JP2006092947A - Control device of fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムの制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a fuel cell system.
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for electric vehicles because of its low operating temperature and easy handling. That is, a fuel cell vehicle is equipped with a hydrogen storage device such as a high-pressure hydrogen tank, a liquid hydrogen tank, or a hydrogen storage alloy tank in the vehicle, and reacts by supplying hydrogen supplied therefrom and air containing oxygen to the fuel cell. This is the ultimate clean vehicle that drives the motor connected to the drive wheels with the electric energy extracted from the fuel cell, and the only exhaust material is water.
燃料電池車両等の負荷変動が大きい用途においては、燃料電池の出力に応じた反応ガス量が供給されないと、燃料電池電圧が降下したり、極端な場合一部のセルにおいて転極などの異常反応が生じる虞がある。 In applications with large load fluctuations such as fuel cell vehicles, if the amount of reaction gas corresponding to the output of the fuel cell is not supplied, the fuel cell voltage drops or, in extreme cases, abnormal reactions such as inversion in some cells. May occur.
このため、エアコンプレッサなど燃料電池の発電を行うために必要な補機の負荷量を検出し、検出した負荷量に基づいてガス供給量を決定する構成とする技術が知られている(例えば、特許文献1)。
しかしながら上記従来技術にあっては、燃料電池の負荷が変動する過渡運転状態では、ガスの供給遅れのため、要求された発電量に対してガス供給量が不足する場合があるという問題点があった。 However, the above-described conventional technique has a problem that in a transient operation state in which the load of the fuel cell fluctuates, the gas supply amount may be insufficient with respect to the required power generation amount due to a delay in gas supply. It was.
図11は、従来技術において燃料電池の負荷が変動した場合の、燃料電池の発電可能な電力と補機消費電力、及び、ガス供給量を示した図である。 FIG. 11 is a diagram showing power that can be generated by the fuel cell, power consumption of auxiliary equipment, and gas supply amount when the load of the fuel cell fluctuates in the prior art.
いま、燃料電池システムへ要求されるネット電力(燃料電池の補機消費電力を除いた正味の発電電力)がCに示すように変化した場合、その要求ネット電力の変化に対応し、ガスの応答遅れを考慮して目標ガス供給量をGのように変化させると、補機消費電力の変化はEに示すように変化する。しかし、Cに示した要求ネット電力を実現するには、補機消費電力の増分も発電電力に上乗せする必要があるから、Dに示した実際の補機消費電力を検出し、その補機消費電力に基づいて目標供給ガス量を増加させた場合には、目標供給ガス量はFに示すように変化する。 If the net power required for the fuel cell system (net generated power excluding fuel cell auxiliary machine power consumption) changes as indicated by C, the response of the gas corresponds to the change in the required net power. When the target gas supply amount is changed as G in consideration of the delay, the change in the auxiliary machine power consumption changes as indicated by E. However, in order to realize the requested net power shown in C, it is necessary to add the increment of the auxiliary machine power consumption to the generated power. Therefore, the actual auxiliary machine power consumption shown in D is detected and the auxiliary machine power consumption is detected. When the target supply gas amount is increased based on the electric power, the target supply gas amount changes as indicated by F.
その結果、実際のガス供給量はHに示すように変化し、燃料電池が発電可能なグロス電力(補機消費電力を含めた発電電力)はBに示すように変化する。一方、この場合、要求ネット電力と補機消費電力の合計はAに示すように変化するので、発電可能なグロス電力が不足しており、要求ネット電力に対してガス供給量が不足していることがわかる。 As a result, the actual gas supply amount changes as indicated by H, and the gross power that can be generated by the fuel cell (generated power including auxiliary machine power consumption) changes as indicated by B. On the other hand, in this case, the sum of the required net power and the auxiliary machine power consumption changes as shown in A, so that the gross power that can be generated is insufficient and the gas supply amount is insufficient with respect to the required net power. I understand that.
