用于燃料电池系统的氢喷射器的制作方法

[0001]
本说明书公开的技术涉及一种用于燃料电池系统的氢喷射器。尤其涉及一种降低电力消耗的氢喷射器。


背景技术：

[0002]
在燃料电池系统中，使用有氢喷射器(例如，日本特开2008-140619号公报)。氢喷射器将氢罐内的高压氢气减压并向燃料电池堆供给。
[0003]
氢喷射器的主体为电磁阀。电磁阀具有使开闭流道的柱塞(阀芯)移动的线圈。当向线圈供给规定的电流值(第一电流值)以上的电流时，电磁阀打开，当切断电流的供给时，电磁阀关闭。电磁阀打开时需要高的电流，但是保持打开的状态则无需那样高的电流。因此，电磁阀的控制器在初始的固定时间供给第一电流值以上的电流而打开电磁阀，在经过固定时间后将电流降低至第二电流值而保持打开电磁阀的状态。在日本特开2016-200242号公报中公开了这样的阀控制的时序的一个示例。日本特开2016-200242号公报公开了用于燃料喷射的电磁阀。
[0004]
另外，在日本特开2016-200242号公报中也公开了检查电磁阀的技术。在日本特开2016-200242号公报的电磁阀中，一边向线圈施加电压，一边对在线圈流动的电流进行监控。当柱塞移动时，在线圈流动的电流的时间变化率出现拐点。电磁阀的控制器在监控的电流的时间变化率中未发现拐点的情况下，判断为电磁阀故障。发明要解决的问题
[0005]
在日本特开2016-200242号公报公开的电磁阀中，经过了预定的固定时间后，将供给电流从第一电流值向第二电流值降低。电磁阀在第一电流值以上的电流流动时开始打开。电磁阀在打开后以第二电流值的电流保持开状态。为了电磁阀可靠地打开，在固定时间中包含有余量。因此，在电磁阀打开之后暂时仍供给第一电流值的电流。在电磁阀打开之后持续供给第一电流值(＞第二电流值)的电流时，电力被浪费性地消耗。本说明书提供抑制氢喷射器的电力消耗的技术。


技术实现要素：

用于解决问题的技术方案
[0006]
本说明书公开的氢喷射器具有与高压的氢罐连接的电磁阀、和向电磁阀的线圈供给电流的控制器。控制器一边向线圈供给第一电流值以上的电流，一边对电流的变化率进行监控。一旦电流的变化率(时间变化率)增加，则控制器将供给的电流从第一电流值向第二电流值(＜第一电流值)降低。
[0007]
当电磁阀打开时，经减压的氢气被喷射。当高压的氢气被减压时，气体温度降低。通过被减压的氢气，电磁阀(线圈)被冷却。当线圈的温度降低时，线圈的电阻降低。被供给第一电流值以上的电流的线圈的电阻降低，则电流增加。即，在线圈流动的电流的变化率的增加表示电磁阀已打开。本说明书公开的氢喷射器，一旦在线圈流动的电流的变化率增加，
则将供给电流向第二电流值降低。通过对供给电流进行监控，能够对电磁阀打开的时刻进行检测，并在该时刻将供给电流降低。因此，本说明书公开的氢喷射器能够抑制浪费的电力消耗。
[0008]
本说明书公开的技术的具体细节与进一步的改良通过以下的“发明的实施方式”进行说明。
附图说明
[0009]
图1为包含实施例的氢喷射器的燃料电池系统的框图。
[0010]
图2为指令、电压、电流、柱塞位置的时序图。
[0011]
图3为图2的范围iii的放大图。
具体实施方式
[0012]
参照附图，对实施例的氢喷射器10进行说明。图1表示包含氢喷射器10的燃料电池系统2的框图。燃料电池系统2具备燃料电池堆3、氢罐4、主控制器5、氢喷射器10。
[0013]
