JP5880009B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムは、燃料電池に対して水素等の燃料ガス及び空気等の酸化剤ガスを供給し、これらの電気化学反応により生じた電力を駆動モータ等の負荷に供給する発電システムである。燃料電池に対する燃料ガスの供給は、燃料タンク等の燃料供給源と燃料電池とを配管で接続し、かかる配管を通じて行われる。

燃料電池に供給される燃料ガスの必要流量は、燃料電池が発電する電力に応じて変化する。効率の良い発電を行うためには、負荷の要求電力が大きい場合には燃料電池に供給する燃料ガスの流量を多くし、逆に、負荷の要求電力が小さい場合には燃料電池に供給する燃料ガスの流量を少なくすることが望ましい。このため、燃料供給源と燃料電池とを接続する上記配管には、燃料ガスの流量を調整するための流量調整手段が配置される。

このような流量調整手段としては、インジェクタが一般に用いられている。インジェクタとは電磁駆動式の開閉弁であって、電流が供給されると弁体が弁座から離隔して流路を開状態とする一方、電流の供給が停止されれば弁体が弁座に当接して流路を閉状態とするものである。このようなインジェクタを用いた燃料電池システムにおいては、インジェクタの弁体に対し、弁座からの離間及び弁座への当接を所定の周期で繰り返すような開閉駆動を行うことで、燃料ガスの供給が行われる。インジェクタを通過する燃料ガスの流量は、上記周期を適宜変更することにより調整される。

インジェクタを閉状態から開状態とする際には、弁体を電磁力により移動させるための電流をインジェクタに対し供給する必要がある。また、弁体が移動してインジェクタが開状態となった後でも、かかる開状態を維持するために、インジェクタに対する電流の供給を継続する必要がある。

インジェクタを閉状態から開状態にするために必要な電流は、インジェクタを開状態に維持するために必要な電流よりも大きい。従って、インジェクタを開状態とする際には、まず比較的大きな電流（突入電流）を短時間供給して弁体を開状態の位置に移動させ、その後は比較的小さな電流（保持電流）を供給して弁体を開状態の位置に保持することが行われる。突入電流と保持電流とを切り換えることによって、インジェクタの動作に要する電力を低減することができる。

このため、インジェクタに電流を供給しその動作を制御するための制御部は、比較的大きな電流である突入電流と、突入電流より小さい電流である保持電流とからなる二種類の電流を、適宜切り替えてインジェクタに供給する必要がある。このように、大きさの異なる電流を供給するための制御部の構成としては、以下のような二つの構成が考えられる。

第一の構成（以下、チョッパ制御構成と呼ぶ）では、バッテリ等の電源からインジェクタに電流を供給する回路上に、スイッチ等で切り換え可能な二つの電流経路を互いに並列に備える。一方の電流経路には、スイッチング素子と、当該電流経路を流れる電流の大きさを検出するための電流検出部を備える。

このチョッパ制御構成においては、突入電流を供給する際は、スイッチング素子が配置されていない方の電流経路にスイッチ等を切り替え、電源からインジェクタに対し大きな突入電流を供給する。

一方、保持電流を供給する際は、スイッチング素子が配置されている方の電流経路にスイッチ等を切り替え、電流検出部が検出した電流が所定の大きさとなるように、適切な周期によりスイッチング素子の開閉動作を高速で繰り返す、所謂チョッパ制御を行う。このような制御を行うことにより、電源からインジェクタに対し比較的小さな保持電流が供給される。

第二の構成（以下、分圧抵抗構成と呼ぶ）では、バッテリ等の電源からインジェクタに電流を供給する回路上に、スイッチ等で切り換え可能な二つの電流経路を互いに並列に備える。この点は上記のチョッパ制御構成と同様であるが、本構成では、一方の電流経路に、スイッチング素子ではなく分圧抵抗を備えている点が異なっている。

この分圧抵抗構成においては、突入電流を供給する際は、分圧抵抗が配置されていない方の電流経路にスイッチ等を切り替え、電源からインジェクタに対し大きな突入電流を供給する。

一方、保持電流を供給する際は、分圧抵抗が配置されている方の電流経路にスイッチ等を切り替え、この電流経路を通じてインジェクタに電流を供給する。インジェクタに保持電流を供給する回路は、インジェクタと分圧抵抗とが直列に接続された回路となるために、回路全体の抵抗が大きくなる。その結果、電源からインジェクタに対し比較的小さな保持電流が供給される。

下記特許文献１には、燃料供給源である燃料ガスタンクから燃料電池に燃料ガスを供給する流路に、互いに並列に配置された複数のインジェクタを備えた燃料電池システムが記載されている。このような構成とすることによって、例えば、弁体の開閉駆動を行って燃料ガスを通過させるインジェクタの本数を、要求電力に基づいて適宜変更するような制御を行い、燃料電池に対する燃料ガスの供給量を広い範囲で調整することが可能となっている。従って、下記特許文献１に記載されたような構成の燃料電池システムにおいては、複数のインジェクタの動作を個別に制御するために、複数のインジェクタに対して上記のような制御部をそれぞれ設ける必要がある。

