JP2006185907A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、低温環境下でのシステムの起動性を改善した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having improved system startability in a low temperature environment.
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、低温起動時に燃料電池に供給する水素ガスの供給圧力を定常運転時よりも低下させることで低温起動時の発電効率を低下させ、燃料電池の自己発熱量を増大させて、燃料電池の暖機時間を短縮するようにしている。
上記従来の燃料電池システムにおいては、低温起動時には効率の悪い発電により自己発熱量を増大させて燃料電池自体を昇温させていたが、低温環境下では、燃料電池に供給される水素ガスや空気ガスの反応ガスも低温になっている。特に氷点下の低温環境下での起動時に、燃料電池の発電が十分でない起動当初に例えば氷点下の空気ガスが燃料電池のカソード極に導入されると、発電によりカソード極側で生成された水分が凍結し、発電ができなくなるおそれがあった。 In the above conventional fuel cell system, the temperature of the fuel cell itself is increased by increasing the self-heating value by inefficient power generation at low temperature startup. However, in a low temperature environment, hydrogen gas or air supplied to the fuel cell is used. The gas reaction gas is also cold. In particular, when starting in a low-temperature environment below freezing, if the fuel cell power generation is not sufficient, for example, if subzero air gas is introduced into the cathode of the fuel cell at the beginning, the water generated on the cathode side due to power generation will freeze. However, there is a risk that power generation cannot be performed.
このような不具合を回避するために、氷点下でのシステムの起動時には、空気ガスを昇温した後燃料電池に供給する手法が採用されていた。空気ガスを昇温するためには、そのための電力が必要となるが、発電開始当初の発電が十分でない状態では、燃料電池からの電力の供給が十分に期待できないため、システムに備えられたバッテリ（二次電池）からの給電に多くを頼っていた。しかし、バッテリの蓄電量が十分でない場合には、空気ガスを昇温するのに十分な電力を供給することが困難となり、空気ガスが十分に昇温できず、発電ができなくなるといった不具合を招くおそれがあった。 In order to avoid such a problem, a method has been adopted in which the temperature of the air gas is raised and then supplied to the fuel cell when the system is started below freezing. In order to raise the temperature of the air gas, electric power for that purpose is required, but in the state where power generation at the beginning of power generation is not sufficient, supply of power from the fuel cell cannot be expected sufficiently, so the battery provided in the system Relied heavily on power from (secondary batteries). However, when the amount of electricity stored in the battery is not sufficient, it is difficult to supply sufficient power to raise the temperature of the air gas, and the air gas cannot be heated sufficiently and power generation cannot be performed. There was a fear.
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低温環境下でもシステムを円滑に起動できる燃料電池システムを提供することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of smoothly starting the system even in a low temperature environment.
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、前記昇温手段で昇温される酸化剤ガスの目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、前記燃料電池システムの起動時に、前記昇温手段で消費される電力、前記補機で消費される電力、前記二次電池から供給可能な電力、ならびに前記燃料電池の発電によって得られる発電電力の電力収支に基づいて前記昇温手段の運転条件を設定し、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温を制御する制御手段とを有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, means for solving the problems of the present invention include a fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and an auxiliary machine that is required when the fuel cell generates electricity. In the fuel cell system comprising a secondary battery for supplying the stored electric power, a temperature raising means for raising the temperature of the oxidant gas supplied to the fuel cell when the fuel cell system is activated, and the temperature raising means The target temperature and target temperature increase time of the oxidant gas to be increased in temperature are set, and when the fuel cell system is started up, the power consumed by the temperature increasing means, the power consumed by the auxiliary device, the secondary Based on the power that can be supplied from the battery and the power balance of the generated power obtained by the power generation of the fuel cell, the operating condition of the temperature raising means is set, and the temperature rise of the oxidant gas supplied to the fuel cell is controlled Control means Characterized in that it has a.
本発明によれば、システムの電力収支に基づいて、燃料電池に供給される空気を昇温制御することで、消費可能な電力に応じて空気の昇温処理を適切に行うことができる。これにより、供給される空気によって燃料電池が冷やされて燃料電池内で生成水が氷結するのを防止することが可能となり、低温環境下でもシステムを円滑に起動することができる。 According to the present invention, the temperature of the air supplied to the fuel cell is controlled based on the power balance of the system, so that the temperature of the air can be appropriately increased according to the power that can be consumed. As a result, it is possible to prevent the fuel cell from being cooled by the supplied air and prevent the generated water from freezing in the fuel cell, and the system can be started smoothly even in a low temperature environment.