このように、従来技術にあっては、ガス供給量が不足している状態で発電を行うと、燃料電池の性能劣化を引き起こす場合があるという問題点があった。 As described above, the conventional technique has a problem that the performance deterioration of the fuel cell may be caused if the power generation is performed in a state where the gas supply amount is insufficient.
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池を発電させるための補機とを備えた燃料電池システムにおいて、前記補機の消費電力を検出する補機消費電力検出手段と、該補機消費電力検出手段が検出した補機の消費電力に基づいて、前記燃料電池の発電電力を制御する発電電力制御手段と、前記補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値に基づいて、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を制御するガス供給制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and an auxiliary device for generating the fuel cell. Auxiliary power consumption detecting means for detecting the power consumption of the auxiliary equipment, and a generated power control means for controlling the generated power of the fuel cell based on the auxiliary power consumption detected by the auxiliary power consumption detecting means. And a gas supply control means for controlling the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell based on a value that temporally precedes the change in the power consumption of the auxiliary equipment. Is a control device for a fuel cell system.
本発明によれば、燃料電池の補機消費電力の変化に先行して燃料電池へ供給するガスの制御を行うので、ガスの供給を早めることができ、燃料電池システムの補機消費電力が変動する過渡運転状態において、燃料電池システムの出力電力の応答を早めるとともに、ガス供給不足を防止することができるという効果がある。 According to the present invention, since the gas supplied to the fuel cell is controlled prior to the change in the auxiliary power consumption of the fuel cell, the gas supply can be accelerated and the auxiliary power consumption of the fuel cell system varies. In the transient operation state, the response of the output power of the fuel cell system can be accelerated and the shortage of gas supply can be prevented.
また、燃料電池に対するガス供給不足がなくなるので、燃料電池の劣化を防止することができるという効果がある。 In addition, since there is no shortage of gas supply to the fuel cell, there is an effect that deterioration of the fuel cell can be prevented.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の一実施例の基本構成を示すブロック図である。図1において、燃料電池システムの制御装置は、燃料電池システムが要求される出力電力を算出する要求出力電力算出手段101と、補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値として、要求出力電力に基づいて、燃料電池システムが要求出力電力を定常的に出力するために要する補機消費電力を算出する定常時補機消費電力算出手段103と、要求出力電力算出手段101が算出した要求出力電力と定常時補機消費電力算出手段103が算出した電力との和を計算する加算手段102と、補機の消費電力を検出する補機消費電力検出手段106と、要求出力電力算出手段101が算出した要求出力電力と補機消費電力検出手段106が検出した補機の消費電力との和を計算する加算手段107と、加算手段107が算出した要求出力電力と補機消費電力との和に基づいて、燃料電池の発電電力を制御する発電電力制御手段109と、補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値に基づいて、燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を制御するガス供給制御手段105と、を備えている。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of an embodiment of a control apparatus for a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, the control device of the fuel cell system includes a required output
尚、図1において、第1目標発電電流算出手段104は、加算手段102の加算値から目標発電電流を算出する手段である。また、第2目標発電電流算出手段108は、加算手段107の加算値から目標発電電流を算出する手段である。
In FIG. 1, the first target generated current calculation means 104 is a means for calculating the target generated current from the addition value of the addition means 102. The second target generated