特開２０１０−０５４０３５号公報

ここで、複数のインジェクタに対して設けられる複数の制御部を上記のようなチョッパ制御構成のものとした場合、以下のような問題が生じる。チョッパ制御構成は、スイッチング素子の高速な開閉動作によってインジェクタに供給する保持電流を制御するものであるが、保持電流にはスイッチング素子の開閉動作による脈動が生じてしまうため、これを除去するためのノイズフィルタ回路を設ける必要がある。ノイズフィルタ回路は、コンデンサ等の多数の部品により構成されるため、制御部が大型化してしまう。

インジェクタの個数に応じた複数の制御部により制御装置を構成した場合、上記のような大型化の影響が積算されるため、燃料電池システムにおいて制御装置が占める体積は巨大なものとなってしまう。また、スイッチング素子は動作時に発熱するため、放熱機構を設ける必要があるが、放熱機構を設けることによって更に制御装置が大型化することとなる。これらに加えて、部品点数の増加に伴いコストが増加するという問題も生じる。

そこで、複数のインジェクタに対して設けられる複数の制御部を、チョッパ制御構成ではなく分圧抵抗構成とすることが考えられる。しかし、上記のように、分圧抵抗構成は分圧抵抗によって回路の抵抗を増加させ、インジェクタに小さな保持電流を供給するものであるから、分圧抵抗を電流が通過することによる無駄なエネルギー消費を伴うものである。このため、インジェクタが開状態となっている間、常に無駄なエネルギー消費が生じることとなる。更に、このような無駄なエネルギー消費は複数の制御部それぞれにおいて生じるため、燃料電池システム全体では無視できないエネルギー消費となり、燃料の利用効率を著しく悪化させてしまうこととなる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御装置の大型化を抑え、且つ消費電力の増加を抑制しながら、複数のインジェクタの動作を制御することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて、当該燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する流路である第一燃料流路と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する流路であって、前記第一燃料流路とは並列に配置された第二燃料流路と、電流の供給を受けて駆動され、前記第一燃料流路の開状態と閉状態とを切り換える第一インジェクタと、電流の供給を受けて駆動され、前記第二燃料流路の開状態と閉状態とを切り換える第二インジェクタと、前記第一インジェクタに供給される第一電流の大きさを第一所定値とすることで、前記第一燃料流路を開状態に維持する第一制御部と、前記第二インジェクタに供給される第二電流の大きさを第二所定値とすることで、前記第二燃料流路を開状態に維持する第二制御部と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記第一制御部は、前記第一電流の供給源である第一電源部と、前記第一電源部から前記第一インジェクタに前記第一電流を供給するための回路であって、当該回路の開閉を切り替える第一スイッチ部を有する第一回路と、を有し、前記第一スイッチ部の開閉動作を高速で繰り返すチョッパ制御を行うことにより、前記第一電流の大きさを前記第一所定値とするものである一方、前記第二制御部は、前記第二電流の供給源である第二電源部と、前記第二電源部から前記第二インジェクタに前記第二電流を供給するための回路であって、当該回路の開閉を切り替える第二スイッチ部と当該回路において前記第二インジェクタと直列に接続された分圧抵抗とを有する第二回路と、を有し、前記第二スイッチ部を閉じて前記第二回路を閉状態とすることによって、前記第二電流の大きさを前記第二所定値とするものであることを特徴としている。

本発明では、互いに並列に配置された燃料ガスの流路である第一燃料流路、及び第二燃料流路を備えており、第一燃料流路の開状態と閉状態とを切り換える第一インジェクタ、及び、第二燃料流路の開状態と閉状態とを切り換える第二インジェクタを備えている。また、これらインジェクタの動作をそれぞれ制御する第一制御部と第二制御部とを備えている。

第一制御部は、第一電源部と、第一電源部から第一インジェクタに第一電流を供給するための回路であって、当該回路の開閉を切り替える第一スイッチ部を有する第一回路とを有する。第一制御部は、第一スイッチ部の開閉動作を高速で繰り返すチョッパ制御を行うことにより、第一インジェクタに流れる第一電流の大きさを第一所定値とし、第一燃料流路を開状態に維持する。すなわち、第一制御部は上述のチョッパ制御構成となっている。

第二制御部は、第二電源部と、第二電源部から第二インジェクタに第二電流を供給するための回路であって、当該回路の開閉を切り替える第二スイッチ部と当該回路において第二インジェクタと直列に接続された分圧抵抗とを有する第二回路とを有する。第二制御部は、第二スイッチ部を閉じて第二回路を閉状態とすることにより、第二インジェクタに流れる第二電流の大きさを第二所定値とし、第二燃料流路を開状態に維持する。すなわち、第二制御部は上述の分圧抵抗構成となっている。

すなわち本発明では、チョッパ制御構成である第一制御部によって開状態に維持される第一燃料流路（及び第一インジェクタ）と、分圧抵抗構成である第二制御部によって開状態に維持される第二燃料流路（及び第二インジェクタ）とを有している。二つのインジェクタの動作を全て同じ構成（チョッパ制御構成又は分圧抵抗構成）の制御部によって制御するのではなく、互いに異なる構成の制御部によって制御する。