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The best embodiment for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池１と、燃料ガス系の構成として水素供給タンク２、水素圧力レギュレータ３、パージ調整弁４ならびに水素循環ポンプ５を備え、酸化剤ガス系の構成として空気供給装置６ならびに空気調圧弁７を備え、さらに冷却水ポンプ８を備えている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to
燃料電池１は、供給される燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気とを化学反応させて発電を行い、発電で発生した熱は冷却水ポンプ８で燃料電池１を循環される冷却水で除去される。燃料電池１に供給される水素は水素供給タンク２に貯蔵され、水素供給タンク２に貯蔵された水素は、水素圧力レギュレータ３で圧力調整されて燃料電池１に供給される。燃料電池１から排出された未使用の水素は、その一部が循環水素系に蓄積した窒素をパージするパージ調整弁４を介して排気される一方、残りの水素は水素循環ポンプ５を介して燃料電池１の水素入口側に戻されて循環される。循環された循環水素は、水素供給タンク２から導出された水素と混合されて混合水素として燃料電池１に供給される。循環水素系を循環する循環水素は、水蒸気を多く含んでおり、水素供給タンク２から導出される乾燥した水素と混合することで、燃料電池１のアノード極に供給する水素を加湿するようにしている。
The
一方、燃料電池１には、空気供給装置６から酸化剤ガスの空気が供給され、燃料電池１から排出された未使用の空気は、燃料電池１のカソード極に導入される空気の圧力を調整する空気調圧弁７を介して圧力調整されて排気される。空気供給装置６は、空気を圧縮するコンプレッサで構成され、このコンプレッサで圧縮された空気が燃料電池１に供給される。したがって、燃料電池１に供給される空気は、その圧力と流量がコンプレッサの回転数ならびに空気調圧弁７の弁開度に基づいて設定調整される。また、燃料電池１に供給される空気は、空気供給装置６のコンプレッサによって圧縮されるため、圧縮により発熱する。したがって、空気供給装置６と空気調圧弁７によって燃料電池１に供給される空気は昇温されるので、空気供給装置６と空気調圧弁７は、空気を昇温する昇温手段として機能する。空気の発熱量は、空気の圧力と流量により変化するので、空気の昇温は圧力と流量とに基づいて制御される。
On the other hand, oxidant gas air is supplied from the air supply device 6 to the
燃料電池システムは、さらに電力変換装置９、負荷装置１０、バッテリ１１、バッテリコントローラ１２ならびに各種センサ類を備えている。
The fuel cell system further includes a power conversion device 9, a
燃料電池１の発電で得られた電力は、電力変換装置９により負荷装置１０又はバッテリ１１の仕様に対応した電力に変換されて、負荷装置１０及び／又はバッテリ１１に与えられる。負荷装置１０は、例えばインバータや発電で得られた電力を消費する駆動モータからなり、インバータで構成された場合には、発電で得られた電力を消費する駆動モータ等の負荷がインバータに接続される。負荷装置１０では発電値を設定して、設定した発電値に応じて燃料電池１から負荷電流を取り出すようにしている。
The electric power obtained by the power generation of the
電力変換装置９で電力変換されてバッテリ１１に与えられた電力は、バッテリ１１に蓄電され、蓄電された電力は例えばシステムの起動時に補機となる空気供給装置６に供給されて、コンプレッサを駆動する電力の一部を担う。バッテリコントローラ１２は、バッテリ１１に接続され、バッテリ１１のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：充電状態）を測定し、バッテリコントローラ１２で測定されたＳＯＣはバッテリ１１から供給可能な電力を見積もる等に使用される。
The power converted by the power conversion device 9 and applied to the battery 11 is stored in the battery 11, and the stored power is supplied to the air supply device 6 that is an auxiliary machine when the system is started, for example, to drive the compressor It bears a part of electric power. The
各種センサ類として、燃料電池１の水素入口には、燃料電池１に導入される水素の圧力を計測する圧力センサ１３ならびに温度を計測する温度センサ１４が設けられている。燃料電池１の冷却水流路出口には、燃料電池１から排出された冷却水の温度を計測する温度センサ１５が設けられている。燃料電池１には、燃料電池１を構成する燃料電池セルの電圧を計測する電圧センサ１６が設けられている。空気供給装置６の上流側には、空気供給装置６に吸入される空気の温度を計測する温度センサ１７が設けられている。燃料電池１の空気入口には、燃料電池１に導入される空気の圧力を計測する圧力センサ１８ならびに温度を計測する温度センサ１９が設けられている。
As various sensors, the hydrogen inlet of the
燃料電池１と電力変換装置９との間には、燃料電池１から電力変換装置９に流れる負荷電流を計測する電流センサ２０と、燃料電池１から電力変換装置９に与えられる電圧を計測する電圧センサ２１が設けられている。燃料電池１とバッテリ１１との間には、電力変換装置９からバッテリ１１に与えられる電圧を計測する電圧センサ２２ならびに電流を計測する電流センサ２３が設けられている。バッテリ１１の近傍には、バッテリ１１の温度を近似するバッテリ１１の近傍温度を計測する温度センサ２４が設けられている。
Between the
燃料電池システムは、図示しないがコントロールユニットを備えている。このコントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、図１に示す各種センサ類を含む本システムにおけるすべてのセンサ類（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、空気供給装置６ならびに空気調圧弁７を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する起動時の昇温処理ならびに電力の収支計算を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。 Although not shown, the fuel cell system includes a control unit. The control unit functions as a control center for controlling the operation of the system, and is provided with resources such as a CPU, a storage device, and an input / output device necessary for a computer that controls various operation processes based on a program, for example, a microcomputer Etc. The control unit reads signals from all the sensors (not shown) in this system including the various sensors shown in FIG. 1, and based on the read various signals and the control logic (program) stored in advance in advance. Commands are sent to each component of the system including the air supply device 6 and the air pressure regulating valve 7, and all necessary for operating / stopping the system including the temperature rising process at startup and calculation of the power balance described below are described. Control and control the overall operation.
次に、図２に示すフローチャートを参照して、実施例１に係る低温起動時の起動手順を説明する。 Next, the startup procedure at the time of low temperature startup according to the first embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
図２において、先ずシステムを低温モードで起動するか否かを判断する（ステップＳ２００）。実施例１では、温度センサ１７で計測された空気供給装置６の吸入空気温度と、温度センサ１５で計測された燃料電池出口冷却水温度に基づいて、低温モードで起動するか、もしくは通常モードで起動するかを判断する。この判断処理は、図３に示すフローチャートにしたがって実行される。
In FIG. 2, it is first determined whether or not the system is started in the low temperature mode (step S200). In the first embodiment, based on the intake air temperature of the air supply device 6 measured by the temperature sensor 17 and the fuel cell outlet cooling water temperature measured by the
図３において、吸入空気温度＜閾値Ｔｈ１、あるいは燃料電池出口冷却水温度＜閾値Ｔｈ２であるか否かを判別し（ステップＳ３００）、これらの要件が満たされればシステムを低温モードで起動するための処理を実行する一方、満たされない場合には、通常の起動が可能であると判断して、通常起動の処理に移行する（ステップＳ２０１）。ここで、閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２は、実験や机上検討等により予め設定される変数であり、本実施例１では例えばＴｈ１＝２℃、Ｔｈ２＝２℃とした。 In FIG. 3, it is determined whether or not the intake air temperature <the threshold value Th1 or the fuel cell outlet cooling water temperature <the threshold value Th2 (step S300). If these requirements are satisfied, the system is started in the low temperature mode. While the process is executed, if not satisfied, it is determined that the normal activation is possible, and the process proceeds to the normal activation process (step S201). Here, the threshold values Th1 and Th2 are variables set in advance through experiments, desk studies, and the like. In the first embodiment, for example, Th1 = 2 ° C. and Th2 = 2 ° C.
