JP5134646B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

この発明は、燃料タンクから燃料電池に供給される燃料ガスの供給路（燃料ガス供給路）に挿入される電磁遮断弁等への電力供給を節電する燃料電池車両に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池システムにおいて、燃料ガスが充填された燃料タンクから燃料ガス供給路を通じ、前記燃料電池内の前記燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス供給部から酸化剤ガス供給路を通じ、前記燃料電池内の前記酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

このような燃料電池システムにおいて、前記燃料タンクと前記燃料電池との間の前記燃料ガス供給路に燃料ガスの流通を遮断する電磁遮断弁が設けられる（特許文献１）。

イグニッションスイッチがオフにされると、この電磁遮断弁が圧縮バネ等の弁体復元力に閉弁され、例えば、前記電解質膜・電極構造体が保護される。すなわち、燃料電池が保護される。

その一方、イグニッションスイッチがオンにされると、前記電磁遮断弁の電力供給端子に補機バッテリ等から電力が供給され、この電力の供給によるソレノイド励磁により前記弁体復元力に抗う駆動力により弁体が開弁され、前記燃料タンクから前記燃料ガス供給路を通じて前記燃料電池内に前記水素含有ガスが供給される。

特開２００９−１２９５９３号公報（［００３３］、［００４１］）

特許文献１には、イグニッションスイッチがオンにされて、前記電磁遮断弁の電力供給端子に電力が供給されてから、前記電磁遮断弁の開弁完了確定時間を必要最低限の時間として決定乃至設定できる電磁遮断弁の開弁完了判断装置が開示されている。

開弁完了確定時間が必要最低限の時間に設定できるので、イグニッションスイッチがオンにされた後、燃料電池から負荷への電力供給までの時間を必要最低限の時間に決定乃至設定することができる。

ところで、上述したように、電磁遮断弁は、電力供給端子に電力が供給されていないと、圧縮バネ等による弁体復元力により弁体が閉弁してしまう。そのため、燃料電池車両においては、イグニッションスイッチがオンにされているときには電磁遮断弁の開弁状態を保持するために、補機バッテリ等から電力供給端子に電力を連続的に供給して電磁遮断弁のソレノイドを励磁することで、ソレノイドに弁体復元力に抗う駆動力（開弁保持力）を付与しておく必要がある。

図１０は、燃料電池車両のイグニッションスイッチのオフ時（停車時、駐車時）からイグニッションスイッチのオン時（走行時、一時停車時等）に切り替わりさらにオフ時に切り替わる際の電磁遮断弁の弁体に付与される各種力の大きさを示す従来技術に係るタイムチャートである。

図１１Ａ〜図１１Ｄは、一般的な電磁遮断弁４０（後述する実施の形態での主遮断弁に対応する。）の模式的動作説明図である。

図１１Ａは、コイル２とヨーク４とにより構成されるソレノイド４０Ｓに駆動電圧Ｖｄが印加されていない弁体８のノーマルクローズ（常閉）状態ＮＳを示し、弁体８は、圧縮バネ９の弁体復元力（閉弁時弁体復元力）Ｆｒ１により、可動範囲ＭＡの一端部まで可動して閉弁状態ＣＳになっている。

この図１１Ａのノーマルクローズ状態ＮＳにおいて、図１０の時点ｔ１でイグニッションスイッチがオフからオンにされると、ソレノイド４０Ｓに駆動電圧Ｖｄ、ここでは、ソレノイド４０Ｓに十分に大きな起動力Ｆｓ５を発生させるのに対応する十分に高い駆動電圧Ｖｄである弁体駆動電圧（起動電圧ともいう。）Ｖｄ５が印加され、時点ｔ２において、ソレノイド４０Ｓに発生する駆動力Ｆｓが、起動閾値力Ｆｓ４（Ｆｓ４＜Ｆｓ５）を上回ると、図１１Ｂに示すように、図示しない可動鉄心（プランジャ）と一体的に移動する弁体８が矢印Ｑ方向に移動を開始して弁体駆動期間ＤＳ中になる。なお、起動閾値力Ｆｓ４をソレノイド４０Ｓに発生させる駆動電圧Ｖｄを起動閾値電圧Ｖｄ４という。

次に、弁体駆動電圧Ｖｄ５が印加された状態の時点ｔ３において、図１１Ｃに示すように、弁体８が可動範囲ＭＡの他端部の開弁状態ＯＳに到達すると、弁体復元力Ｆは、Ｆ＝Ｆｒ２となる。

時点ｔ２〜時点ｔ１０の間で、弁体駆動電圧Ｖｄ５が連続してソレノイド４０Ｓに印加されているので、ソレノイド４０Ｓに発生される駆動力Ｆｓが大きな起動力Ｆｓ５になっている。そのため、時点ｔ３〜時点ｔ１０における弁体８が開弁状態ＯＳにある開弁保持期間ＨＳ中であって、例えば、燃料電池車両の走行中の時点ｔ４〜ｔ６の間に、走行加速度等の外力Ｆｅが弁体８に加わり、弁体復元力Ｆｒと外力Ｆｅの合成力Ｆｒ＋Ｆｅが最大合成力Ｆｒ２＋Ｆｅｍａｘ（Ｆｅｍａｘは推定最大外力とする。）となっても、ソレノイド４０Ｓに発生させる起動力Ｆｓ５が、この合成力Ｆｒ＋Ｆｅ以上の大きさになっているので、弁体８は、開弁状態ＯＳに保持される。

時点ｔ１０において、イグニッションスイッチがオンからオフにされると、図１１Ｄの弁体復帰期間ＰＳ中の状態に示すように、ソレノイド４０Ｓに対する弁体駆動電圧Ｖｄ５の印加が解消されてＶｄ＝０となり、弁体復元力Ｆｒにより弁体８が開弁状態ＯＳから矢印Ｒ方向に移動し、時点ｔ１１において、弁体８が閉弁状態ＣＳに復帰する。