このため、全ての制御部をチョッパ制御構成とした場合に比べて装置を小型化し、更に部品点数を低減することができる。また、全ての制御部を分圧抵抗構成とした場合に比べて、分圧抵抗を電流が通過することによって生じる無駄な消費電力の発生を抑制することとができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、負荷からの要求電力に基づいて前記燃料電池が発電する電力の大きさを制御するものであって、前記要求電力が所定値以下の場合においては、前記第二インジェクタを常に閉状態とし、前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給は前記第一燃料流路のみから行うことも好ましい。

この好ましい態様では、負荷からの要求電力が所定以下の場合においては、第二インジェクタを常に閉状態とし、燃料電池に対する燃料ガスの供給は、第一燃料流路のみから行う。すなわち、燃料電池への燃料ガスの供給は優先的に第一燃料流路から行うこととし、要求電力が所定よりも大きい場合においてのみ、第二燃料流路からの燃料ガスの供給を行う。これにより、第二燃料流路を開状態とする頻度、すなわち、第二インジェクタに保持電流を供給して開状態を保持する頻度が低くなるため、分圧抵抗を電流が通過することにより消費されてしまうエネルギーが低減される。その結果、燃料電池システムにおける燃料の利用効率を更に向上させることができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記第一インジェクタを、前記第一燃料流路において互いに並列に接続された状態で複数個備えており、それぞれの前記第一インジェクタに対応した複数個の前記第一制御部を備えていることも好ましい。

この好ましい態様では、互いに並列に接続された第一インジェクタを複数個備えており、それぞれの第一インジェクタの動作を個別に制御することができる。このため、弁体の開閉駆動を行って燃料ガスを通過させる第一インジェクタの本数を、要求電力に基づいて適宜変更するような制御を行い、燃料電池に対する燃料ガスの供給量を広い範囲で調整することができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記第二インジェクタを、前記第二燃料流路において互いに並列に接続された状態で複数個備えており、それぞれの前記第二インジェクタに対応した複数個の前記第二制御部を備えていることも好ましい。

この好ましい態様では、互いに並列に接続された第二インジェクタを複数個備えており、それぞれの第二インジェクタの動作を個別に制御することができる。このため、弁体の開閉駆動を行って燃料ガスを通過させる第二インジェクタの個数を、要求電力に基づいて適宜変更するような制御を行い、燃料電池に対する燃料ガスの供給量を広い範囲で調整することができる。

本発明によれば、制御装置の大型化を抑え、且つ消費電力の増加を抑制しながら、複数のインジェクタの動作を制御することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明の一実施形態である燃料電池システムの構成を示した図である。 図１に示した燃料電池システムの、制御装置の一部の構成を示した図である。 図１に示した燃料電池システムの、制御装置の一部の構成を示した図である。 図１に示した燃料電池システムにおいて、インジェクタに供給される電流の時間変化を示すグラフである。 図１に示した燃料電池システムにおいて、インジェクタに供給される電流の時間変化を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システム１０の構成を示す図である。燃料電池システム１０は、例えば燃料電池車両に搭載される車載電源システム等として機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化剤ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、システム全体を統括制御する制御装置ＣＴＲとを備えている。

燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）

酸化剤ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路３３と、燃料電池スタック２０から排出される酸化剤オフガスが流れる酸化剤オフガス流路３４とを有している。酸化剤ガス流路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化剤ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池スタック２０への酸化剤ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１とが設けられている。酸化剤オフガス流路３４には、燃料電池スタック２０からの酸化剤オフガス排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化剤ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３とが設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス流路４３と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス流路４３に帰還させるための循環流路４４と、循環流路４４内の燃料オフガスを燃料ガス流路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環流路４４に分岐接続される排気排水流路４６とを有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス流路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。

燃料ガス流路４３には、燃料ガス供給源４１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための遮断弁Ｈ１と、燃料ガスの圧力を調整するレギュレータＨ２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給量を制御する三つのインジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給を遮断するための遮断弁Ｈ３と、圧力センサ７３、７４とが設けられている。

レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。

また、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の応答性の低下を抑制することができる。

燃料ガス流路４３は、その一部が互いに並列な３つの流路４３１、４３２、４３３に分かれており、流路４３１、４３２、４３３にはその閉状態と開状態とを切り換える電磁弁として、それぞれインジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３が配置されている。インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３は、いずれも、燃料ガスを噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その燃料ガスを噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。

インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の弁体は、それぞれ電磁駆動装置であるソレノイドＬ１、Ｌ２、Ｌ３により駆動される。ソレノイドＬ１、Ｌ２、Ｌ３に制御装置ＣＴＲから供給される電流によって、それぞれの噴射孔の開閉を個別に切り替えることができる。例えば、インジェクタＩＮＪ１のソレノイドＬ１に電流が供給されると、弁体が弁座から離隔して噴射孔が開き、流路４３１が開状態となる。一方、電流の供給が停止されると、弁体が弁座に当接して噴射孔が閉じ、流路４３１が閉状態となる。