図２に戻って、低温モードでシステムを起動する場合には、空気供給装置６のコンプレッサと空気調圧弁７からなる昇温手段で燃料電池入口空気温度を昇温して起動する。昇温手段では、燃料電池１に供給される空気の流量と圧力を調整することで空気を昇温する。そこで、燃料電池入口空気の目標温度を設定する（ステップＳ２０２）。目標温度は、実験や机上検討等により予め設定される変数であり、本実施例１では燃料電池１内で氷結のおそれがないと分かっている例えば２℃とした。
Returning to FIG. 2, when starting the system in the low temperature mode, the fuel cell inlet air temperature is raised by the temperature raising means including the compressor of the air supply device 6 and the air pressure regulating valve 7. The temperature raising means raises the temperature of the air by adjusting the flow rate and pressure of the air supplied to the
次に、温度センサ１７で計測された現在の空気の吸入温度から目標温度まで昇温する目標昇温時間（初期値）を設定する（ステップＳ２０３）。ここでは、目標昇温時間の初期値を設定するが、後述する電力収支に応じて目標昇温時間は変更される。本実施例１では初期値を例えば１０秒程度に設定した。 Next, a target temperature raising time (initial value) for raising the temperature from the current air intake temperature measured by the temperature sensor 17 to the target temperature is set (step S203). Here, an initial value of the target temperature increase time is set, but the target temperature increase time is changed according to the power balance described later. In the first embodiment, the initial value is set to about 10 seconds, for example.
続いて、バッテリ１１が供給可能な電力を推定する（ステップＳ２０４）。バッテリ１１の供給可能な電力を推定するにあたって、先ずバッテリ１１の温度をパラメータとして前述したバッテリ１１のＳＯＣと供給可能な電力との関係を表す、例えば図４に示すようなマップ関数を予め実験等を行って作成し、それをコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。なお、バッテリ１１の温度は、直接計測することは困難であるため、本実施例１ではバッテリ１１の近傍に温度センサ２４を取り付けて計測するようにした。したがって、温度センサ２４で計測されたバッテリ温度とバッテリコントローラ１２で測定されたバッテリ１１のＳＯＣとに基づいて、図４に示すマップ関数から供給可能なバッテリ電力を推定する。
Subsequently, the power that can be supplied by the battery 11 is estimated (step S204). In estimating the power that can be supplied from the battery 11, first, the map function as shown in FIG. To create it and store it in the storage device of the control unit. Since it is difficult to directly measure the temperature of the battery 11, the
図２に戻って、次に、目標昇温時間を選択し、選択した目標昇温時間内に空気を目標温度以上に昇温するための昇温手段の運転条件となる空気の目標流量と目標圧力を求める（ステップＳ２０５）。目標流量ならびに目標圧力を求めるにあたって、先ず目標昇温時間ならびに空気流量をパラメータとして空気圧力と昇温手段の消費電力との関係を表す、例えば図５に示すようなマップ関数を予め実験等を行って作成し、それをコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ関数では、目標昇温温度を実現する空気圧力と空気流量の組み合わせは複数存在するが、ここではその組み合わせの中から消費電力が最も少なくなる組み合わせを選択して、目標空気流量と目標空気圧力を求めている。目標空気流量と目標空気圧力が求められると、求めた目標空気流量と目標空気圧力を実現するための、コンプレッサの回転数ならびに空気調圧弁７の弁開度をコントロールユニットで算出する。この算出は、予め実験等により回転数と弁開度に対する空気圧力と空気流量との関係を示すデータを取得し、このデータに基づいて行われる。 Returning to FIG. 2, next, a target temperature rise time and a target flow rate and a target, which are the operating conditions of the temperature raising means for raising the air to the target temperature or higher within the selected target temperature rise time, are selected. The pressure is obtained (step S205). In determining the target flow rate and the target pressure, first, the relationship between the air pressure and the power consumption of the temperature raising means is expressed using the target temperature rise time and the air flow rate as parameters. Is created and stored in the storage device of the control unit. In this map function, there are multiple combinations of air pressure and air flow rate that achieve the target temperature rise, but here, the combination with the least power consumption is selected from these combinations, and the target air flow rate and target air flow are selected. Seeking pressure. When the target air flow rate and the target air pressure are obtained, the rotation speed of the compressor and the valve opening degree of the air pressure regulating valve 7 for realizing the obtained target air flow rate and target air pressure are calculated by the control unit. This calculation is performed on the basis of data indicating the relationship between the air pressure and the air flow rate with respect to the rotational speed and the valve opening in advance through experiments or the like.