なお、燃料ガスは、弁体８が開弁状態ＯＳにある時点ｔ３〜ｔ１０の間で、燃料タンクから燃料電池に供給される。

ところで、時点ｔ３〜ｔ１０の開弁保持期間ＨＳ中を含む、時点ｔ２〜ｔ１０の間では、ソレノイド４０Ｓに、十分に高い弁体駆動電圧Ｖｄ５に係る大電力が供給されているために、補機バッテリの電力の消費が大きい。補機バッテリの、例えば、公称値＋１２［Ｖ］のバッテリ電圧Ｖｂによる駆動力Ｆｓは、低電圧であり、弁体駆動電圧Ｖｄ５を発生させるためには、図示しない昇圧器により補機バッテリの出力電圧を昇圧することが必要である。

ところで、ソレノイド４０Ｓによる弁体８の開弁保持期間ＨＳ中の補機バッテリの消費電力は、電力節減（節電）の観点からできるだけ小さいことが好ましい。

図１２は、電磁遮断弁４０を含む電磁弁（この発明では、電磁遮断弁を対象としているので、以下電磁遮断弁という。）の可動範囲ＭＡに対する必要な電力Ｐｗの特性、いわゆる電力特性２００を示している。縦軸は、電力Ｐｗであり、横軸は、閉弁状態ＣＳにあるノーマルクローズ位置ＮＰからの弁体８の開弁状態ＯＳの保持位置ＨＰまでの移動距離ＭＤを示している。

電磁遮断弁４０は、安定状態として、閉弁状態ＣＳ又は開弁状態ＯＳのどちらかしか採ることができないが、電力特性２００から分かるように、プランジャ（可動鉄心）と一体的に動く弁体８の可動範囲ＭＡ中、弁体８が閉弁状態ＣＳのノーマルクローズ位置ＮＰになっていてソレノイド４０Ｓのヨーク４から最も離れている（図１１Ａ参照）駆動初期時に、弁体８を静止状態から移動状態に遷移させる大きな閾値電力Ｐｗｔｈ｛起動閾値電圧Ｖｄ４（図１０参照）に対応する。｝が必要とされる一方、弁体８の可動範囲ＭＡ中、弁体８が開弁状態ＯＳの保持位置ＨＰになっていてソレノイド４０Ｓのヨーク６に最も近づいている開弁保持期間ＨＳ中には、必要電力Ｐｗが最小電力Ｐｗｍｉｎになる。なお、上述した十分に高い弁体駆動電圧Ｖｄ５は、閾値電力Ｐｗｔｈを発生する起動閾値電圧Ｖｄ４に対して余裕分、換言すれば、許容誤差分高く設定している電圧である。

そこで、補機バッテリの節電の観点から、例えば、図１３に示すように、時点ｔ１〜ｔ３の間では、バッテリ電圧Ｖｂを最も昇圧した十分に高い弁体駆動電圧Ｖｄ５をソレノイド４０Ｓに印加するが、図１２に示した電力特性２００を考慮し、一旦開弁した後は、図１３に示す走行時の推定最大外力Ｆｅｍａｘに余裕を見た駆動力（最大外力対応力）Ｆｓ３をソレノイド４０Ｓに発生させる駆動電圧（最大外力対応開弁保持電圧）Ｖｄ３まで駆動電圧Ｖｄを低くすることが考えられる。

電力は、駆動電圧Ｖｄの自乗に比例するので、この場合、時点ｔ３〜時点ｔ１０の開弁保持期間ＨＳにおいて、図１０及び図１３を比較すれば、電圧差（Ｖｄ５−Ｖｄ３）の自乗に比例する電力が節減できることが分かる。

この発明はこのような課題・知見を考慮してなされたものであり、燃料電池車両の走行中等、電磁遮断弁の開弁保持期間中（燃料ガス供給中）に、電磁遮断弁の消費電力をさらに低減することを可能とする燃料電池自動車を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池車両は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料ガスを貯留する燃料タンクと、前記燃料タンクから前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料ガス供給路に挿入され、前記燃料ガスの供給を弁体復元力により遮断する閉弁状態にされるとともに、電力供給端子への電力供給によるソレノイド励磁により前記弁体復元力に抗って弁体が開放されて開弁状態になる電磁遮断弁と、前記電磁遮断弁の閉弁状態を検知する閉弁状態検知器と、当該燃料電池車両の補機バッテリと、前記補機バッテリと前記電磁遮断弁との間に接続される昇圧器と、前記昇圧器を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記電磁遮断弁が閉弁状態から開弁状態に遷移する第１の期間では、前記昇圧器を駆動することで前記補機バッテリの出力電圧を弁体駆動電圧まで昇圧して前記電力供給端子に印加する弁体駆動制御を行い、前記弁体駆動制御により前記電磁遮断弁が開弁状態に遷移した後、前記電力供給端子に供給する電力を遮断するまでの第２の期間では、前記第１の期間で前記電磁遮断弁に供給される電圧よりも低い開弁保持電圧を前記電力供給端子に印加する開弁保持制御を行い、前記開弁保持制御中に、前記閉弁状態検知器により前記電磁遮断弁の閉弁状態が検知されたときには、前記弁体駆動制御を行い、再度、前記開弁保持制御に移行させ、前記電磁遮断弁は、前記開弁保持電圧により発生する前記弁体の開弁保持力が、前記弁体が閉弁状態に復帰する方向の前記弁体復元力より大きく、当該燃料電池車両の走行時に前記弁体に閉弁方向にかかる推定最大外力よりも小さく設定されていることを特徴とする。

この発明によれば、電磁遮断弁が閉弁状態から開弁状態に遷移する第１の期間（弁体駆動期間中）では、昇圧器を駆動することで補機バッテリの出力電圧を弁体駆動電圧まで昇圧して電力供給端子に印加して、前記電磁遮断弁を開弁状態に遷移させ、開弁状態になった後、前記電力供給端子に供給する電力を遮断するまでの第２の期間（開弁保持期間中）では、発生頻度の低い推定最大外力あるいは推定最大外力近傍の外力がかかった場合には、閉弁状態に復帰することを許容する程度の開弁保持力を発生する開弁保持電圧を前記電磁遮断弁の前記電力供給端子に印加するように駆動電圧（印加電圧）を調整している。