制御装置ＣＴＲは、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３における上記のような開閉動作を個別に制御する。インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の開閉をそれぞれ所定の周期で繰り返すように制御することで、燃料ガス流路４３を通過する燃料ガスの流量を調整する。流路４３１、４３２、４３３を通過する燃料ガスの流量は、それぞれ、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の開閉周期を適宜変更することにより調整される。

制御装置ＣＴＲは、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の上流側における燃料ガスの圧力を圧力センサ７３により計測し、下流側における燃料ガスの圧力を圧力センサ７４により計測している。制御装置ＣＴＲは、これらにより計測された圧力に基づいて、流路４３１、４３２、４３３を通過する燃料ガスの流量が所定の流量となるように、インジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の開閉周期を決定する。

また、制御装置ＣＴＲは、常に三個のインジェクタ全てを通じて燃料ガスを供給するのではなく、要求負荷に応じて、一部のインジェクタを閉状態とするような制御を行う。例えば、要求負荷が小さい場合には、二個のインジェクタを閉状態とし、残り一個のインジェクタを開閉駆動することによって、燃料電池スタック２０に供給する燃料ガスの流量を調整する。一方、要求負荷が大きい場合には、三個のインジェクタ全てを開閉駆動することによって、燃料電池スタック２０に供給する燃料ガスの流量を調整する。このように、燃料ガスの供給を行うために動作させるインジェクタの個数を適宜変更することにより、燃料ガス流路４３を通過する燃料ガスの流量を広い範囲で調整することができる。

循環流路４４には、燃料電池スタック２０からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環流路４４から分岐する排気排水流路４６とが接続されている。排気排水流路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、制御装置ＣＴＲからの指令によって作動することにより、循環流路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環流路４４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。

排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化剤オフガス流路３４を流れる酸化剤オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。

制御装置ＣＴＲは、ＣＰＵ６１、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、制御装置ＣＴＲは、燃料電池車両のアクセルセンサから出力されるアクセル開度信号などを基に、負荷からの要求電力を求める。すなわち、制御装置ＣＴＲは、要求電力を検知する要求電力検知手段としての機能を備えている。制御装置ＣＴＲは、要求電力に基づいて燃料電池スタック２０の目標電力を決定し、燃料電池スタック２０の発電電力が目標電力に一致するように、酸化剤ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御する。

次に、制御装置ＣＴＲによるインジェクタＩＮＪ１、ＩＮＪ２、ＩＮＪ３の制御について詳しく説明する。制御装置ＣＴＲは、インジェクタＩＮＪ１の動作を制御するための第一制御部ＣＴＲ１と、インジェクタＩＮＪ２の動作を制御するための第二制御部ＣＴＲ２と、インジェクタＩＮＪ３の動作を制御するための第三制御部ＣＴＲ３とを有している。

先ず、図２を参照しながら、インジェクタＩＮＪ１の動作を制御する第一制御部ＣＴＲ１の構成について説明する。図２は、制御装置ＣＴＲの一部の構成を示した図であって、第一制御部ＣＴＲ１の具体的な構成を示している。図２に示したように、第一制御部ＣＴＲ１は、ＣＰＵ６１から受ける制御信号に基づいて、インジェクタＩＮＪ１のソレノイドＬ１に対して電流を供給する部分である。

第一制御部ＣＴＲ１は、バッテリに繋がる電流経路であるバッテリラインＢＡＴ１を備えており、バッテリラインＢＡＴ１からスイッチング素子ＰＦ１、ソレノイドＬ１、スイッチング素子ＩＦ１へと繋がる電流経路である第一突入回路と、バッテリラインＢＡＴ１からスイッチング素子ＰＦ１、ソレノイドＬ１、スイッチング素子ＫＦ１へと繋がる電流経路である第一保持回路とにより構成されている。尚、上記バッテリは所定の電圧を出力する蓄電装置であって、ソレノイドＬ１に供給される電流の供給源である。

スイッチング素子ＰＦ１は、Ｎチャネル型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であって、バッテリラインＢＡＴ１からソレノイドＬ１へと繋がる電流経路の開閉を行うために配置されたスイッチング素子である。制御装置ＣＴＲは、ＣＰＵ６１からの制御信号を増幅器６２で増幅してからスイッチング素子ＰＦ１のゲート端子に入力することで、スイッチング素子ＰＦ１のゲート／ソース間電圧を変化させ、その開閉を制御する。燃料電池システム１０の運転中においては、非常停止時を除き、スイッチング素子ＰＦ１は常に閉状態となっている。

スイッチング素子ＩＦ１及びスイッチング素子ＫＦ１も、スイッチング素子ＰＦ１と同様なＮチャネル型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。それぞれ、ソレノイドＬ１と接地部ＧＮＤとの間において互いに並列に接続されている。

制御装置ＣＴＲは、ＣＰＵ６１からの制御信号を増幅器６３で増幅してからスイッチング素子ＩＦ１のゲート端子に入力することで、スイッチング素子ＩＦ１のゲート／ソース間電圧を変化させ、その開閉を制御する。同様に、制御装置ＣＴＲは、ＣＰＵ６１からの制御信号を増幅器６４で増幅してからスイッチング素子ＫＦ１のゲート端子に入力することで、スイッチング素子ＫＦ１のゲート／ソース間電圧を変化させ、その開閉を制御する。