図２に戻って、次に、図５に示すＭＡＰ関数を用いて、昇温手段で消費する電力を推定する（ステップＳ２０６）。続いて、昇温手段以外の、水素循環ポンプ５や冷却水ポンプ８、各種弁等の補機で消費される電力を推定する（ステップＳ２０７）。本実施例１では、予め実験等を行って得た電力データに基づいて推定するようにしている。
Returning to FIG. 2, next, the power consumed by the temperature raising means is estimated using the MAP function shown in FIG. 5 (step S206). Subsequently, the power consumed by auxiliary equipment such as the hydrogen circulation pump 5, the cooling
次に、システムの起動時に得られる電力と昇温で消費される電力との電力収支がゼロ以上となる燃料電池最低目標発電値を計算する（ステップＳ２０８）。ここで、
Ｐ１１：ステップＳ２０４で求めたバッテリ１１から供給可能な電力
Ｐ１２：燃料電池最低目標発電値
Ｐ１３：ステップＳ２０６で求めた昇温手段で消費される電力
Ｐ１４：ステップＳ２０７で求めた昇温手段以外の補機で消費される電力
とすると、
（数１）
Ｐ１１＋Ｐ１２−Ｐ１３−Ｐ１４＞第１の所定閾値（ＰＴＨ１）
となるように燃料電池最低目標発電値を算出する。
Next, the fuel cell minimum target power generation value at which the power balance between the power obtained at the system startup and the power consumed by the temperature rise becomes zero or more is calculated (step S208). here,
P11: Electric power that can be supplied from the battery 11 obtained in step S204 P12: Minimum fuel cell target power generation value P13: Electric power consumed by the temperature raising means obtained in step S206 P14: Supplement other than the temperature raising means obtained in step S207 If the power consumed by the machine,
(Equation 1)
P11 + P12-P13-P14> first predetermined threshold value (PTH1)
The minimum target power generation value of the fuel cell is calculated so that
計算上では、（Ｐ１１＋Ｐ１２−Ｐ１３−Ｐ１４）の収支が０未満即ち負値である場合を想定している。しかし、実際には、誤差が含まれるので、収支が＋１程度の正値でも真値は収支マイナスという場合も考えられる。このような理由から、閾値ＰＴＨ１は＋１（ｋＷ）程度の正値を用いてもよい。 In the calculation, it is assumed that the balance of (P11 + P12−P13−P14) is less than 0, that is, a negative value. However, since an error is actually included, even if the balance is a positive value of about +1, the true value may be a balance minus. For this reason, the threshold value PTH1 may be a positive value of about +1 (kW).
ここで、本実施例１では、上記関係を満たすようにするために、図６に示すように燃料電池最低目標発電値Ｐ１２を決めている。すなわち、ここで、Ｐ１３＋Ｐ１４＋ＴＨ１−Ｐ１１＝Ｇとすると、
（数２）
Ｐ１２＝Ｇ×係数 （係数：１以上の任意の値）
として算出する。Ｇ＞０の場合は電力不足を表す一方、Ｇ≦０の場合は電力が足りることを表しているので、電力が足りる場合には本実施例１では目標昇温時間を短くする短縮モードに進むが、この判断は後述する。
Here, in the first embodiment, in order to satisfy the above relationship, the fuel cell minimum target power generation value P12 is determined as shown in FIG. That is, where P13 + P14 + TH1-P11 = G,
(Equation 2)
P12 = G × coefficient (coefficient: arbitrary value of 1 or more)
Calculate as When G> 0, the power is insufficient, while when G ≦ 0, the power is sufficient. When the power is sufficient, the first embodiment proceeds to a shortening mode for shortening the target temperature increase time. However, this determination will be described later.
なお、目標発電電力Ｐ１２の設定では、電力収支が０以上になるように決定する。しかし、実際には、誤差が含まれるので、収支が＋１程度の正でも真値は収支マイナスという場合が考えられる。従って、上記係数は例えば＋１．５程度を用いてもよい。 In setting the target generated power P12, the power balance is determined to be 0 or more. However, since an error is actually included, there may be a case where the true value is a negative balance even if the balance is a positive value of about +1. Therefore, for example, about +1.5 may be used as the coefficient.
このようにして燃料電池最低目標発電値を算出すると、算出した燃料電池最低目標発電値と燃料電池発電値の上限値とを比較し、比較結果に基づいて低温モードで起動するか否かを再度判断する（ステップＳ２０９）。この判断手順は図７（ａ）に示すフローチャートにしたがって実行される。 When the fuel cell minimum target power generation value is calculated in this way, the calculated fuel cell minimum target power generation value is compared with the upper limit value of the fuel cell power generation value, and whether or not to start in the low temperature mode is again determined based on the comparison result. Judgment is made (step S209). This determination procedure is executed according to the flowchart shown in FIG.
図７（ａ）において、先ず燃料電池温度と発電可能な上限値との関係を表す温度感度の実験を予め行い、同図（ｂ）に示すような、実験で得られたデータに基づいて上限値ＰＴＨ３を設定する（ステップＳ７００）。その後、燃料電池最低目標発電値と上限値（ＰＴＨ３）とを比較し（ステップＳ７０１）、燃料電池最低目標発電値が設定した上限値より小さい場合には、システムを起動する一方（ステップＳ７０２）、燃料電池最低目標発電値が上限値より大きい場合には、システムが起動不可能と判断してシステムは起動しない（ステップＳ７０３，ステップＳ２１０）。 In FIG. 7 (a), first, an experiment of temperature sensitivity representing the relationship between the fuel cell temperature and the upper limit value capable of power generation is performed in advance, and the upper limit is based on the data obtained in the experiment as shown in FIG. 7 (b). A value PTH3 is set (step S700). Thereafter, the fuel cell minimum target power generation value and the upper limit value (PTH3) are compared (step S701). If the fuel cell minimum target power generation value is smaller than the set upper limit value, the system is started (step S702), When the fuel cell minimum target power generation value is larger than the upper limit value, it is determined that the system cannot be started, and the system is not started (steps S703 and S210).
次に、図２に戻って、システムが起動された場合には、システム起動中の現在の電力収支を計算する（ステップＳ２１１）。この計算は、図８（ａ）のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。 Next, returning to FIG. 2, when the system is activated, the current power balance during the system activation is calculated (step S211). This calculation is executed according to the procedure shown in the flowchart of FIG.