そして、開弁保持期間中に、外力により閉弁状態に復帰した場合に、再度、昇圧器により補機バッテリの出力電圧を弁体駆動電圧まで昇圧して電磁遮断弁の弁体を開弁状態に移動させる。

この場合、前記補機バッテリの出力電圧を、前記開弁保持電圧に設定しておくことで、前記弁体を前記開弁状態に保持する前記開弁保持制御中には、昇圧器の昇圧動作を停止することができる。

さらに、前記燃料電池と前記補機バッテリとの間に接続され、前記燃料電池の高電圧を、前記開弁保持電圧に降圧する降圧コンバータを備えることで、前記補機バッテリの出力電圧が前記開弁保持電圧の設定であってもなくても、降圧コンバータから前記開弁保持電圧が印加された場合には、昇圧器の昇圧動作を停止することができる。

この場合において、前記制御器は、前記補機バッテリの出力電圧を監視し、前記補機バッテリの出力電圧が前記開弁保持電圧よりも低い電圧となったとき、前記弁体駆動制御を行った後、前記降圧コンバータから前記開弁保持電圧が印加されるまで、前記補機バッテリの出力電圧を前記昇圧器により前記開弁保持電圧の最小電圧まで昇圧させるようにすることで、補機バッテリが劣化等して出力電圧が低下した場合においても、電磁遮断弁の開弁状態を保持することができる。

この発明によれば、電磁遮断弁が閉弁状態から開弁状態に遷移する第１の期間（弁体駆動期間）では、昇圧器を駆動することで補機バッテリの出力電圧を弁体駆動電圧まで昇圧して電力供給端子に印加することで、前記電磁遮断弁を開弁状態に遷移させ、開弁状態になった後、前記電力供給端子に供給する電力を遮断するまでの第２の期間（開弁保持期間中）では、発生頻度の低い推定最大外力近傍の外力がかかった場合には、閉弁状態に復帰することを許容する程度の開弁保持力を発生する開弁保持電圧を前記電磁遮断弁の前記電力供給端子に印加するように駆動電圧（印加電圧）を調整しているので、電磁遮断弁の開弁保持期間中（燃料ガス供給中）において、電磁遮断弁の消費電力をさらに低減することができる。

この発明の一実施形態に係る燃料電池車両の概略構成図である。 昇圧器ＥＣＵの構成を示す回路ブロック図である。 ソレノイドの電流電圧特性図である。 第１実施例の動作説明に供されるフローチャートである。 補機バッテリのバッテリ電圧の設定又は電磁遮断弁の選択の仕方の説明図である。 第１実施例の動作説明に供されるタイムチャートである。 第２実施例の動作説明に供されるフローチャートである。 第２実施例の動作説明に供されるタイムチャートである。 図９Ａは、昇圧器の昇圧動作の回路説明図、図９Ｂは、昇圧器の非昇圧状態での開弁保持動作の回路説明図である。 従来技術に係る燃料電池車両の電磁遮断弁の弁体に付与される各種力の大きさを示すタイムチャートである。 図１１Ａは、一般的なノーマルクローズ型電磁遮断弁の閉弁状態の模式図、図１１Ｂは、ソレノイドに駆動電圧を印加した電磁遮断弁の駆動状態の模式図、図１１Ｃは、電磁遮断弁の開弁状態の模式図、図１１Ｄは、ソレノイドに対する駆動電圧の印加を解除したときの模式図である。 電磁遮断弁等の弁体の可動範囲に対する必要な電力を表す電力特性図である。 開弁保持期間中において、走行等により弁体に外力がかかった状態を説明するととともに、開弁保持期間中のソレノイド駆動電圧を低下させた状態の説明図である。

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。なお、以下に、参照する図面において、上記図１０〜図１３に示したものと対応するものには、同一の符号を付けてその詳細な説明は省略する。また、重複して説明することの煩雑さを避けるために、必要に応じて、上記図１０〜図１３を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池車両１０の概略構成図である。

この燃料電池車両１０は、基本的には、燃料電池（ＦＣ）１２と、高圧の燃料ガス（水素ガス）を貯留し前記燃料電池１２に燃料ガスを供給する燃料タンク１４と、燃料電池１２に酸化剤ガスを含む空気を供給するエアコンプレッサ１６と、各種補機に電力を供給する補機バッテリ１８と、燃料電池１２の高圧の出力電圧Ｖｆｃが供給されるインバータ２０を通じて駆動される走行用モータ２２とを備える。

走行用モータ２２の出力軸は、トランスミッション２４を通じて車輪２６に回転トルクを与えて回転させる。

燃料電池１２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１２には、水素ガスを供給するための水素供給口２８と、燃料電池１２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３０と、燃料電池１２に、空気を供給するための空気供給口３２と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池１２から排出するための空気排出口３４とが設けられている。

水素供給口２８には、燃料ガス供給路３６ａが連通される。

燃料タンク１４に連通する燃料ガス供給路３６ｅに電磁遮断弁である主遮断弁４０が設けられている。

主遮断弁４０と、水素供給口２８の燃料ガス供給路３６ａとの間には、燃料ガス供給路３６ｄ、出口圧力Ｐ２を調整するレギュレータ４２、燃料ガス供給路３６ｃ、電磁遮断弁である副遮断弁４４、燃料ガス供給路３６ｂ及びエゼクタ４６が設けられている。