図2は、本発明が適用される燃料電池システムの構成例を説明する概略構成図である。燃料電池システムは、エゼクタ1、水素循環流路2、燃料電池スタック3、水素パージ弁4、コンプレッサ6、空気供給流路7、水素入口温度センサ8、水素入口圧力センサ9、排空気流路11、空気圧力制御弁12、コントローラ13、水素圧力制御弁14、空気入口圧力センサ15、空気流量センサ16、電流センサ17、電圧センサ18、タンク温度センサ21、タンク圧力センサ22、水素タンク23、電力制御装置24を備えている。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration example of a fuel cell system to which the present invention is applied. The fuel cell system includes an ejector 1, a hydrogen circulation channel 2, a fuel cell stack 3, a hydrogen purge valve 4, a compressor 6, an air supply channel 7, a hydrogen inlet temperature sensor 8, a hydrogen inlet pressure sensor 9, and an exhaust air channel 11. , Air pressure control valve 12,
水素タンク23から供給される水素は水素圧力制御弁14を経由して、エゼクタ1に供給される。エゼクタ1で水素循環流路2を通過してきた水素と混合され、燃料電池スタック3に供給される。燃料電池スタック3入口での水素の温度と圧力はそれぞれ、水素入口温度センサ8、水素入口圧力センサ9で測定される。
Hydrogen supplied from the
水素圧力制御弁14の制御は水素入口圧力センサ9で測定される圧力に基づいてコントローラ13により行われる。通常運転時には、水素パージ弁4は閉じており、燃料電池スタック3から排出される水素を水素循環流路2に流すようにする。また、水素タンク23内の温度及び圧力はそれぞれタンク圧力センサ21、タンク温度センサ22によって測定される。
The control of the hydrogen pressure control valve 14 is performed by the
酸化剤となる空気は、コンプレッサ6により供給される。コンプレッサ6により供給された空気は空気流量センサ16で計量された後、燃料電池スタック3へ供給される。燃料電池スタック3入口での空気の圧力は空気入口圧力センサ15で測定され、空気圧力制御弁12で制御される。 Air serving as an oxidant is supplied by the compressor 6. The air supplied by the compressor 6 is measured by the air flow rate sensor 16 and then supplied to the fuel cell stack 3. The air pressure at the inlet of the fuel cell stack 3 is measured by the air inlet pressure sensor 15 and controlled by the air pressure control valve 12.
燃料電池スタック3の出力電流は電流センサ17で、同出力電圧は電圧センサ18で測定される。また、燃料電池スタック3から取り出す電力は、電力制御装置24によって制御される。
The output current of the fuel cell stack 3 is measured by the current sensor 17, and the output voltage is measured by the
この電力制御装置24は、昇降圧型のDC/DCコンバータであり、燃料電池スタック3と負荷装置25の間に配置され、燃料電池スタック3の発電電力を制御する。このDC/DCコンバータは、昇圧変換と降圧変換とでは、動作させるスイッチング素子がそれぞれ異なっており、スイッチング素子へ加える制御信号のデューティ比に応じて所望の電圧を出力させることができる。昇圧時には、入力電圧以上の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御され、また、降圧時には、入力電圧以下の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御される。
The
本実施例では、燃料電池スタック3の運転圧力は可変圧である。即ち、燃料電池スタック3から取り出す出力電力が高いときには運転圧力を高め、出力電力が低いときは運転圧力を低める。 In this embodiment, the operating pressure of the fuel cell stack 3 is a variable pressure. That is, the operating pressure is increased when the output power extracted from the fuel cell stack 3 is high, and the operating pressure is decreased when the output power is low.
燃料電池スタック3内に水溢れ(以下フラッディング)等が発生した場合、燃料電池のアノード及び水素循環流路2に窒素ガスが蓄積した場合、及び燃料電池スタック3の運転圧を低下させる場合などには、水素パージ弁4を開けて水素循環流路2および燃料電池スタック3に存在する水素を系外へ排出する。 When water overflow (hereinafter referred to as flooding) or the like occurs in the fuel cell stack 3, when nitrogen gas accumulates in the anode and the hydrogen circulation passage 2 of the fuel cell, or when the operating pressure of the fuel cell stack 3 is reduced. Opens the hydrogen purge valve 4 to discharge the hydrogen existing in the hydrogen circulation passage 2 and the fuel cell stack 3 out of the system.