図８（ａ）において、先ず電流センサ２０の計測値と電圧センサ２１の計測値をコントロールユニットに読み込み、読み込んだ値に基づいて燃料電池１の発電値を計算する。また、電圧センサ２２の計測値と電流センサ２３の計測値をコントロールユニットに読み込み、読み込んだ値に基づいてバッテリ１１の供給電力を計算する（ステップＳ８００）。ここで、
Ｐ１５：バッテリ１１の供給電力
Ｐ１６：燃料電池１の発電値
Ｐ１３：ステップＳ２０６で求めた昇温手段で消費される電力
Ｐ１４：ステップＳ２０７で求めた昇温手段以外の補機で消費される電力
とし、図８（ｂ）に示すように、第２の所定閾値（ＰＴＨ２）＞第１の所定閾値（ＰＴＨ１）とすると、
（数３）
Ｐ１５＋Ｐ１６−Ｐ１３−Ｐ１４＞第２の所定閾値（ＰＴＨ２）＞第１の所定閾値（ＰＴＨ１）
であるか否かを判断する（ステップＳ８０１）。ここで、ＰＴＨ２の設定は電力収支に余裕がある場合で、もっと補機で電力を消費できるような場合を想定している。従って、ＰＴＨ２は、例えば（電力収支＋５）（ｋＷ）以上に設定してもよい。
8A, first, the measured value of the
P15: Supply power of the battery 11 P16: Generated value of the fuel cell P13: Electric power consumed by the temperature raising means obtained in step S206 P14: Electricity consumed by auxiliary equipment other than the temperature raising means obtained in step S207 As shown in FIG. 8B, when the second predetermined threshold (PTH2)> the first predetermined threshold (PTH1),
(Equation 3)
P15 + P16-P13-P14> second predetermined threshold (PTH2)> first predetermined threshold (PTH1)
It is determined whether or not (step S801). Here, the setting of PTH2 assumes a case where there is a surplus in the power balance, and a case where power can be consumed by the auxiliary equipment. Therefore, PTH2 may be set to, for example, (power balance + 5) (kW) or more.
判断の結果、上式を満足する場合には、電力収支は極めて良好で電力に余裕があるものと判断し、昇温手段の運転条件を変更するか否かを表す運転条件変更フラグに１を代入し（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝１）（ステップＳ８０２）、目標昇温時間を短縮する短縮モードの処理に進む。ステップＳ８０１の判断の結果、上式を満足しない場合には、
（数４）
Ｐ１５＋Ｐ１６−Ｐ１３−Ｐ１４＜第１の所定閾値（ＰＴＨ１）
であるか否かを判断する（ステップＳ８０３）。判断の結果、満足する場合には、電力に余裕がないと判断し、運転条件変更フラグに２を代入し（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝２）（ステップＳ８０４）、目標昇温時間を延長して電力を節約する電力節約モードの処理に進む。一方、満足しない場合には、現状維持として運転条件変更フラグに３を代入する（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝３）（ステップＳ８０５）。
As a result of the determination, if the above equation is satisfied, it is determined that the power balance is very good and the power has a margin, and 1 is set to the operation condition change flag indicating whether or not to change the operation condition of the temperature raising means. Substitution is made (FLAG_CHANGE = 1) (step S802), and the process proceeds to a shortening mode process for shortening the target temperature raising time. If the result of determination in step S801 does not satisfy the above expression,
(Equation 4)
P15 + P16-P13-P14 <first predetermined threshold value (PTH1)
It is determined whether or not (step S803). If the result of the determination is satisfied, it is determined that there is not enough power, and 2 is assigned to the operating condition change flag (FLAG_CHANGE = 2) (step S804), and the target temperature increase time is extended to save power. The process proceeds to the power saving mode. On the other hand, if not satisfied, 3 is substituted for the operating condition change flag to maintain the current state (FLAG_CHANGE = 3) (step S805).
このように、電力収支を計算するステップＳ２１１では、燃料電池１での発電が先のステップＳ２０８で設定した燃料電池最低目標発電値以上の発電が起動中に実際にできているか否かを検証していることと同じである。
In this way, in step S211 for calculating the power balance, it is verified whether or not the power generation in the
次に、図２に戻って、ステップＳ２１１で計算された電力収支に基づいて設定された運転条件変更フラグ（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ）に応じて昇温手段の運転条件を変更する（ステップＳ２１２）。この変更処理は、図９のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。 Next, returning to FIG. 2, the operating condition of the temperature raising means is changed according to the operating condition change flag (FLAG_CHANGE) set based on the power balance calculated in step S211 (step S212). This change process is executed according to the procedure shown in the flowchart of FIG.
図９において、運転条件変更フラグＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝１で、バッテリ１１のＳＯＣが閾値ＰＴＨ４より大きい場合には（ステップＳ９００，９０１）、目標昇温時間を現在の値よりも短い値に変更して、短縮モードとする（ステップＳ９０２）。ここで、閾値ＰＴＨ４の設定は電力収支に余裕がある場合で、もっと補機で電力を消費できるような場合を想定している。従って、閾値ＰＴＨ４はバッテリ１１のＳＯＣの例えば５０％程度以上に設定してもよい。 In FIG. 9, when the operating condition change flag FLAG_CHANGE = 1 and the SOC of the battery 11 is larger than the threshold value PTH4 (steps S900, 901), the target temperature increase time is changed to a value shorter than the current value and shortened. The mode is set (step S902). Here, the threshold value PTH4 is set when the power balance has a margin, and it is assumed that the power can be consumed by the auxiliary equipment. Therefore, the threshold value PTH4 may be set to, for example, about 50% or more of the SOC of the battery 11.
なお、上記条件で目標昇温時間を現在の値よりも短い値に変更する代わりに、燃料電池１から負荷を取り出す負荷装置１０へ指令する目標発電値が先のステップＳ２０８で求めた燃料電池最低目標発電値を境界として振動するように設定してもよい。すなわち、燃料電池最低目標発電値を境に負荷装置１０への指令が目標発電値を上回る、下回るを繰り返すようにしてもよい。
In addition, instead of changing the target temperature increase time to a value shorter than the current value under the above conditions, the target power generation value commanded to the
目標昇温時間を短く変更する変更方法としては、例えば図５に示すマップ関数を参照して、現在のバッテリ１１のＳＯＣと温度に基づいて使用できる電力を算出し、算出した電力で実現できる空気流量と空気圧力との組み合わせの中から昇温時間が最小となる組み合わせを選択し、選択した昇温時間を目標昇温時間とする。 As a change method for changing the target temperature increase time short, for example, referring to the map function shown in FIG. 5, the power that can be used is calculated based on the current SOC and temperature of the battery 11, and air that can be realized with the calculated power. A combination that minimizes the temperature rise time is selected from the combinations of the flow rate and the air pressure, and the selected temperature rise time is set as the target temperature rise time.