如众所周知地，燃料电池系统2通过氧与氢的反应来获得电力。在燃料电池堆3中氧气与氢气进行反应而获得电力。
[0014]
氧从空气取得。在燃料电池堆3连接有空气管道21和燃料管道31。氧(空气)通过空气压缩机22而被引入空气管道21。在空气管道21具有第一空气阀23(调压阀)，通过第一空气阀23来调节向燃料电池堆3供给的空气量。在空气管道21的燃料电池堆3的出口侧设置有第二空气阀24(调压阀)。通过第二空气阀24来调节从燃料电池堆3排出的余氧(残留空气)的量。
[0015]
燃料管道31将燃料电池堆3与氢罐4连接。在氢罐4储存有高压的氢气。在燃料管道31连接有氢喷射器10。氢喷射器10将氢罐4的内部的高压的氢气减压至规定的压力并向燃料电池堆3供给。另外，在氢罐4连接有主截止阀32，在燃料电池系统2停止的期间主截止阀32关闭，确保安全性。此外，在燃料管道31上具有压力传感器等设备，但省略这些设备的图示和说明。
[0016]
在燃料管道31的燃料电池堆3的出口侧具有排气阀34(调压阀)。通过排气阀34来调节从燃料电池堆3排出的残留氢气的量。
[0017]
空气压缩机22、第一空气阀23、第二空气阀24、主截止阀32、氢喷射器10、排气阀34由主控制器5控制。主控制器5从未图示的上层控制器接收电力目标指令，并以实现该目标电力的方式对空气压缩机22、氢喷射器10等进行控制。
[0018]
对氢喷射器10进行说明。如上述地，氢喷射器10将高压的氢气减压并向燃料电池堆3供给。氢喷射器10包含电磁阀12、线圈13。控制氢喷射器10所需要的电流传感器14和喷射器控制器15被包含在主控制器5中。
[0019]
电磁阀12的结构为通常的结构，在技术上众所周知，因此在此仅说明概要。电磁阀12具有对管道(燃料管道31)的流道进行开闭的柱塞(未图示)。另外，柱塞有时也被称为阀芯。或者，对流道进行开闭的部件有时也被称为阀板。在本说明书中，将对流道进行开闭的部件称为柱塞。柱塞通过弹簧而被赋予势能，在未向线圈13供给电流的期间关闭流道。即，电磁阀12为常闭式。
[0020]
线圈13为电磁铁的部件。向线圈13施加规定的电流，则由于线圈产生的磁力，柱塞朝向打开流道的位置移动。即，向线圈13施加第一电流值以上的电流，则电磁阀12打开。电磁阀12为电流驱动型。
[0021]
为了便于说明，将关闭流道的柱塞位置称为闭位置，将打开流道的柱塞位置称为开位置。在未供给电流的期间，柱塞通过弹簧而被保持在柱塞闭位置。为了使柱塞从闭位置朝向开位置移动，需要向线圈13供给比较大的电流(第一电流值以上)。在柱塞移动至开位置之后，即使将向线圈13供给的电流降低至第二电流值(＜第一电流值)也能够将柱塞保持在开位置。
[0022]
向线圈13供给的电流由喷射器控制器15控制。喷射器控制器15在初始时向线圈13供给第一电流值以上的电流，一旦柱塞朝向开位置移动(即，一旦电磁阀12打开)，则将向线圈13供给的电流向第二电流值降低。通过将向线圈13供给的电流向第二电流值降低，能够抑制保持开状态所需的电力消耗。
[0023]
在现有技术中，供给第一电流值以上的电流的时间被预先确定。为了便于说明，将供给第一电流值以上的电流的时间称为阀起动时间。在预先确定的阀起动时间中包含安全余量。即，在柱塞从闭位置朝向开位置移动之后，也暂时持续供给第一电流值以上的电流。在柱塞朝向开位置移动之后(即，电磁阀12打开后)供给的第一电流值以上的电流是浪费的。实施例的氢喷射器10根据在线圈13流动的电流的变化率而对电磁阀12打开的时刻进行检测。氢喷射器10一旦检测到电磁阀12已打开，立即降低向线圈13供给的电流，抑制电力消耗。