燃料ガス供給路３６ｄ、３６ｃ、及び３６ｂには、それぞれ、出口圧力Ｐ１、出口圧力Ｐ２及び出口圧力Ｐ３を検知する圧力センサ４８ａ、４８ｂ、４８ｃが接続されている。

圧力センサ４８ａは主遮断弁４０の開弁状態を検知する開弁状態検知器として機能し、圧力センサ４８ｃは、副遮断弁４４の開弁状態検知器として機能する。なお、開弁状態検知器としては、主遮断弁４０（副遮断弁４４）の入出力口（入出力ポート）間の差圧を検知するようにしてもよい。

エゼクタ４６は、燃料ガス供給路３６ｂを通じて供給される燃料ガスを燃料ガス供給路３６ａ、水素供給口２８を通じて燃料電池１２に供給するとともに、燃料電池１２の水素排出口３０から排出されるオフガスを水素排出口３０に連通する水素循環流路４８から吸引して燃料電池１２に再供給する。

水素循環流路４８には、燃料電池１２のアノード電極経路に溜まった水やカソード電極から電解質膜を透過してアノード電極経路に混入した窒素ガスを含む燃料ガスを、水素パージ流路５０を介して排出して発電安定性を確保するために発電運転時に適宜開放される水素パージ弁５２が設けられる。

一方、空気供給口３２には、酸化剤ガス供給路（空気供給路）５４が連通され、この酸化剤ガス供給路５４には、大気からの空気を圧縮して供給する前記エアコンプレッサ１６が設けられる。

空気排出口３４は、空気排出路５６に連通している。

燃料電池１２の発電出力は、ダイオード５８、電磁リレー６０を通じて前記インバータ２０に供給されるとともに、降圧コンバータ（ダウンバータともいう。）６２に供給される。降圧コンバータ６２は、発電電圧Ｖｆｃ又は走行用モータ２２の回生電力に基づくインバータ２０の直流側に現れる電圧を所定の（補機バッテリ１８が劣化していないときの）のバッテリ電圧Ｖｂに降圧する。発電電圧Ｖｆｃとバッテリ電圧Ｖｂは、それぞれ電圧センサ６４、６６により検知される。

補機バッテリ１８は、バッテリ電圧Ｖｂを発生する。バッテリ電圧Ｖｂは、定電圧レギュレータであるＥＣＵ電圧発生器６８を介してバッテリ電圧Ｖｂより低い定電圧Ｖｃｃにされる（Ｖｃｃ＜Ｖｂ＜＜Ｖｆｃ）。定電圧Ｖｃｃは、主ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７０や昇圧器ＥＣＵ７２の制御器７６の電源電圧とされる。バッテリ電圧Ｖｂは、後述するように、昇圧器ＥＣＵ７２を構成する昇圧器７４の電源電圧とされる。

燃料電池車両１０は、制御装置として、相互に通信する前記主ＥＣＵ７０と、前記昇圧器ＥＣＵ７２とを備える。

主ＥＣＵ７０は、基本的には、イグニッションスイッチ７３からオン信号を受けて、燃料電池１２を起動して発電させ、発電電力により燃料電池車両１０を走行させる制御を行うとともに、イグニッションスイッチ７３からオフ信号を受けて、燃料電池１２の発電を停止させ、燃料電池車両１０を停止させる制御を行う。

図２は、昇圧器ＥＣＵ７２の基本構成を示している。昇圧器ＥＣＵ７２は、基本的には、昇圧器７４と、制御器７６と、規定時間ｔｒ等を計時する計時器７７とから構成される。

昇圧器７４は、チョッパ型の昇圧コンバータであり、リアクトル７８と整流ダイオードと平滑コンデンサ８２と、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ８４とを備える。

バッテリ電圧Ｖｂが昇圧器７４によって所定電圧である駆動電圧Ｖｄに昇圧され、昇圧された駆動電圧Ｖｄが、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ（メインスイッチという。）８６を通じて主遮断弁４０のソレノイド４０Ｓの電力供給端子３８、３９に印加される。

半導体スイッチ８４及びメインスイッチ８６は、制御器７６から出力される駆動信号Ｓａ、Ｓｂによりそれぞれオンオフ制御される。

制御器７６及び主ＥＣＵ７０は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、計時器（タイマ）、その他の駆動回路等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部、たとえば制御部、演算部、処理部等として機能する。

この実施形態において、主ＥＣＵ７０と昇圧器ＥＣＵ７２とは、検知された各種データを相互に共有している。

実際上、昇圧器ＥＣＵ７２は、主遮断弁４０の他、副遮断弁４４のソレノイド４４Ｓ及び電磁リレー６０のソレノイド６０Ｓにも、バッテリ電圧Ｖｂを昇圧した昇圧電圧を駆動電圧Ｖｄとして印加するが、その際の昇圧器７４の構成、動作は、図２に示した昇圧器７４と同一であるので、回路構成及び動作説明の詳細は省略する。

図３に示すように、ソレノイド４０ｓ、４４ｓ、６０ｓの電流電圧特性４０ｓｃ、４４ｓｃ、６０ｓｃは、それぞれ異なるが、駆動の仕方は、電力特性ＰＷ１、ＰＷ２、ＰＷ３（ＰＷ１＜ＰＷ２＜ＰＷ３）をパラメータとして駆動される。駆動電圧Ｖｄにより電流電圧特性４０ｓｃ、４４ｓｃ、６０ｓｃを参照して駆動電流Ｉｄが決定され、決定された駆動電流Ｉｄによりプランジャに印加される駆動力（電磁力）が決定される。

基本的には、以上のように構成される燃料電池車両１０について、以下、電磁遮断弁である主遮断弁４０の節電制御についての第１実施例及び第２実施例について説明する。

第１実施例は、図４のフローチャートと図５、図６のタイムチャートを参照して説明し、第２実施例は、図７のフローチャートと図５、図８のタイムチャートを参照して説明する。

なお、図４のフローチャートを参照して説明する第１実施例は、補機バッテリ１８が劣化していないときの主遮断弁４０の駆動制御であり、図７のフローチャートを参照して説明する第２実施例は、補機バッテリ１８が劣化して内部抵抗が増加し同一の出力電流において補機バッテリ１８が劣化していないときのバッテリ電圧Ｖｂに対してバッテリ電圧Ｖｂが低下しているときの主遮断弁４０の駆動制御である。