スイッチング素子ＫＦ１と接地部ＧＮＤとの間には、電流計測用抵抗ＩＲが配置されている。電流計測用抵抗ＩＲは、その両端が増幅器６５に接続されており、電流計測用抵抗ＩＲの両端の電位差（電位降下量）が増幅器６５に入力される。増幅器６５は、電流計測用抵抗ＩＲの両端における電位差を測定し、この電位差を増幅して得られた信号をＣＰＵ６１に入力する。かかる電位差は、電流計測用抵抗ＩＲを通過する電流に比例するものであるから、電流計測用抵抗ＩＲと増幅器６５とは、ソレノイドＬ１からスイッチング素子ＫＦ１へと流れる電流を計測するための電流計測手段として機能するものである。すなわち、ＣＰＵ６１には、電流計測用抵抗ＩＲを流れる電流の大きさが増幅器６５から入力される。

インジェクタＩＮＪ１が閉状態（流路４３１が閉状態）のときにおいては、スイッチング素子ＩＦ１及びスイッチング素子ＫＦ１はいずれも開状態となっている。すなわち、第一突入回路、第一保持回路は、いずれも回路が開いており、ソレノイドＬ１に電流が流れていない状態となっている。

続いて、インジェクタＩＮＪ１を閉状態から開状態に切り替えるときにおいては、まずスイッチング素子ＩＦ１のみを閉状態とし、第一突入回路を閉じることによって、バッテリラインＢＡＴ１からソレノイドＬ１に電流が供給される。

このとき、ソレノイドＬ１に供給される電流Ｉの時間変化を図４に示した。時刻ｔ０においてスイッチング素子ＩＦ１が閉状態とされた後、ソレノイドＬ１のインダクタンスの影響を受けながら、電流Ｉは時間と共に上昇している。電流Ｉの大きさがＩ１を超えると、インジェクタＩＮＪ１の弁体が電磁力を受けて駆動され、弁座から離隔した位置へと移動する。このため時刻ｔ１においては、インジェクタＩＮＪ１が開状態となり、流路４３１を通じて燃料ガスが燃料電池スタック２０に供給される。

その後、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、インジェクタＩＮＪ１が開状態に維持されるが、その間にソレノイドＬ１に供給される電流Ｉは、Ｉ１よりも低い電流（Ｉ２）でよい。これは、インジェクタＩＮＪ１の弁体を、弁座に当接した位置から離隔した位置まで移動させるためには、静止摩擦力や慣性力に抗するための大きな電磁力が必要となるのに対し、その後、インジェクタＩＮＪ１の弁体を弁座から離隔した位置に保持するためには、（弁体の移動を伴わないので）静止摩擦力や慣性力に抗する力は不要であり、必要な電磁力が小さいからである。従って、本実施形態では、時刻ｔ１以降にソレノイドＬ１に供給される電流をＩ２にまで低減し、インジェクタＩＮＪ１の動作に要する電力を低減している。

具体的に説明すると、ＣＰＵ６１は、時刻ｔ１においてスイッチング素子ＩＦ１を開くような制御信号を増幅器６３に発する。このため、図４のようにソレノイドＬ１に供給される電流Ｉは時刻ｔ１から低下し始める。

ここで、電流計測用抵抗ＩＲを流れる電流、すなわちソレノイドＬ１を流れる電流の大きさは、増幅器６５からＣＰＵ６１に入力されている。ＣＰＵはかかる電流の大きさに基づいて、ソレノイドＬ１に供給される電流Ｉの大きさがＩ２に略一致するように、スイッチング素子ＫＦ１の動作を制御する。

電流Ｉが低下してＩ２を下回ると、ＣＰＵ６１はスイッチング素子ＫＦ１を閉じるような制御信号を増幅器６４に発する。第一保持回路が閉じられるため、電流Ｉが再び増加し始める。その後、電流Ｉが増加してＩ２を上回ると、ＣＰＵ６１はスイッチング素子ＫＦ１を開くような制御信号を増幅器６４に発する。第一保持回路が開かれるため、電流Ｉが再び減少し始める。このように、スイッチング素子ＫＦ１の開閉動作を高速で繰り返す、所謂チョッパ制御が行われるため、図４に示したように、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間においては、ソレノイドＬ１に供給される電流Ｉの大きさはＩ２に略一致し、Ｉ２付近で脈動するような電流となる。尚、本実施形態においては省略しているが、第一制御部ＣＴＲ１とソレノイドＬ１との間にコンデンサ等からなるノイズフィルタ回路を設けることにより、かかる脈動を除去することが望ましい。

以上のように、インジェクタＩＮＪ１の動作を制御する第一制御部ＣＴＲ１は、電流Ｉの供給源であるバッテリ（第一電源部）と、バッテリからインジェクタＩＮＪ１に電流Ｉを供給するための回路であって、当該回路の開閉を切り換えるスイッチング素子ＫＦ１（第一スイッチ部）を有する第一保持回路（第一回路）と、を有している。第一制御部ＣＴＲ１は、スイッチング素子ＫＦ１の開閉動作を高速で繰り返すチョッパ制御を行うことにより、インジェクタＩＮＪ１に流れる電流Ｉ（第一電流）の大きさをＩ２（第一所定値）とする機能を有している。