これらすべてのセンサ8,9,15,16,17,18の出力、及び空気圧力制御弁12,水素圧力制御弁14、水素パージ弁4等のアクチュエータ駆動信号はコントローラ13に接続されている。
Outputs of all these
コントローラ13は、これらセンサ類の検出した信号に基づいて、これらのアクチュエータを制御する。コントローラ13は、特に限定されないが本実施例では、CPUと、プログラムROMと、作業用RAMと、入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されていて、図1に示した燃料電池システムの制御装置の基本構成をプログラム制御により実現している。
The
図3は、コントローラ13による発電制御及びガス供給制御の詳細を示したフローチャートであり、所定時間周期(例えば10〔msec〕周期)で実行される。
FIG. 3 is a flowchart showing details of power generation control and gas supply control by the
まず、ステップ(以下、ステップをSと略す)301において、燃料電池システムの要求出力電力(補機消費電力を除いた正味の発電出力電力、目標ネット発電電力ともいう)を算出する。 First, in step 301 (hereinafter, step is abbreviated as S), the required output power of the fuel cell system (also referred to as net generated output power excluding auxiliary machine power consumption or target net generated power) is calculated.
次いで、S302において、前記要求出力電力を定常的に出力するために必要な補機消費電力として、コンプレッサの消費電力(定常時コンプレッサ消費電力)を算出し、S303において、ガス供給制御の目標値として用いる目標発電電流(第1の目標発電電流)を算出し、S304において燃料電池のガス供給制御を行う。 Next, in S302, compressor power consumption (steady-time compressor power consumption) is calculated as auxiliary machine power consumption necessary for steady output of the required output power. In S303, the target value for gas supply control is calculated. A target power generation current (first target power generation current) to be used is calculated, and gas supply control of the fuel cell is performed in S304.
次に、S305において、コンプレッサの消費電力(実コンプレッサ消費電力)を検出し、S306において、燃料電池の発電電力制御の目標値として用いる目標発電電流(第2の目標発電電流)を算出し、S307において、燃料電池の発電電力制御を行う。 Next, in S305, power consumption of the compressor (actual compressor power consumption) is detected, and in S306, a target generated current (second target generated current) used as a target value for the generated power control of the fuel cell is calculated, and S307. Then, the generated power of the fuel cell is controlled.
次に、S301〜S307の各ステップでの処理の詳細について説明する。
まず、S301における処理を説明する。ここでは、燃料電池システムに接続された負荷装置25の運転状態に基づいて、要求出力電力を算出するが、例えば、ハイブリッド型電気自動車へ燃料電池システムを搭載した場合の処理の例を、図4に示したフローチャートを用いて説明する。
Next, details of processing in each step of S301 to S307 will be described.
First, the process in S301 will be described. Here, the required output power is calculated based on the operating state of the
S401において、車両に備えたアクセルセンサの出力に基づいて、ドライバのアクセル操作量を検出し、S402において、車両に備えた車速センサの出力に基づいて、車両の速度を検出する。 In S401, the accelerator operation amount of the driver is detected based on the output of the accelerator sensor provided in the vehicle. In S402, the vehicle speed is detected based on the output of the vehicle speed sensor provided in the vehicle.
次に、S403において、要求出力電力の基本値を算出する。これは、例えば、アクセル操作量と車両速度とに基づいて、図5に示したマップデータを用いて算出する。このように、燃料電池システムの負荷装置である車両の運転状態に基づいて要求出力電力を算出し、要求出力電力と、補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値との和に基づいて、燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を制御しているので、燃料電池へ要求される発電電力の変化に先行してガスの供給制御を行うことができ、必要な発電電力の取り出しに対してガスの供給を早めることが可能となるという効果がある。 Next, in S403, a basic value of the required output power is calculated. This is calculated, for example, using the map data shown in FIG. 5 based on the accelerator operation amount and the vehicle speed. In this way, the required output power is calculated based on the operating state of the vehicle that is the load device of the fuel cell system, and the sum of the required output power and the value whose change temporally precedes the auxiliary machine power consumption. Therefore, the supply of fuel gas and oxidant gas to the fuel cell is controlled, so that the gas supply control can be performed in advance of the change in the generated power required for the fuel cell. There is an effect that the supply of gas can be accelerated with respect to the extraction of electric power.