図７のフローチャートでは、ステップＳ１２の降圧コンバータ制御処理が、図４のフローチャートに対して追加されている点で異なる。

第１実施例及び第２実施例のフローチャートを参照した説明に先立ち、好ましい主遮断弁４０の選択（設定）について説明する。

図５のタイムチャートは、主遮断弁４０の設定を説明するためのものであり、補機バッテリ１８が劣化していないバッテリ電圧Ｖｂを昇圧しないときの当該バッテリ電圧Ｖｂに基づきソレノイド４０Ｓに発生される開弁保持力Ｆｓ２が、頻度の低い大きな外力である推定最大外力Ｆｅｍａｘ程度の外力Ｆｅがかかった場合には、時点ｔ５〜時点ｔ５´に示すように、主遮断弁４０の弁体８が図１１Ａに示した閉弁状態ＣＳに復帰することを許容する設定とする。ただし、図５の時点ｔ５´以降の弁体復元力Ｆｒに示すように、主遮断弁４０が閉弁状態ＣＳに留まったままであると、燃料電池１２に燃料ガスが供給されない状態となるので、以下に、この供給されない状態が継続する状態を直ちに解消して開弁状態ＯＣとし、燃料ガスが燃料電池１２に供給されるようにする制御処理を含む第１実施例の動作について、図６のタイムチャートを参照して説明する。なお、燃料電池１２は、燃料タンク１４から燃料ガス供給路３６を通じて供給される燃料ガスが瞬断されても、燃料電池１２内のアノード電極のガス流路には、燃料ガスが貯留しているので、発電は連続的に行われる。

上述の開弁保持力Ｆｓ２を発生する昇圧しないバッテリ電圧Ｖｂを開弁保持電圧Ｖｄ２という。

［第１実施例］
そこで、図６のノーマルクローズ状態ＮＳの時点ｔ１において、主ＥＣＵ７０が、イグニッションスイッチ７３がオフからオンにされたことを検知すると、イグニッションスイッチ７３がオンにされたことが主ＥＣＵ７０から昇圧器ＥＣＵ７２の制御器７６に伝達される。

このとき、ステップＳ１において、制御器７６は、主遮断弁４０の出口圧力Ｐ１を、圧力センサ４８ａを通じて検知し、出口圧力Ｐ１が閾値圧力Ｐｔｈより小さいかどうかを判断する。出口圧力Ｐ１が閾値圧力Ｐｔｈより小さい場合には、主遮断弁４０が閉弁状態ＣＳにあると判断し、ステップＳ２以降の開弁処理を実行する。

この場合、まず、ステップＳ２において、制御器７６は、ハイレベルの駆動信号Ｓｂによりメインスイッチ８６を閉じる（メインスイッチ８６をオンにする。）。

次に、ステップＳ３において、制御器７６は、ソレノイド４０Ｓに、図９Ａに示すように、オンオフ（ハイレベルとρレベルの）繰り返し信号となる駆動信号Ｓａを供給する。なお、デューティ｛オン時間／（オン時間＋オフ時間）｝は、電圧センサ６６により検知されるバッテリ電圧Ｖｂを弁体駆動電圧Ｖｄ５まで昇圧するデューティに設定される弁体駆動制御が実行される。

この場合、昇圧器７４は、半導体スイッチ８４をオンとすることで、リアクトル７８にバッテリ電圧Ｖｂから接地に向かう電流が流れ、この電流によりリアクトル７８にエネルギが蓄積される。このエネルギ蓄積状態では、整流ダイオード８０はオフとなっており、平滑コンデンサ８２からメインスイッチ８６を通り負荷であるソレノイド４０Ｓに電流が流れる。半導体スイッチ８４をオフとすることで、リアクトル７８に蓄積されたエネルギが逆起電力（電圧をＶｉとする。）の形で放出され、整流ダイオード８０がオンとなり、平滑コンデンサ８２を充電すると同時に、負荷であるソレノイド４０Ｓに電流として供給される。ソレノイド４０Ｓにかかる弁体駆動電圧Ｖｄ５は、Ｖｄ５＝Ｖｂ＋Ｖｉ−Ｖｆ（Ｖｆは整流ダイオード８０の順方向電圧）となる。

この弁体駆動電圧Ｖｄ５により、図１１Ａに示す弁体８の閉弁状態ＣＳから、図１１Ｂに示すように、ソレノイド４０Ｓのコイル２に電流が流れ、図６の時点ｔ２において、ソレノイド４０Ｓに発生する駆動力が起動閾値力Ｆｓ４を上回ると、ブランジャと一体になっている弁体８が矢印Ｑ方向に移動を開始し、ノーマルクローズ状態ＮＳから弁体駆動期間ＤＳ中の状態になる。これにより、弁体８が開弁状態ＯＳの保持位置ＨＰ（図１２参照）に向かい燃料タンク１４から燃料電池１２に対して燃料ガスが供給される。

なお、イグニッションスイッチ７３がオンにされた時点で、規定時間ｔｒを計時する計時器７７が計時を開始するとともに、レギュレータ４２の出口圧力Ｐ２が設定され、副遮断弁４４が開弁状態とされる。副遮断弁４４は、主遮断弁４０に比較して入出力圧力差が小さいので弁体復元力の小さい電磁弁が使用され主遮断弁４０よりも先に開弁する。さらに、エアコンプレッサ１６もイグニッションスイッチ７３がオンにされた時点で動作を開始する。