また、運転条件変更フラグＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝１で、バッテリ１１のＳＯＣが閾値ＰＴＨ４より小さい場合には、目標昇温時間は変更せず、次の処理に進む。 When the operating condition change flag FLAG_CHANGE = 1 and the SOC of the battery 11 is smaller than the threshold value PTH4, the target temperature increase time is not changed and the process proceeds to the next process.
一方、運転条件変更フラグＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝２の場合には、目標昇温時間を現在の値よりも長い値に変更して延長モードとし（ステップＳ９０３，９０４）、運転条件変更フラグＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝３の場合には、目標昇温時間は変更せず、次の処理に進む。 On the other hand, when the operating condition change flag FLAG_CHANGE = 2, the target temperature increase time is changed to a value longer than the current value to set the extension mode (steps S903 and 904), and when the operating condition change flag FLAG_CHANGE = 3. Advances to the next process without changing the target heating time.
目標昇温時間を長く変更する変更方法としては、例えば図５に示すマップ関数を参照して、現在のバッテリ１１のＳＯＣと温度に基づいて使用できる電力を算出し、算出した電力で実現できる空気流量と空気圧力との組み合わせの中から昇温時間が最大となる組み合わせを選択し、選択した昇温時間を目標昇温時間とする。 As a change method for changing the target temperature increase time longer, for example, referring to the map function shown in FIG. 5, the power that can be used is calculated based on the current SOC and temperature of the battery 11, and air that can be realized with the calculated power. A combination that maximizes the temperature rise time is selected from the combinations of the flow rate and the air pressure, and the selected temperature rise time is set as the target temperature rise time.
目標昇温時間が変更されると、電流センサ２０の計測値と電圧センサ２１の計測値をコントロールユニットに読み込み、読み込んだ値に基づいて燃料電池１の発電電力を計算し、電圧センサ２２の計測値と電流センサ２３の計測値をコントロールユニットに読み込み、読み込んだ値に基づいてバッテリ１１の供給電力を計算する（ステップＳ９０５）。続いて、バッテリ１１の供給電力と燃料電池１の発電電力の和から補機で消費される電力を差し引いた電力で、変更された目標昇温時間を実現できる昇温手段の運転条件の空気流量と空気圧力を、先の図５に示すマップ関数を用いて求め（ステップＳ９０６，ステップＳ２０５）、以降続いてステップＳ２０６〜Ｓ２１２を実行する。
When the target temperature rise time is changed, the measurement value of the
次に、図２に戻って、冷却水ポンプ８を駆動して燃料電池１に冷却水を少量流し、温度センサ１５で燃料電池１の出口側の冷却水温度を計測する（ステップＳ２１３）。計測後、計測結果に基づいて燃料電池１が暖まった否かを判断する。冷却水が燃料電池１内を滞留したままだと正確な温度を把握することが困難となるので、ここでは冷却水を少量流す。この時の冷却水ポンプ８の回転数と流量は、実験データ等に基づいて設定する。
Next, returning to FIG. 2, the cooling
次に、このようにして昇温されて起動されたシステムの昇温を終了して低温状態での起動を完了するか否かを判断する（ステップＳ２１４）。この判断は、図１０に示すフローチャートにしたがって実行される。 Next, it is determined whether or not the temperature rise of the system that has been started up in this way is finished and the start-up in the low temperature state is completed (step S214). This determination is executed according to the flowchart shown in FIG.
図１０において、先ず現在のバッテリ１１のＳＯＣ＜閾値ＰＴＨ８、かつ現在の燃料電池１の発電電力＜燃料電池最低目標発電値Ｐ１２であるか否かを判別し（ステップＳ１０００）、この要件を満たす場合は、システム起動のために最低必要な空気を供給するために必要なコンプレッサの電力がないと判断し、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）に１を代入し（ステップＳ１００１）、起動を停止する（ステップＳ１００２）。ここで、上記閾値ＰＴＨ８は実験データ等から消費電力を見積もって設定することが好ましく、起動を継続できるだけのバッテリ１１のＳＯＣがない状態を想定しているので、例えばＳＯＣの３５％程度を設定するようにしてもよい。
In FIG. 10, first, it is determined whether or not the current SOC of the battery 11 <threshold value PTH8, and the current generated power of the
一方、ステップＳ１０００の要件を満足しない場合には、ステップＳ２１３で計測した燃料電池出口冷却水温度＞閾値Ｔｈ５、または現在の燃料電池入口空気温度＞閾値Ｔｈ６、もしくは現在の燃料電池１の発電電力＞閾値ＰＴＨ９であるか否かを判別する（ステップＳ１００３）。この要件を満たす場合は、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）に２を代入し（ステップＳ１００４）、現在行われている発電に伴う発熱で発電維持に十分と判断して昇温を停止する。しかし、ステップＳ１００３の判別要件を満たしていない場合には、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）に３を代入し（ステップＳ１００５）、現状維持として、昇温を継続する。
On the other hand, when the requirements of step S1000 are not satisfied, the fuel cell outlet cooling water temperature measured in step S213> threshold Th5, or the current fuel cell inlet air temperature> threshold Th6, or the current generated power of the
ここで、上記閾値Ｔｈ５、閾値Ｔｈ６、閾値ＰＴＨ９は実験データ等から見積もって設定してもよい。閾値ＰＴＨ９としては、（最低目標発電電力の最大値＋マージン）程度を発電できる状態を継続できれば、暖機発電を行えると想定できる。最低目標発電電力は電力収支がプラスになるように決定される。起動時の最初のバッテリ１１を使ってバッテリ１１から供給可能な電力が低下すれば、その分燃料電池１への発電要求、即ち最低目標発電電力が増えていくようになる。このような理由から最低目標発電電力には最大値が存在する。ここで、最低目標発電電力の最大値は例えば１２ｋＷ程度を用いてもよく、マージンは３ｋＷ程度を用いてもよく、その場合には、閾値ＰＴＨ９は１５ｋＷ程度に設定される。
Here, the threshold value Th5, threshold value Th6, and threshold value PTH9 may be set by estimation from experimental data or the like. As the threshold value PTH9, it can be assumed that warm-up power generation can be performed if the state in which about (maximum value of minimum target generated power + margin) can be generated can be continued. The minimum target generated power is determined so that the power balance is positive. If the power that can be supplied from the battery 11 using the first battery 11 at the time of start-up decreases, the power generation request to the
次に、図２に戻って、このシステムが車両に搭載されている場合には、先の昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）に基づいて、走行可否を判別する（ステップＳ２１５）。すなわち、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）＝１の場合は、上記したようにシステムの起動を停止し、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）＝２の場合には、起動制御の処理を終了して走行許可に移行し、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）＝３の場合には、ステップＳ２１１へ戻ってシステムの起動制御を継続する。 Next, returning to FIG. 2, when this system is mounted on the vehicle, it is determined whether or not the vehicle can travel based on the previous temperature rise end identification flag (FLAG_HEAT_END) (step S215). That is, when the temperature rise end identification flag (FLAG_HEAT_END) = 1, the system startup is stopped as described above, and when the temperature rise end identification flag (FLAG_HEAT_END) = 2, the start control process is terminated. When the travel is permitted and the temperature rise end identification flag (FLAG_HEAT_END) = 3, the process returns to step S211 to continue the system start-up control.