次いで、S404において、要求出力電力の基本値に対して変化率制限の処理を行って、要求出力電力の算出を行う。この変化率の制限は、例えば、単位時間あたりの変化率の上下限値を設定して変化率の制限を行う方法や、一次遅れなどのフィルタ処理を行う方法などによって行われるが、燃料電池の出力電力を変化させることが可能な変化速度の上限を超えないように、変化率の上下限値やフィルタの特性を設定する。 Next, in S404, a change rate restriction process is performed on the basic value of the required output power to calculate the required output power. The change rate is limited by, for example, a method of setting the upper and lower limit values of the change rate per unit time to limit the change rate, a method of performing filter processing such as first order lag, etc. The upper and lower limit values of the change rate and the filter characteristics are set so as not to exceed the upper limit of the change speed at which the output power can be changed.
これにより、ガスの供給が間に合う範囲で要求出力電力を変化させることが可能となり、燃料電池システムに要求される出力電力が変動する過渡運転状態において、ガスの供給不足を発生することなく、要求される電力を出力させることができるという効果がある。 As a result, the required output power can be changed within a range in which the gas supply is in time, and this is required without causing a shortage of gas supply in a transient operation state in which the output power required for the fuel cell system fluctuates. There is an effect that it is possible to output power.
次に、S302における処理を説明する。ここでは、要求出力電力に基づいて、要求出力電力を定常的に出力するために必要なコンプレッサの消費電力(定常時コンプレッサ消費電力)を算出する。これは、例えば、要求出力電力と大気圧とに基づいて、図6に示したマップデータを用いて算出する。尚、大気圧は車両に備えた大気圧センサの出力に基づいて検出する。また、マップデータは、燃料電池システムの台上実験などで定常運転の試験を行い、要求出力電力とコンプレッサの消費電力の関係を確認することによって、値の設定を行うことができる。 Next, the process in S302 will be described. Here, based on the required output power, the power consumption of the compressor (steady-time compressor power consumption) necessary for constantly outputting the required output power is calculated. This is calculated using the map data shown in FIG. 6 based on the required output power and the atmospheric pressure, for example. The atmospheric pressure is detected based on the output of the atmospheric pressure sensor provided in the vehicle. Further, the map data can be set by performing a steady operation test by a bench test of the fuel cell system and confirming the relationship between the required output power and the power consumption of the compressor.
本実施例では、燃料電池システムの補機消費電力をコンプレッサ消費電力のみとしたが、燃料電池の冷却液を循環させるためのポンプや冷却ファンなどの消費電力を含めて算出してもよい。 In this embodiment, the auxiliary machine power consumption of the fuel cell system is only the compressor power consumption, but it may be calculated including the power consumption of the pump and cooling fan for circulating the coolant of the fuel cell.
次に、S303における処理を説明する。ここでは、要求出力電力と定常時コンプレッサ消費電力とに基づいて、ガス供給制御の目標値として用いる目標発電電流(第1の目標発電電流)を算出する。 Next, the process in S303 will be described. Here, a target generated current (first target generated current) used as a target value for gas supply control is calculated based on the required output power and the steady-state compressor power consumption.
まず、要求出力電力と定常時コンプレッサ消費電力の和から、第1の目標発電電力(第1の目標グロス発電電力)を算出する。次に、この第1の目標発電電力に基づいて、図7に示したマップデータを用いて第1の目標発電電流を算出する。このマップデータは、燃料電池の電流に対する電圧の特性をマップデータに設定したものであり、この特性は燃料電池システムの台上実験などで確認することができる。尚、燃料電池の温度は、燃料電池システムに備えた冷却液温度センサなどで検出することができる。 First, the first target generated power (first target gross generated power) is calculated from the sum of the required output power and the steady-state compressor power consumption. Next, based on the first target generated power, a first target generated current is calculated using the map data shown in FIG. In this map data, the characteristics of the voltage with respect to the current of the fuel cell are set in the map data, and this characteristic can be confirmed by a bench test of the fuel cell system. The temperature of the fuel cell can be detected by a coolant temperature sensor provided in the fuel cell system.