[0024]
对喷射器控制器15检测电磁阀12的打开时刻的原理进行说明。首先，如上所述，氢喷射器10与氢罐4连接，一旦打开，则将高压的氢气减压并喷射出。高压的氢气的压力降低则温度急剧降低。因此，电磁阀12打开而氢气被减压，则电磁阀12(包括线圈13)由于氢气而被冷却。线圈13被冷却，则电阻降低。被施加了固定的电压的线圈13的电阻降低，则在线圈13流动的电流增加。即，在向线圈13供给固定的电压的期间电磁阀12打开，则在线圈13流动的电流的变化率(单位时间的电流变化)增加。主控制器5具有对在线圈13流动的电流进行测量的电流传感器14。喷射器控制器15在供给第一电流值以上的电流的期间通过电流传感器14对在线圈13流动的电流的变化率进行监控。喷射器控制器15一旦检测到在线圈13流动的电流的变化率的增加，则判断为电磁阀12已打开。在供给第一电流值以上的电流的期间，一旦在线圈13流动的电流的变化率增加，则喷射器控制器15将向线圈13供给的电流向第二电流值降低。通过上述的流程，喷射器控制器15能够在电磁阀12打开时立即降低向线圈13供给的电流，能够抑制电力消耗。
[0025]
图2表示氢喷射器10的各种参数的时序图。图2的曲线图(1)表示主控制器5向喷射器控制器15发送指令。发送保持将电磁阀12关闭的状态的指令直至时刻t1为止。在从时刻t1起至时刻t5的期间，发送打开电磁阀12的指令。在时刻t5以后，再次发送保持将电磁阀12关闭的状态的指令。
[0026]
图2的曲线图(2)表示喷射器控制器15向线圈13施加的电压。在时刻t1接收到将电磁阀12打开的指令的喷射器控制器15向线圈13施加电压。在从时刻t1起至时刻t4的期间，以充分长的时间、100％的负载率施加电压直至柱塞向开位置移动。换言之，喷射器控制器15在从时刻t1至时刻t4的期间连续地向线圈13施加固定的电压。
[0027]
图2的曲线图(3)表示在线圈13流动的电流，曲线图(4)表示柱塞的位置。在时刻t1向线圈13施加电压。从时刻t1起在线圈13中电流开始流动。电流逐渐增大。从时刻t1起的一段时间内，柱塞暂不移动(柱塞停留在闭位置)。
[0028]
在时刻t2，向线圈13供给的电流到达第一电流值i1。柱塞在时刻t2开始移动，在时刻t3到达开位置。随着柱塞开始移动，氢气从电磁阀12(即，氢喷射器10)开始喷出。在喷出时，氢气被减压而温度急剧降低。冷的氢气通过电磁阀12的气体喷出侧，由此电磁阀12被冷却。与此同时，线圈13也被冷却。线圈13的温度降低，则线圈13的电阻也降低。由于向线圈13施加了固定的电压，所以线圈13的电阻降低则电流易于流动。于是，在线圈13流动的电流的时间变化率增加。图2的曲线图(3)的右侧为时刻t2、t3及t4附近的电流曲线图的放大图。在时刻t3以前，电流的变化率为di1/dt。在从时刻t3至时刻t4的期间，线圈13被冷却，由此电流的变化率朝向di2/dt(＞di1/dt)增大。即，在线圈13流动的电流的变化率增大，即能够判断为电磁阀12已打开。
[0029]