以上説明したように、この実施例１においては、昇温手段で消費する電力とバッテリ１１が供給可能な電力と燃料電池発電電力の電力収支に基づいて、燃料電池１に供給される空気を昇温制御することで、消費可能な電力に応じて空気の昇温処理を適切に行うことができる。これにより、供給される空気によって燃料電池１が冷やされて燃料電池１内で生成水が氷結するのを防止することができる。
As described above, in the first embodiment, the air supplied to the
電力収支がマイナスの場合は、目標昇温時間を延長して、現在の利用可能な電力で実現可能な昇温手段の運転条件を設定するようにしたので、消費電力を低減することが可能となり、システムの起動時に電力不足を起こさないようにしてシステムを起動することができる。一方、電力収支がプラスの場合には、現在の利用可能な電力で昇温手段が実現可能な目標昇温時間（現状より短い値）にするようにしたので、最短で電力不足を招くことなくシステムを起動させることができる。 When the power balance is negative, the target heating time is extended and the operating conditions of the heating means that can be realized with the current available power are set, so it is possible to reduce power consumption. The system can be started up without causing power shortage when the system is started up. On the other hand, when the power balance is positive, the target heating time (which is shorter than the current value) that can be achieved by the heating means with the current available power is set to a shortest time without causing shortage of power. The system can be started.
空気の昇温時の電力収支が所定値以上の場合には、システムの起動中にバッテリ１１に充電することで、システムの起動終了後のバッテリアシスト量を多くでき、車両の加速時の電力不足を防止することができる。 If the power balance at the time of air temperature rise is greater than or equal to a predetermined value, charging the battery 11 during system startup can increase the amount of battery assist after the system startup is completed, resulting in insufficient power during vehicle acceleration. Can be prevented.
システムの起動前に、システムの起動時に電力不足を起こさないようにする燃料電池最低目標発電値を設定するようにしたので、起動する前に燃料電池１の発電値が最低目標発電値以上で発電できるか否かを事前に判別することができ、システムを起動できるか否かを推定することができる。システムを起動できる見込みがない場合には、システムを起動させないようにして無駄にバッテリ電力を使わないようにすることができる。
Before starting the system, the minimum target power generation value of the fuel cell is set so as not to cause power shortage at the time of starting the system. Therefore, before starting, the power generation value of the
燃料電池１の冷却水を少量循環させて燃料電池出口の冷却水温度を測定するようにしたので、現在の燃料電池１の温度を正確に把握することができる。これにより、燃料電池出口の冷却水温度が高い場合には、燃料電池１が自己発熱で発電維持可能と判断することが可能となり、この場合には空気の昇温を停止して、無駄な電力を消費しないようにすることができる。
Since the cooling water temperature of the fuel cell outlet is measured by circulating a small amount of the cooling water of the
システムの起動中に、バッテリ１１のＳＯＣが所定下限値に達して、燃料電池１の発電値が燃料電池最低目標発電値を下回る場合には、発電維持に必要な空気を供給するための電力が不足していると判断することで、電力が不足していると判断した場合には空気の昇温を停止してシステムの起動を停止し、余分な電力を消費しないようにすることができる。これにより、システムの停止要求があった場合でも、空気供給装置６を用いて燃料電池１から導出された水素を希釈した後システムを停止できるるだけの電力を確保することができる。
When the SOC of the battery 11 reaches a predetermined lower limit during the system startup and the power generation value of the
燃料電池１の発電値が予め設定された所定値以上で、かつその状態を予め設定された所定時間以上継続した状態である場合には、燃料電池１が自己発熱で発電維持可能と判断することで、空気の昇温を停止して余計な電力を消費しないようにすることができる。これにより、システム起動終了後のバッテリアシスト量を多くでき、車両の加速時の電力不足を防止することができる。
When the power generation value of the
燃料電池１へ指令する目標発電値を燃料電池最低目標発電値を境界として振動するように制御することで、バッテリ１１への充放電が繰り返えされてバッテリ温度を上昇させ、バッテリ１１から供給可能な電力を増加させることが可能となる。これにより、システム起動終了後のバッテリアシスト量を多くでき、車両の加速時の電力不足を防止することができる。
By controlling the target power generation value commanded to the
次に、本発明の実施例２について説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described.