これにより、燃料電池の発電におけるガス消費量を決定するパラメータである電流値を制御量としてガスの供給制御を行うことが可能となり、燃料電池システムに要求される出力電力に必要なガス供給量の制御を行うことができるという効果がある。 This makes it possible to perform gas supply control using the current value, which is a parameter for determining gas consumption in power generation of the fuel cell, as a control amount, and to provide the gas supply amount necessary for the output power required for the fuel cell system. There is an effect that control can be performed.
次に、S304における処理を説明する。ここでは、第1の目標発電電流に基づいて、燃料電池システムのガス供給制御を行う。 Next, the process in S304 will be described. Here, gas supply control of the fuel cell system is performed based on the first target generated current.
まず、第1の目標発電電流に基づいて、図8に示したテーブルデータを用いて目標ガス圧力を算出する。このテーブルデータは燃料電池の発電効率などを考慮して設定される。 First, based on the first target generated current, the target gas pressure is calculated using the table data shown in FIG. This table data is set in consideration of the power generation efficiency of the fuel cell.
次に、第1の目標発電電流に基づいて、図9に示したテーブルデータを用いて目標空気流量を算出する。このテーブルデータは、燃料電池内部で局所的な空気供給不足が起きないような空気利用率となるように設定される。 Next, based on the first target generated current, the target air flow rate is calculated using the table data shown in FIG. This table data is set so that the air utilization rate is such that local shortage of air supply does not occur inside the fuel cell.
次に、目標ガス圧力と、目標空気流量とに基づいて、図10に示したマップデータを用いてコンプレッサ指令回転数を算出する。このマップデータは、コンプレッサ6の回転数と圧力比に対する空気流量の特性に基づいて設定される。また、ここで算出されたコンプレッサ指令回転数は、コントローラ13からコンプレッサ駆動回路に対して指示されて、コンプレッサ6が指令回転数に従って駆動される。
Next, based on the target gas pressure and the target air flow rate, the compressor command rotational speed is calculated using the map data shown in FIG. This map data is set based on the characteristics of the air flow rate with respect to the rotation speed of the compressor 6 and the pressure ratio. Further, the compressor command rotational speed calculated here is instructed from the
次に、目標ガス圧力に基づいて、空気圧力制御弁12を操作することによって空気圧力の制御を行う。空気圧力制御弁12の操作は、空気入口圧力センサ15で検出した燃料電池の空気圧力と目標ガス圧力との偏差に基づいて、F/B制御により空気圧力制御弁12の指令開度を決定することにより、実行される。尚、このF/B制御は、PI制御やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、ここで算出された空気圧力制御弁12の指令開度は、コントローラ13から空気圧力制御弁12の駆動回路に対して指示されて、空気圧力制御弁12が指令開度に従って駆動される。
Next, the air pressure is controlled by operating the air pressure control valve 12 based on the target gas pressure. The operation of the air pressure control valve 12 determines the command opening of the air pressure control valve 12 by F / B control based on the deviation between the air pressure of the fuel cell detected by the air inlet pressure sensor 15 and the target gas pressure. Is executed. The F / B control can be configured by a generally well-known method such as PI control or model reference control. Further, the command opening degree of the air pressure control valve 12 calculated here is instructed from the
次に、目標ガス圧力に基づいて、水素圧力制御弁14を操作することによって水素圧力の制御を行う。水素圧力制御弁14の操作は、水素入口圧力センサ9で検出した燃料電池の水素圧力と目標ガス圧力との偏差に基づいて、F/B制御により水素圧力制御弁14の指令開度を決定することにより、実行される。尚、このF/B制御は、PI制御やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、ここで算出された水素圧力制御弁14の指令開度は、コントローラ13から水素圧力制御弁14の駆動回路に対して指示されて、水素圧力制御弁14が指令開度に従って駆動される。