次に、図３を参照しながら、インジェクタＩＮＪ２の動作を制御する第二制御部ＣＴＲ２の構成について説明する。図３は、制御装置ＣＴＲの一部の構成を示した図であって、第二制御部ＣＴＲ２の具体的な構成を示している。図３に示したように、第二制御部ＣＴＲ２は、ＣＰＵ６１から受ける制御信号に基づいて、インジェクタＩＮＪ２のソレノイドＬ２に対して電流を供給する部分である。尚、インジェクタＩＮＪ３の動作を制御する第三制御部ＣＴＲ３については、以下に説明する第二制御部ＣＴＲ２の構成と同一であるため、その説明を省略する。

第二制御部ＣＴＲ２は、バッテリに繋がる電流経路であるバッテリラインＢＡＴ２を備えており、バッテリラインＢＡＴ２からスイッチング素子ＰＦ２、ソレノイドＬ２、スイッチング素子ＩＦ２へと繋がる電流経路である第二突入回路と、バッテリラインＢＡＴ２からスイッチング素子ＰＦ２、ソレノイドＬ２、分圧抵抗ＳＲ、スイッチング素子ＫＦ２へと繋がる電流経路である第二保持回路とにより構成されている。尚、上記バッテリは所定の電圧を出力する蓄電装置であって、ソレノイドＬ２に供給される電流の供給源である。

スイッチング素子ＰＦ２は、Ｎチャネル型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であって、バッテリラインＢＡＴ２からソレノイドＬ２へと繋がる電流経路の開閉を行うために配置されたスイッチング素子である。制御装置ＣＴＲは、ＣＰＵ６１からの制御信号を増幅器６６で増幅してからスイッチング素子ＰＦ２のゲート端子に入力することで、スイッチング素子ＰＦ２のゲート／ソース間電圧を変化させ、その開閉を制御する。燃料電池システム１０の運転中においては、非常停止時を除き、スイッチング素子ＰＦ２は常に閉状態となっている。

スイッチング素子ＩＦ２及びスイッチング素子ＫＦ２も、スイッチング素子ＰＦ２と同様なＮチャネル型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。それぞれ、ソレノイドＬ２と接地部ＧＮＤとの間において互いに並列に接続されている。

制御装置ＣＴＲは、ＣＰＵ６１からの制御信号を増幅器６７で増幅してからスイッチング素子ＩＦ２のゲート端子に入力することで、スイッチング素子ＩＦ２のゲート／ソース間電圧を変化させ、その開閉を制御する。同様に、制御装置ＣＴＲは、ＣＰＵ６１からの制御信号を増幅器６８で増幅してからスイッチング素子ＫＦ２のゲート端子に入力することで、スイッチング素子ＫＦ２のゲート／ソース間電圧を変化させ、その開閉を制御する。

第二保持回路のうち、ソレノイドＬ２とスイッチング素子ＫＦ２との間には、分圧抵抗ＳＲが配置されている。分圧抵抗ＳＲは、一定の抵抗値を有する電気抵抗であって、第二保持回路において、ソレノイドＬ２と直列に接続されている。

インジェクタＩＮＪ２が閉状態（流路４３２が閉状態）のときにおいては、スイッチング素子ＩＦ２及びスイッチング素子ＫＦ２はいずれも開状態となっている。すなわち、第二突入回路、第二保持回路は、いずれも回路が開いており、ソレノイドＬ２に電流が流れていない状態となっている。

続いて、インジェクタＩＮＪ２を閉状態から開状態に切り替えるときにおいては、まずスイッチング素子ＩＦ２のみを閉状態とし、第二突入回路を閉じることによって、バッテリラインＢＡＴ２からソレノイドＬ２に電流が供給される。

このとき、ソレノイドＬ２に供給される電流Ｉの時間変化を図５に示した。時刻ｔ０においてスイッチング素子ＩＦ２が閉状態とされた後、ソレノイドＬ２のインダクタンスの影響を受けながら、電流Ｉは時間と共に上昇している。電流Ｉの大きさがＩ１を超えると、インジェクタＩＮＪ２の弁体が電磁力を受けて駆動され、弁座から離隔した位置へと移動する。このため時刻ｔ１においては、インジェクタＩＮＪ２が開状態となり、流路４３２を通じて燃料ガスが燃料電池スタック２０に供給される。

その後、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、インジェクタＩＮＪ２が開状態に維持されるが、その間にソレノイドＬ２に供給される電流Ｉは、Ｉ１よりも低い電流（Ｉ２）でよい。これは、インジェクタＩＮＪ２の弁体を、弁座に当接した位置から離隔した位置まで移動させるためには、静止摩擦力や慣性力に抗するための大きな電磁力が必要となるのに対し、その後、インジェクタＩＮＪ２の弁体を弁座から離隔した位置に保持するためには、（弁体の移動を伴わないので）静止摩擦力や慣性力に抗する力は不要であり、必要な電磁力が小さいからである。従って、本実施形態では、時刻ｔ１以降にソレノイドＬ２に供給される電流をＩ２にまで低減し、インジェクタＩＮＪ２の動作に要する電力を低減している。