次いで、昇圧中のステップＳ４において、主遮断弁４０の下流側の圧力センサ４８ａによる出口圧力Ｐ１が、閾値圧力Ｐｔｈに上昇したかどうかが確認される。閾値圧力Ｐｔｈになっていなかった場合には、ステップＳ５において、イグニッションスイッチ７３がオンとされた時点から規定時間ｔｒが経過したかどうかが判断される。換言すれば、昇圧中のステップＳ４において、主遮断弁４０の下流側の圧力センサ４８ａによる出口圧力Ｐ１が、燃料タンク１４から燃料ガスが供給されるのに応じて、計時器７７により計時される時間が規定時間ｔｒ以内（ステップＳ５の判断）に閾値圧力Ｐｔｈに上昇したかどうかが確認される。なお、閾値圧力Ｐｔｈまで規定時間ｔｒ以内に上昇しなかった場合には、ステップＳ６において、警告（燃料タンク１４の燃料ガスが過少又は主遮断弁４０の動作不良等）がなされる。

規定時間ｔｒ以内に圧力Ｐ１が閾値圧力Ｐｔｈ（Ｐ１＝Ｐｔｈ）に到達した場合、正常に主遮断弁４０が開弁したと判断し、ステップＳ７において、制御器７６から出力される駆動信号Ｓａをオンオフ繰り返し信号から、図９Ｂに示す、オフ信号（Ｓａ＝０＝ＯＦＦ）にして、半導体スイッチ８４をオフ状態に保持する。これにより、昇圧器７４による昇圧が解除される。

この場合、昇圧器７４は、図９Ｂに示すように、メインスイッチ８６が閉状態となっており、上述したように、半導体スイッチ８４は、オフ状態（開状態）になっている。

この場合、図６の時点ｔ３に示すように、主遮断弁４０のソレノイド４０Ｓにバッテリ電圧Ｖｂに応じた開弁保持力Ｆｓ２が発生されている。

ステップＳ７（時点ｔ３）以降の弁体駆動期間ＤＳ中において、燃料電池１２が発電を開始した後、燃料電池車両１０は、走行可能状態とされる。

主ＥＣＵ７０は、図示しないアクセルペダル等の操作に応じて、インバータ２０を駆動し、燃料電池１２で発電された電力を、走行用モータ２２に伝達することで、燃料電池車両１０が走行する。

次いで、時点ｔ３以降のステップＳ８において、圧力Ｐ１が異常低下閾値圧力Ｐａｔｈ（０≦Ｐａｔｈ＜＜Ｐｔｈ）になったかどうか（Ｐ１＜Ｐａｔｈ）が監視される。

このステップＳ８の監視判断は、例えば、時点ｔ４から燃料電池車両１０の走行加速度の変化に応じて主遮断弁４０の弁体８に外力Ｆｅが加わり、弁体復元力Ｆｒと外力Ｆｅとの合成力Ｆｒ＋Ｆｅが、頻度の少ない推定最大外力Ｆｅｍａｘの発生により、駆動力（開弁保持力）Ｆｓ２を上回ったとき（時点ｔ５参照）、弁体８が開弁状態ＯＳから閉弁状態ＣＳになった場合に、出口圧力Ｐ１が異常低下閾値圧力Ｐａｔｈを下回り、肯定的となる。

そこで、時点ｔ５＋αの時点で、再び、ステップＳ３にもどり、昇圧器７４を用いた昇圧処理が開始され、弁体８を閉弁状態Ｃから再び開弁状態ＯＳにする（ステップＳ４：肯定）。

このようにして、第１実施例に係る補機バッテリ１８が劣化していないときの主遮断弁４０の駆動制御処理が継続され、イグニッションスイッチ７３がオンからオフにされた時点ｔ１０において、メインスイッチ８６が開状態（オフ）とされて、制御処理が終了し、主遮断弁４０は、保持期間ＨＳ中の状態から復帰期間ＲＳ中の状態を通じてノーマルクローズ状態ＮＳになる。

その時点ｔ１０において、レギュレータ４２の設定も解除され、副遮断弁４４も閉状態（ノーマルクローズ状態）にされる。

なお、時点ｔ１１以降、直ぐに、イグニッションスイッチ７３がオフからオンにもどされた場合には、再度ステップＳ１において、出口圧力Ｐ１が閾値圧力Ｐｔｈより小さいかどうかが判断されるが、圧力が残っていて、ステップＳ１の判断は肯定的とされる場合がある。

この場合には、ステップＳ９において、再びメインスイッチ８６が閉状態とされ、さらに、ステップＳ１０において、バッテリ電圧Ｖｂを弁体駆動電圧Ｖｄ５まで昇圧する昇圧制御を開始し、この昇圧制御の時間が、ステップＳ１１の判断により規定時間ｔｒに到達したときに、主遮断弁４０は、開弁状態ＯＳに戻ったものとみなされて、ステップＳ７の昇圧解除処理がなされ、時点ｔ３以降と同様の、開弁状態ＯＳの保持期間ＨＳ中の状態に遷移する。

以上説明したように、第１実施例によれば、制御器７６は、主遮断弁４０が閉弁状態ＣＳから開弁状態ＯＳに遷移する第１の期間（例えば、図６の時点ｔ１〜時点ｔ３）では、昇圧器７４を駆動することで補機バッテリ１８の電圧Ｖｂを弁体駆動電圧Ｖｄ５まで昇圧して電力供給端子３８、３９に印加する弁体駆動制御を行い、前記弁体駆動制御により主遮断弁４０が開弁状態ＯＳに遷移した後、電力供給端子３８、３９に供給する電力を遮断するまでの第２の期間（例えば、図６の時点ｔ３〜時点ｔ１０）では、前記第１の期間で主遮断弁４０に供給される弁体駆動電圧Ｖｄ５よりも低い開弁保持電圧Ｖｄ２（開弁保持電圧Ｖｄ２は、この実施形態のように昇圧器７２により昇圧しないバッテリ電圧Ｖｂとすることが節電の観点からより好ましいが、昇圧した電圧としても一定の節電効果が得られる。）を電力供給端子３８、３９に印加する開弁保持制御を行い、前記開弁保持制御中に、圧力センサ４８ａにより主遮断弁４０の閉弁状態ＣＳとみなされる状態が検知されたときには（図６の時点ｔ５近傍）、前記弁体駆動制御を行い、再度、前記開弁保持制御に移行させる。