Next, the hydrogen pressure is controlled by operating the hydrogen pressure control valve 14 based on the target gas pressure. The operation of the hydrogen pressure control valve 14 determines the command opening of the hydrogen pressure control valve 14 by F / B control based on the deviation between the hydrogen pressure of the fuel cell detected by the hydrogen inlet pressure sensor 9 and the target gas pressure. Is executed. The F / B control can be configured by a generally well-known method such as PI control or model reference control. The command opening degree of the hydrogen pressure control valve 14 calculated here is instructed from the
次に、S305における処理を説明する。ここでは、実際にコンプレッサ6で消費している電力(実コンプレッサ消費電力)の検出を行う。コンプレッサ消費電力の検出は、コンプレッサ駆動回路においてコンプレッサモータの回転数とトルクを検出し、回転数とトルクの積を算出することによって行うことができる。尚、コンプレッサモータでの電力の損失を加味してもよく、その場合、回転数とトルクに対する電力の損失特性をマップデータに設定し、算出すればよい。また、S302における処理と同様に、燃料電池の冷却液を循環させるためのポンプや冷却ファンなどの消費電力を含めて検出してもよい。 Next, the process in S305 will be described. Here, the power actually consumed by the compressor 6 (actual compressor power consumption) is detected. The compressor power consumption can be detected by detecting the rotation speed and torque of the compressor motor in the compressor drive circuit and calculating the product of the rotation speed and torque. The power loss in the compressor motor may be taken into account, and in that case, the power loss characteristic with respect to the rotation speed and torque may be set in the map data and calculated. Further, similarly to the processing in S302, detection may be made including power consumption of a pump or a cooling fan for circulating the coolant of the fuel cell.
次に、S306における処理を説明する。ここでは、要求出力電力と実コンプレッサ消費電力とに基づいて、燃料電池の発電電力制御の目標値として用いる目標発電電流(第2の目標発電電流)を算出する。 Next, the process in S306 will be described. Here, a target generated current (second target generated current) used as a target value for the generated power control of the fuel cell is calculated based on the required output power and the actual compressor power consumption.
まず、要求出力電力と実コンプレッサ消費電力の和から、第2の目標発電電力(第2の目標グロス発電電力)を算出する。次に、この第2の目標グロス発電電力に基づいて、図7に示したマップデータを用いて第2の目標発電電流を算出する。このマップデータは、S303における処理で使用したものと同じマップデータである。 First, the second target generated power (second target gross generated power) is calculated from the sum of the required output power and the actual compressor power consumption. Next, based on the second target gross generated power, a second target generated current is calculated using the map data shown in FIG. This map data is the same map data used in the processing in S303.
次に、S307における処理を説明する。ここでは、第2の目標発電電流に基づいて、燃料電池の発電電力制御を行う。 Next, the process in S307 will be described. Here, the generated power of the fuel cell is controlled based on the second target generated current.
まず、燃料電池に備えた電圧センサ18の出力に基づいて、燃料電池の電圧を検出する。次に、検出した燃料電池の電圧と第2の目標発電電流の積から、燃料電池の発電指令電力を算出する。この発電指令電力は、コントローラ13から電力制御装置24に対して指示され、発電指令電力に従って燃料電池の発電電力が制御される。
First, the voltage of the fuel cell is detected based on the output of the
このように、燃料電池の発電電力の制御とガス供給制御を行うことによって、燃料電池の負荷が変動した場合の、燃料電池の発電可能な電力と補機消費電力、及び、ガス供給量は、図12に示すように変化する。 Thus, by controlling the power generated by the fuel cell and controlling the gas supply, when the load on the fuel cell fluctuates, the power that can be generated by the fuel cell, the auxiliary power consumption, and the gas supply amount are: It changes as shown in FIG.