喷射器控制器15通过电流传感器14来对在线圈13流动的电流进行监控。喷射器控制器15根据电流传感器14的测量值而对电流的变化率进行计算。在供给第一电流值以上的电流的期间一旦电流的变化率增大(例如，变化率从di1/dt增大至di2/dt)，则喷射器控制器15判断为电磁阀12已打开。喷射器控制器15在时刻t4检测到电流的变化率增大(即，检测到电磁阀12打开)，并将向线圈13供给的电流向第二电流值降低(图2的第二电流值i2)。第二电流值被设定为将柱塞保持在开位置所必要的电流。喷射器控制器15检测到柱塞已移动至开位置(即，检测到电磁阀12已打开)，则立即将向线圈13供给的电流向第二电流值降低。通过一旦电磁阀12打开即将向线圈13供给的电流降低，抑制电力消耗。
[0030]
另外，喷射器控制器15通过电压脉冲向线圈13供给第二电流值的电流。通过电压脉冲来供给第二电流值的电流也有助于电力消耗的抑制。
[0031]
在时刻t5，主控制器5的指令从开变为闭。接收指令的喷射器控制器15在时刻t5停止对线圈13的电压施加。在时刻t5以后，在线圈13流动的电流减少，在时刻t6，柱塞返回闭位置。即，在时刻t6，电磁阀12关闭。
[0032]
图3表示图2的范围iii的放大图。在时刻t5，停止施加电压。在时刻t5以后，在线圈13流动的电流急速地减少。在时刻t6电磁阀12关闭，则被减压的氢气的喷射停止。被减压的氢气的喷射停止意味着电磁阀12的冷却停止。于是，线圈13的温度上升，线圈13的电阻上升。在线圈13流动的电流的变化率在时刻t6变化。喷射器控制器15对电磁阀12关闭时的电流的变化率也进行监控。喷射器控制器15在停止对线圈13的电压施加后，检测电流的变化率变化了的时刻(时刻t6)，以此作为电磁阀12关闭的时刻。
[0033]
喷射器控制器15将从时刻t3至时刻t6止的间隔(即，从初始时电流的变化率变化的时刻至下一次变化率变化的时刻止的间隔)确定为电磁阀12打开的期间。电磁阀12打开的期间被用于推断向燃料电池堆3供给的氢气的量。
[0034]
实施例的氢喷射器10的特征如下所述。氢喷射器10具有电磁阀12、线圈13。在规定的第一电流值以上的电流向线圈13供给时，电磁阀12打开。在规定的第二电流值以上的电流向线圈13供给的期间，电磁阀12保持打开的状态。第二电流值比第一电流值小。控制氢喷射器10的主控制器5具有电流传感器14和喷射器控制器15。喷射器控制器15向线圈13供给第一电流值以上的电流，则电磁阀12打开。喷射器控制器15向线圈13供给固定电压而供给
电流，停止对线圈13的电流供给则电磁阀12关闭。喷射器控制器15一边向线圈13供给第一电流值以上的电流，一边对在线圈13流动的电流的变化率进行监控。一旦电流的变化率增加，则喷射器控制器15将向线圈13供给的电流向第二电流值降低。
[0035]
本说明书公开的技术利用了高压的氢气被减压时温度急剧降低的现象。当电磁阀打开时，被减压的氢气(温度降低了的氢气)喷出。低温的氢气对电磁阀和线圈急剧地进行冷却。当线圈急剧地被冷却时，电阻降低。当被施加了固定的电压的线圈的温度降低时，电流的时间变化率增加。本说明书公开的技术利用上述现象，能够确定电磁阀(氢喷射器)打开的时刻。通过在被确定的时刻降低向线圈供给的电流，抑制电力消耗。
[0036]
以上，对本发明的具体例详细地进行了说明，但这些仅是示例，并不限定权利要求的范围。在权利要求书中记载的技术包含对以上例示的具体例进行的各种变形、变更。在本说明书或附图中说明的技术要素通过单独或各种组合来发挥技术上的有用性，并不限定于申请时权利要求所记载的组合。另外，本说明书或附图所例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中一个目的本身就具有技术上的有用性。