具体的に説明すると、ＣＰＵ６１は、時刻ｔ１においてスイッチング素子ＩＦ２を開くような制御信号を増幅器６７に発する。同時に、スイッチング素子ＫＦ２を閉じるような制御信号を増幅器６８に発する。すなわち、第二突入回路は開かれ、第二保持回路が閉じられた状態となる。ここで、第二保持回路においては、ソレノイドＬ２と直列に分圧抵抗ＳＲが配置されている。このため、第二保持回路に沿った電気抵抗は、第二突入回路に沿った電気抵抗よりも大きくなる。その結果、バッテリラインＢＡＴ２からソレノイドＬ２を経由して接地部ＧＮＤに流れる電流Ｉは、時刻ｔ１から低下し始め、Ｉ２まで低下する。換言すれば、第二保持回路に定常的に流れる電流Ｉの大きさがＩ２となるように、分圧抵抗ＳＲの抵抗値が予め定められている。

以上のように、インジェクタＩＮＪ２の動作を制御する第二制御部ＣＴＲ２は、電流Ｉの供給源であるバッテリ（第二電源部）と、バッテリからインジェクタＩＮＪ２に電流Ｉを供給するため回路であって、当該回路の開閉を切り替えるスイッチング素子ＫＦ２（第二スイッチ部）と当該回路においてインジェクタＩＮＪ２と直列に接続された分圧抵抗ＳＲとを有する第二保持回路（第二回路）と、を有している。第二制御部ＣＴＲ２は、スイッチング素子ＫＦ２を閉じ、第二保持回路を閉状態とすることによって、インジェクタＩＮＪ２に流れる電流Ｉ（第二電流）の大きさをＩ２（第二所定値）とする機能を有している。

すなわち、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、流路を開状態に維持するためにインジェクタに供給する電流を、スイッチング素子ＫＦ１の開閉動作を高速で繰り返すことによって所定の値とするような構成（チョッパ制御構成）の第一制御部ＣＴＲ１を備えている。また、流路を開状態に維持するためにインジェクタに供給する電流を、当該インジェクタと分圧抵抗ＳＲとを直列に繋いだ回路を閉じることによって所定の値とするような構成（分圧抵抗構成）の第二制御部ＣＴＲ２及び第三制御部ＣＴＲ３を備えている。

このため、全ての制御部をチョッパ制御構成とした場合に比べて制御装置ＣＴＲを小型化し、更に部品点数を低減している。また、全ての制御部を分圧抵抗構成とした場合に比べて、分圧抵抗ＳＲを電流が通過することによって生じる無駄な消費電力の発生を抑制している。

先に説明したように、制御装置ＣＴＲは、常に三個のインジェクタ全てを通じて燃料ガスを供給するのではなく、要求負荷に応じて、一部のインジェクタを閉状態とするような制御を行う。

具体的には、要求負荷が第一所定値よりも小さい場合には、インジェクタＩＮＪ２及びインジェクタＩＮＪ３を常に閉状態とし、インジェクタＩＮＪ１が配置された流路４３１からのみ、燃料電池スタック２０に供給する燃料ガスの供給を行う。すなわち、第一制御部ＣＴＲ１により制御されるインジェクタＩＮＪ１からのみ、燃料ガスの供給を行う。

要求負荷が第一所定値以上で、且つ第二所定値よりも小さい場合には、インジェクタＩＮＪ３は常に閉状態のままとし、インジェクタＩＮＪ１が配置された流路４３１、及び、インジェクタＩＮＪ２が配置された流路４３２から、燃料電池スタック２０に供給する燃料ガスの供給を行う。また、要求負荷が第二所定値以上の場合には、インジェクタＩＮＪ１が配置された流路４３１、インジェクタＩＮＪ２が配置された流路４３２、及び、インジェクタＩＮＪ３が配置された流路４３３から、燃料電池スタック２０に供給する燃料ガスの供給を行う。

このような制御を行うことにより、流路４３２及び流路４３３を開状態とする頻度、すなわち、インジェクタＩＮＪ２及びインジェクタＩＮＪ３に保持電流を供給して開状態を保持する頻度が低くなるため、分圧抵抗ＳＲを電流Ｉが通過することにより消費されてしまうエネルギーが低減される。その結果、燃料電池システム１０における燃料の利用効率が向上している。

尚、本実施形態では、分圧抵抗構成である制御部（第二制御部ＣＴＲ２、第三制御部ＣＴＲ３）により制御されるインジェクタ（インジェクタＩＮＪ２、インジェクタＩＮＪ３）を、互いに並列に接続された状態で二個備えた例を説明したが、本発明の実施形態としてはこのような態様に限られず、かかるインジェクタを三個以上並列に備えてもよい。