この場合において、主遮断弁４０に対する駆動力Ｆｓは、開弁保持電圧Ｖｄ２（補機バッテリ１８が劣化していないときのバッテリ電圧Ｖｂを昇圧しない当該バッテリ電圧Ｖｂ）により発生する弁体８の開弁保持力Ｆｓ２が、弁体８が閉弁状態ＣＳに復帰する方向の弁体復元力Ｆｒより大きく、燃料電池車両１０の走行時に弁体８に閉弁方向にかかる推定最大外力Ｆｅｍａｘよりも小さく設定されている。

このように、主遮断弁４０が閉弁状態ＣＳから開弁状態ＯＳに遷移する第１の期間（弁体駆動期間ＤＳ中）では、昇圧器７４を駆動することで補機バッテリ１８の電圧＋１２［Ｖ］を弁体駆動電圧Ｖｄ５まで昇圧して電力供給端子３８、３９に印加して、主遮断弁４０を開弁状態ＯＳに遷移させ、開弁状態ＯＳになった後、電力供給端子３８、３９に供給する電力を遮断するまでの第２の期間（開弁保持期間ＨＳ中）では、発生頻度の低い推定最大外力Ｆｅｍａｘ近傍の外力Ｆｅがかかった場合には、閉弁状態ＣＳに復帰することを許容する程度の開弁保持力Ｆｓ２を発生する開弁保持電圧Ｖｄ２＝Ｖｂを主遮断弁４０の電力供給端子３８、３９に印加するように駆動電圧（印加電圧）Ｖｄを調整している。

そして、開弁保持期間ＨＳ中に、外力Ｆｅにより閉弁状態ＣＳに復帰した場合に、再度、昇圧器７４により補機バッテリ１８のバッテリ電圧Ｖｂを弁体駆動電圧Ｖｄ５まで昇圧して主遮断弁４０の弁体８を開弁状態ＯＳに移動させる。

このように制御することにより、弁体駆動期間ＤＳ中のバッテリ電圧Ｖｂの昇圧により弁体８の閉弁状態ＣＳから開弁状態ＯＳまでの弁体駆動期間が短くなり、かつ外力Ｆｅによる弁体復帰時ＲＳ（図６の時点ｔ５〜ｔ５´）にも燃料電池１２への燃料ガスの供給を迅速に再開できるので燃料電池１２の発電作用に影響を与えることがない。

そして、開弁保持期間Ｈｓ中の主遮断弁４０の消費電力は、駆動電圧Ｖｄが、図１３を参照して説明した最大外力対応開弁保持電圧Ｖｄ３から図６に示す開弁保持電圧Ｖｄ２に低下させたので、燃料電池車両１０のイグニッションスイッチ７３がオンとなっている走行時における主遮断弁４０の開弁状態ＯＳの全期間でハッチング領域で示す節減消費電力ΔＥｅ分消費電力を低下させることができる。

この実施形態では、補機バッテリ１８の出力電圧Ｖｂを、開弁保持電圧Ｖｄ２に設定しているので、弁体８を開弁状態ＯＳに保持する開弁保持制御中ＨＳには、昇圧器７４の昇圧動作を停止することができ、昇圧器７４が作動しない分消費電力をさらに低減することができる。

［第２実施例］
次に、第２実施例について、図７のフローチャートと、図５、図８のタイムチャートを参照して説明する。上述したように、第２実施例は、補機バッテリ１８が劣化して内部抵抗が増加し、同一の出力電流においてバッテリ電圧Ｖｂが低下しているときの主遮断弁４０の制御である。図７のフローチャートでは、ステップＳ１２の降圧コンバータ制御処理が、図４のフローチャートに対して追加されている点で異なっている。以下、追加されている部分を主に説明する。

補機バッテリ１８が劣化すると、内部抵抗が大きくなり、同一の電流を流しだしても、バッテリ電圧Ｖｂが劣化していないときのバッテリ電圧Ｖｂよりも低下する。そこで、降圧コンバータ６２の低圧側（補機バッテリ１８側）の設定電圧は、補機バッテリ１８が劣化していない状態でのバッテリ電圧Ｖｂに設定しておく。

図７のステップＳ３での昇圧を開始し、ステップＳ４での開弁状態ＯＳの確認後の図８の時点ｔ３において、ステップＳ１２ａで、降圧コンバータ６２の制御を行う。この場合、電圧センサ６６により検知されるバッテリ電圧Ｖｂが、図８に示す開弁保持力Ｆｓ２を発生可能な開弁保持電圧Ｖｄ２よりも高くなっているかどうかを判断し（Ｖｂ＞Ｖｄ２）、低くなっている場合には、ステップＳ１２ｂで補機バッテリ１８のバッテリ電圧Ｖｂを昇圧器７４により開弁保持最小電圧Ｖｄ２ｍｉｎまで昇圧して（昇圧器７４の消費電力は若干増加するが、開弁保持電圧Ｖｄ２まで昇圧してもよい。）、主遮断弁４０の電力供給端子３８、３９に供給する。

そして、図８の時点ｔ３以降において、燃料電池１２における発電が開始し、時点ｔ３´で降圧コンバータ６２が動作を開始すると、その時点ｔ３´において、電圧センサ６６により検知しているバッテリ電圧Ｖｂが、開弁保持電圧Ｖｄ２まで上昇し、ステップＳ１２ａの判断が肯定的となり（Ｖｂ≧Ｖｄ２）、ステップＳ７にもどり、昇圧器７４によるバッテリ電圧Ｖｂを開弁保持最小電圧Ｖｄ２ｍｉｎまで昇圧する昇圧動作を解除する。

