodiment described above, so that the three pressure reducing valves 130A, 130B, and 130C are arranged in parallel. It is arranged in.

前述の本実施形態では、３つのうち２つのインジェクタの開状態を維持したまま、１つのインジェクタを開閉させることにより燃料電池スタック１２に供給する水素の量を調整した。本変形例では、例えば、５つのインジェクタのうち３つのインジェクタの開状態を維持したまま、２つのインジェクタを開閉させることにより燃料電池スタック１２に供給する水素の量を調整することができる。２つのインジェクタを開閉させることにより、１つのインジェクタを開閉させる場合よりも、燃料電池スタック１２に供給する水素の量をより広い範囲で調整することができる。 In the present embodiment described above, the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 12 is adjusted by opening and closing one injector while maintaining the open state of two of the three injectors. In this modification, for example, the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 12 can be adjusted by opening and closing two injectors while maintaining the open state of three of the five injectors. By opening and closing two injectors, the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 12 can be adjusted in a wider range than when opening and closing one injector.

また、燃料電池スタック１２に供給する水素の量を微細に調整したい場合は、５つのインジェクタのうち４つのインジェクタの開状態を維持したまま、１つのインジェクタを開閉させてもよい。 Further, when it is desired to finely adjust the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 12, one injector may be opened and closed while maintaining the open state of four of the five injectors.

本変形例では、開状態を維持するインジェクタを１～４とし、開状態を維持するインジェクタ以外のインジェクタを開閉させることにより、燃料電池スタック１２に供給する水素の量を多様な範囲で調整することが可能となる。 In this modification, the number of injectors that maintain the open state is 1 to 4, and the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 12 is adjusted in various ranges by opening and closing injectors other than the injectors that maintain the open state. Is possible.

なお、本変形例では、５つのインジェクタ１２０を備えているがこれに限定されない。例えば、減圧弁と燃料電池スタック１２との間に６つ以上のインジェクタを並列に備え、１つ以上のインジェクタにおいて開状態を維持させ、他のインジェクタを開閉させることよって、燃料電池スタック１２に供給する水素を調整してもよい。 In this modification, five injectors 120 are provided, but the present invention is not limited to this. For example, six or more injectors are provided in parallel between the pressure reducing valve and the fuel cell stack 12, and one or more injectors are kept open and the other injectors are opened and closed to supply the fuel cell stack 12. You may adjust the amount of hydrogen to be used.

以上説明したように、本実施形態では、複数のインジェクタのうち、所定数のインジェクタの開状態を維持すると共に、開状態を維持したインジェクタ以外のインジェクタを開閉させることによって、燃料電池スタック１２に供給する水素の量を調整する積み上げ制御を行う。かかる積み上げ制御では、インジェクタの作動に伴って発生する減圧弁３０の二次シリンダ３２内の圧力の変動が複数のインジェクタのすべてを同一のタイミングで開閉させる同期制御よりも抑制されるので、減圧弁３０の作動を低減できる。その結果、減圧弁３０の作動による消耗を抑制し、減圧弁３０の寿命を延ばすことが可能となる。 As described above, in the present embodiment, the fuel cell stack 12 is supplied by maintaining the open state of a predetermined number of injectors among the plurality of injectors and opening and closing the injectors other than the injectors that maintain the open state. Stacking control is performed to adjust the amount of hydrogen to be produced. In such stacking control, the fluctuation of the pressure in the secondary cylinder 32 of the pressure reducing valve 30 generated by the operation of the injector is suppressed as compared with the synchronous control in which all of the plurality of injectors are opened and closed at the same timing, so that the pressure reducing valve is suppressed. The operation of 30 can be reduced. As a result, it is possible to suppress wear due to the operation of the pressure reducing valve 30 and extend the life of the pressure reducing valve 30.

１０燃料電池システム
１２燃料電池スタック
１８高圧タンク
１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ高圧タンク
２０Ａ、２０Ｂ，２０Ｃインジェクタ
２２制御ＥＣＵ
３０減圧弁
１１０燃料電池システム
１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ、１２０Ｅインジェクタ
１２２制御ＥＣＵ
１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ減圧弁 10 Fuel cell system 12 Fuel cell stack 18 High pressure tanks 18A, 18B, 18C High pressure tanks 20A, 20B, 20C Injector 22 Control ECU
30 Pressure reducing valve 110 Fuel cell system 120A, 120B, 120C, 120D, 120E Injector 122 Control ECU
130A, 130B, 130C pressure reducing valve

Claims

開状態の際に減圧弁を介して高圧タンクから送られてきた気体状水素を、水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池スタックに供給するように前記減圧弁と前記燃料電池スタックとの間に並列に設けられた複数のインジェクタのうち、所定数のインジェクタの開状態を維持すると共に、他のインジェクタを開閉させて前記燃料電池スタックに供給する気体状水素の量を調整する燃料電池システムの燃料噴射制御方法。 The pressure reducing valve and the fuel so as to supply gaseous hydrogen sent from the high pressure tank via the pressure reducing valve in the open state to a fuel cell stack that generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air. Of a plurality of injectors provided in parallel with the battery stack, a predetermined number of injectors are maintained in an open state, and other injectors are opened and closed to adjust the amount of gaseous hydrogen supplied to the fuel cell stack. Fuel injection control method for fuel cell systems.