また、本実施形態では、チョッパ制御構成である制御部（第一制御部ＣＴＲ１）により制御されるインジェクタ（インジェクタＩＮＪ１）を一個のみ備えた例を説明したが、このようなインジェクタ、及びそれに対応した制御部を複数個並列に備える構成としてもよい。燃料ガスを通過させるインジェクタの個数を要求電力に基づいて適宜変更するような制御を行うにあたっては、互いに個別に制御されるインジェクタの個数が多くなる程、燃料電池に対する燃料ガスの供給量をより広い範囲で調整することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０：燃料電池システム
２０：燃料電池スタック
３０：酸化剤ガス供給系
３１：フィルタ
３２：エアコンプレッサ
３３：酸化剤ガス流路
３４：酸化剤オフガス流路
４０：燃料ガス供給系
４１：燃料ガス供給源
４３：燃料ガス流路
４３１，４３２，４３３：流路
４４：循環流路
４５：循環ポンプ
４６：排気排水流路
６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８：増幅器
７３，７４：圧力センサ
Ａ１，Ａ２：遮断弁
Ａ３：背圧調整弁
ＢＡＴ１，ＢＡＴ２：バッテリライン
ＣＴＲ：制御装置
ＣＴＲ１：第一制御部
ＣＴＲ２：第二制御部
ＣＴＲ３：第三制御部
ＧＮＤ：接地部
Ｈ１，Ｈ３，Ｈ４：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ５：排気排水弁
ＩＦ１，ＩＦ２，ＫＦ１，ＫＦ２，ＰＦ１，ＰＦ２：スイッチング素子
ＩＮＪ１，ＩＮＪ２，ＩＮＪ３：インジェクタ
ＩＲ：電流計測用抵抗
Ｌ１，Ｌ２：ソレノイド
ＳＲ：分圧抵抗

Claims (3)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて、当該燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する流路である第一燃料流路と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する流路であって、前記第一燃料流路とは並列に配置された第二燃料流路と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する流路であって、前記第二燃料流路とは並列に配置された第三燃料流路と、
   電流の供給を受けて駆動され、前記第一燃料流路の開状態と閉状態とを切り換える第一インジェクタと、
   電流の供給を受けて駆動され、前記第二燃料流路の開状態と閉状態とを切り換える第二インジェクタと、
   電流の供給を受けて駆動され、前記第三燃料流路の開状態と閉状態とを切り換える第三インジェクタと、
   前記第一インジェクタに供給される第一電流の大きさを第一所定値とすることで、前記第一燃料流路を開状態に維持する第一制御部と、
   前記第二インジェクタに供給される第二電流の大きさを第二所定値とすることで、前記第二燃料流路を開状態に維持する第二制御部と、
   前記第三インジェクタに供給される第三電流の大きさを第三所定値とすることで、前記第二燃料流路を開状態に維持する第三制御部と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記第一制御部は、
   前記第一電流の供給源である第一電源部と、
   前記第一電源部から前記第一インジェクタに前記第一電流を供給するための回路であって、当該回路の開閉を切り替える第一スイッチ部を有する第一回路と、を有し、
   前記第一スイッチ部の開閉動作を高速で繰り返すチョッパ制御を行うことにより、前記第一電流の大きさを前記第一所定値とするものである一方、
   前記第二制御部は、
   前記第二電流の供給源である第二電源部と、
   前記第二電源部から前記第二インジェクタに前記第二電流を供給するための回路であって、当該回路の開閉を切り替える第二スイッチ部と当該回路において前記第二インジェクタと直列に接続された分圧抵抗とを有する第二回路と、を有し、
   前記第二スイッチ部を閉じて前記第二回路を閉状態とすることによって、前記第二電流の大きさを前記第二所定値とするものであり、
   前記第三制御部は、
   前記第三電流の供給源である第三電源部と、
   前記第三電源部から前記第三インジェクタに前記第三電流を供給するための回路であって、当該回路の開閉を切り替える第三スイッチ部と当該回路において前記第三インジェクタと直列に接続された分圧抵抗とを有する第三回路と、を有し、
   前記第三スイッチ部を閉じて前記第三回路を閉状態とすることによって、前記第三電流の大きさを前記第三所定値とするものであり、
   負荷からの要求電力に基づいて前記燃料電池が発電する電力の大きさを制御するものであって、
   前記要求電力が第四所定値よりも小さい場合には、前記第二インジェクタ及び前記第三インジェクタを常に閉状態とし、前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給は前記第一燃料流路のみから行い、
   前記要求電力が前記第四所定値以上で、且つ第五所定値よりも小さい場合には、前記第三インジェクタを常に閉状態のままとし、前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給は前記第一燃料流路及び前記第二燃料流路から行い、
   前記要求電力が前記第五所定値以上の場合には、前記燃料電池に対する前記燃料ガスの供給は前記第一燃料流路、前記第二燃料流路、及び、前記第三燃料流路から行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第一インジェクタを、前記第一燃料流路において互いに並列に接続された状態で複数個備えており、それぞれの前記第一インジェクタに対応した複数個の前記第一制御部を備えてい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。
3. 前記第二インジェクタを、前記第二燃料流路において互いに並列に接続された状態で複数個備えており、それぞれの前記第二インジェクタに対応した複数個の前記第二制御部を備えていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

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