以降、時点ｔ３´〜時点ｔ１０の間では、降圧コンバータ６２によりバッテリ電圧Ｖｂが閾値電圧Ｖｔｈに保持される。この第２実施例においても、図８の時点ｔ５〜時点ｔ６に示すように、頻度の少ない大きな外力Ｆｅにより主遮断弁４０が閉弁状態ＣＳに復帰したとしても（ステップＳ８：肯定）、時点ｔ５＋αの時点で、再び、ステップＳ３の昇圧器７４を用いた弁体駆動電圧Ｖｄ５までの昇圧処理が開始され、弁体８が閉弁状態Ｃから再び開弁状態ＯＳにされる（ステップＳ４：肯定）。

以上説明したように、上述した第２実施例によれば、燃料電池１２と補機バッテリ１８との間に接続され、燃料電池１２の高電圧Ｖｆｃを、開弁保持電圧Ｖｄ２に降圧する降圧コンバータ６２を備えているので、補機バッテリ１８の出力電圧であるバッテリ電圧Ｖｂが、劣化して低下している等により開弁保持電圧Ｖ２の設定電圧になっていなくても、イグニッションスイッチ７３のオン時に昇圧器７４により弁体駆動電圧Ｖｄ５まで昇圧して主遮断弁４０を開弁状態ＯＳにして燃料電池１２に燃料ガスを供給した後、燃料電池１２が実際に発電を開始して発電電圧Ｖｆｃを発生する迄の間、必要に応じて昇圧器７４により現在のバッテリ電圧Ｖｂを開弁保持最小電圧Ｖｄ２ｍｉｎまで昇圧して開弁状態ＯＳを保持し、その後、発電電圧Ｖｆｃが発生され降圧コンバータ６２から開弁保持電圧Ｖｄ２が印加されたときに、昇圧器７４の昇圧動作を停止することができる。

すなわち、制御器７６は、補機バッテリ１８の出力電圧であるバッテリ電圧Ｖｂを監視し、バッテリ電圧Ｖｂが開弁保持電圧Ｖｄ２よりも低い電圧となっている場合に、イグニッションスイッチ７３がオンとされたとき、前記弁体駆動制御を行った後、降圧コンバータ６２から開弁保持電圧Ｖｔｈが印加されるまで、バッテリ電圧Ｖｂを昇圧器７４により開弁保持電圧Ｖｄ２の最小値である最小開弁保持電圧Ｖｄ２ｈｍｉｎまで昇圧させるように制御することで、補機バッテリ１８が劣化等してバッテリ電圧Ｖｂが低下している場合においても、一旦開弁した主遮断弁４０の開弁状態ＯＳを保持することができる。

なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、上述した主遮断弁４０に適用することの他、例えば、副遮断弁４４あるいは電磁リレー６０に適用する等、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

２…コイル ４…ヨーク
８…弁体 １０…燃料電池車両
１２…燃料電池 １４…燃料タンク
１８…補機バッテリ
３６、３６ａ〜３６ｅ…燃料ガス供給路 ３８、３９…電力供給端子
４０…主遮断弁（電磁遮断弁） ４０Ｓ、４４Ｓ、６０Ｓ…ソレノイド
４４…副遮断弁 ４８ａ〜４８ｃ…圧力センサ
６０…電磁リレー ６２…降圧コンバータ
６４、６６…電圧センサ ７３…イグニッションスイッチ
７４…昇圧器 ７６…制御器

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料ガスを貯留する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路に挿入され、前記燃料ガスの供給を弁体復元力により遮断する閉弁状態にされるとともに、電力供給端子への電力供給によるソレノイド励磁により前記弁体復元力に抗って弁体が開放されて開弁状態になる電磁遮断弁と、
   前記電磁遮断弁の閉弁状態を検知する閉弁状態検知器と、
   当該燃料電池車両の補機バッテリと、
   前記補機バッテリと前記電磁遮断弁との間に接続される昇圧器と、
   前記昇圧器を制御する制御器と、
   を備え、
   前記制御器は、
   前記電磁遮断弁が閉弁状態から開弁状態に遷移する第１の期間では、前記昇圧器を駆動することで前記補機バッテリの出力電圧を弁体駆動電圧まで昇圧して前記電力供給端子に印加する弁体駆動制御を行い、
   前記弁体駆動制御により前記電磁遮断弁が開弁状態に遷移した後、前記電力供給端子に供給する電力を遮断するまでの第２の期間では、前記第１の期間で前記電磁遮断弁に供給される電圧よりも低い開弁保持電圧を前記電力供給端子に印加して維持する開弁保持制御を行い、
   前記開弁保持制御中に、前記閉弁状態検知器により前記電磁遮断弁の閉弁状態が検知されたときには、前記昇圧器を駆動することで前記補機バッテリの出力電圧を前記弁体駆動電圧まで昇圧して前記電力供給端子に印加する前記弁体駆動制御を行った後、再度、前記開弁保持電圧に降圧し該開弁保持電圧を維持する前記開弁保持制御に移行させ、
   前記電磁遮断弁は、
   前記開弁保持電圧により発生する前記弁体の開弁保持力が、前記弁体が閉弁状態に復帰する方向の前記弁体復元力より大きく、当該燃料電池車両の走行時に走行加速度の変化に応じて前記弁体に閉弁方向にかかる推定最大外力よりも小さく設定されている
   ことを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１記載の燃料電池車両において、
   前記補機バッテリの出力電圧が、前記開弁保持電圧に設定されている
   ことを特徴とする燃料電池車両。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池車両において、
   さらに、前記燃料電池と前記補機バッテリとの間に接続され、前記燃料電池の高電圧を、前記開弁保持電圧に降圧する降圧コンバータを備える
   ことを特徴とする燃料電池車両。
4. 請求項３に記載の燃料電池車両において、
   前記制御器は、
   前記補機バッテリの出力電圧を監視し、
   前記補機バッテリの出力電圧が前記開弁保持電圧よりも低い電圧となったとき、前記弁体駆動制御を行った後、前記降圧コンバータから前記開弁保持電圧が印加されるまで、前記補機バッテリの出力電圧を前記昇圧器により前記開弁保持電圧の最小電圧まで昇圧させる
   ことを特徴とする燃料電池車両。

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