いま、燃料電池システムへ要求される要求出力電力がCに示すように変化した場合、要求出力電力を定常的に出力するために必要な補機消費電力(定常時補機消費電力)はDに示すように変化する。一方、要求ネット電力に対応した目標ガス供給量をGに示すように変化させると、定常時補機消費電力に対応したガス供給量を含めた目標ガス供給量はFに示すように変化する。その結果、実際のガス供給量はHに示すように変化するので、燃料電池が発電可能なグロス電力はBに示すように変化する。また、要求ネット電力とEに示した実際の補機消費電力の合計はAに示すように変化するので、補機消費電力を含めて要求ネット電力を出力することが可能であることがわかる。 When the required output power required for the fuel cell system changes as indicated by C, the auxiliary machine power consumption (steady-time auxiliary machine power consumption) required to output the required output power constantly is D. It changes as shown. On the other hand, when the target gas supply amount corresponding to the required net power is changed as indicated by G, the target gas supply amount including the gas supply amount corresponding to the stationary auxiliary machine power consumption changes as indicated by F. As a result, since the actual gas supply amount changes as indicated by H, the gross power that can be generated by the fuel cell changes as indicated by B. Further, since the sum of the required net power and the actual auxiliary power consumption shown in E changes as shown in A, it can be seen that the required net power can be output including the auxiliary power consumption.
101…要求出力電力算出手段
102…加算手段
103…定常時補機消費電力算出手段
104…第1目標発電電流算出手段
105…ガス供給制御手段
106…補機消費電力検出手段
107…加算手段
108…第2目標発電電流算出手段
109…発電電力制御手段
101 ... Required output power calculation means 102 ... Addition means 103 ... Steady state auxiliary machine power consumption calculation means 104 ... First target generated current calculation means 105 ... Gas supply control means 106 ... Auxiliary machine power consumption detection means 107 ... Addition means 108 ... Second target generated current calculation means 109 ... generated power control means
Claims (6)
前記補機の消費電力を検出する補機消費電力検出手段と、
該補機消費電力検出手段が検出した補機の消費電力に基づいて、前記燃料電池の発電電力を制御する発電電力制御手段と、
前記補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値に基づいて、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を制御するガス供給制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。 In a fuel cell system including a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and an auxiliary device for generating the fuel cell,
Auxiliary machine power consumption detection means for detecting the power consumption of the auxiliary machine,
Generated power control means for controlling the generated power of the fuel cell based on the power consumption of the auxiliary machine detected by the auxiliary machine power consumption detecting means;
Gas supply control means for controlling the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell based on a value that temporally precedes the change in the auxiliary machine power consumption;
A control apparatus for a fuel cell system, comprising:
前記発電電力制御手段は、前記要求出力電力と前記補機消費電力との和に基づいて、前記燃料電池の発電電力を制御し、
前記ガス供給制御手段は、前記要求出力電力と、前記補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値との和に基づいて、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を制御することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システムの制御装置。 The fuel cell system further comprises required output power calculation means for calculating required output power,
The generated power control means controls the generated power of the fuel cell based on the sum of the required output power and the auxiliary machine power consumption,
The gas supply control means, based on the sum of the required output power and a value whose change temporally precedes the auxiliary machine power consumption, the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell 2. The fuel cell system control apparatus according to claim 1, wherein the supply of the fuel cell system is controlled.
前記ガス供給制御手段は、前記目標発電電流に基づいて、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を制御する手段であることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。 A target generated current calculating means for calculating a target generated current of the fuel cell;
The gas supply control means is means for controlling supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell based on the target generated current. A control device for a fuel cell system according to claim 1.
前記燃料電池システムの出力電力を変化させることが可能な変化速度の上限を超えないように、前記要求出力電力の変化速度を制限することを特徴とする請求項2乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。 The required output power calculation means includes
5. The change rate of the required output power is limited so as not to exceed an upper limit of a change rate at which the output power of the fuel cell system can be changed. The control apparatus for a fuel cell system according to the item.
前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給するためのコンプレッサの消費電力を検出するコンプレッサ消費電力検出手段を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。 The auxiliary machine power consumption detecting means is
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, further comprising compressor power consumption detection means for detecting power consumption of a compressor for supplying an oxidant gas to the fuel cell. Control device.
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