先に説明した実施例１は、燃料電池１，バッテリ１１ならびに補機の電力に基づいて空気の昇温を制御するようにしているのに対して、この実施例２では、電力量（電力×時間）に基づいて同様の制御を行うようにしたことを特徴とする。実施例２の構成ならびに実施の手順は実施例１と概ね同じであるので、ここでは実施例１と異なる部分のみ説明する。
In the first embodiment described above, the temperature rise of the air is controlled based on the power of the
先ず、実施例１の図２のステップＳ２０４では、図４のマップ関数を用いてバッテリ１１で供給可能な電力を推定したが、実施例２では、図４のマップ関数に代えて電力量（Ｗｈ）との関係を表す図１１に示すマップ関数を用いて、目標昇温時間内にバッテリ１１から供給可能な電力量を推定する（ステップＳＳ２０４）。なお、電力量はＷｈの単位で取り扱うことにする。 First, in step S204 of FIG. 2 of the first embodiment, the power that can be supplied by the battery 11 is estimated using the map function of FIG. 4, but in the second embodiment, the power amount (Wh) is used instead of the map function of FIG. 11), the amount of power that can be supplied from the battery 11 within the target temperature increase time is estimated (step SS204). The amount of power is handled in units of Wh.
次に、実施例１の図２のステップＳ２０６では、昇温手段が消費する電力を求めたが、実施例２では、図５と同様の図１２に示すマップ関数を用いて目標昇温時間内で昇温手段が消費する電力量（Ｗｈ）を求める（ステップＳＳ２０６）。この電力量は消費電力と目標昇温時間との積に基づいて求める。 Next, in step S206 of FIG. 2 of the first embodiment, the power consumed by the temperature raising means is obtained. However, in the second embodiment, within the target temperature raising time using the map function shown in FIG. Then, the amount of power (Wh) consumed by the temperature raising means is obtained (step SS206). This amount of power is obtained based on the product of power consumption and target temperature increase time.
続いて、実施例１の図２のステップＳ２０７では、補機が消費する電力を求めたが、実施例２では、目標昇温時間内で補機が消費する電力量（Ｗｈ）を求める（ステップＳＳ２０７）。この電力量は消費電力と目標昇温時間の積に基づいて求める。 Subsequently, in step S207 of FIG. 2 of the first embodiment, the power consumed by the auxiliary machine is obtained, but in the second embodiment, the amount of power (Wh) consumed by the auxiliary machine within the target temperature rise time is obtained (step). SS207). This amount of power is obtained based on the product of power consumption and target temperature increase time.
次に、実施例１の図２のステップＳ２０８では、電力収支をゼロ以上にする燃料電池最低目標発電値を計算したが、実施例２では、電力量収支をゼロ以上にする燃料電池最低目標発電電力量を計算する（ステップＳＳ２０８）。ここで、
Ｐ２１：ステップＳＳ２０４で求めた目標昇温時間内にバッテリ１１から供給可能な電力Ｐ２２：目標昇温時間内の燃料電池最低目標発電電力
Ｐ２３：ステップＳＳ２０６で求めた目標昇温時間内で昇温手段が消費する電力
Ｐ２４：ステップＳＳ２０７で求めた目標昇温時間内で昇温手段以外の補機が消費する電 力
とすると、
（数５）
Ｐ２１＋Ｐ２２−Ｐ２３−Ｐ２４＞第３の所定閾値（ＰＴＨ３）
各時刻において上記を満たすように燃料電池最低目標発電電力プロファイルを算出する。本実施例２では、上記関係を満たすようにするために、図１３に示すように燃料電池最低目標発電電力量Ｐ２２を決めている。すなわち、
（数６）
Ｐ２２＝（発電量の傾きＡ×現在からの目標昇温時間＋現在の発電量）
＝｛∫（Ｐ１３＋Ｐ１４−Ｐ１１）＋第３の所定閾値（ＰＴＨ３）｝×係数
（係数：１以上の任意の値）
を満足させるように発電量の傾きＡを調整する。ここで、積分時間は、現在から目標昇温時間までの期間となるが、実際にはコントロールユニットにおいて離散値を用いて計算するので積分はΣｉとなる。
Next, in step S208 of FIG. 2 in the first embodiment, the fuel cell minimum target power generation value for setting the power balance to zero or more is calculated. In the second embodiment, the fuel cell minimum target power generation for setting the power balance to zero or more. The amount of electric power is calculated (step SS208). here,
P21: Electric power that can be supplied from the battery 11 within the target temperature increase time obtained in step SS204 P22: Fuel cell minimum target generated power within the target temperature increase time P23: Temperature increase means within the target temperature increase time determined in step SS206 Power P24 consumed by: If the power consumed by auxiliary equipment other than the temperature raising means within the target temperature raising time obtained in step SS207 is
(Equation 5)
P21 + P22-P23-P24> third predetermined threshold value (PTH3)
The fuel cell minimum target generated power profile is calculated so as to satisfy the above at each time. In the second embodiment, in order to satisfy the above relationship, the fuel cell minimum target generated power amount P22 is determined as shown in FIG. That is,
(Equation 6)
P22 = (Slope of power generation amount A × Target temperature increase time from current time + Current power generation amount)
= {∫ (P13 + P14−P11) + third predetermined threshold value (PTH3)} × coefficient (coefficient: arbitrary value of 1 or more)
The power generation gradient A is adjusted so as to satisfy Here, the integration time is a period from the present to the target temperature increase time, but since the calculation is actually performed using discrete values in the control unit, the integration is Σi.
本実施例２では、燃料電池最低目標発電電力量は、上記（数６）に示すように表すようにしたので、燃料電池最低目標発電値は図１３に示すように時系列のプロファイルとなる。 In the second embodiment, the fuel cell minimum target power generation amount is expressed as shown in the above (Equation 6). Therefore, the fuel cell minimum target power generation value has a time-series profile as shown in FIG.
次に、実施例１の図２のステップＳ２０９では、発電上限値とステップＳ２０８で求めた燃料電池最低目標発電値を比較しているが、実施例２では、発電上限値のプロファイル（発電上限値の電力量）とステップＳＳ２０８で求めた燃料電池最低目標発電電力値のプロファイル（燃料電池最低目標発電電力値の電力量）とを比較して、比較結果に基づいて低温モードで起動するか否かを再度判断する（ステップＳＳ２０９）。この判断手順は図１４（ａ）に示すフローチャートにしたがって実行される。 Next, in step S209 of FIG. 2 of the first embodiment, the power generation upper limit value and the fuel cell minimum target power generation value obtained in step S208 are compared. In Example 2, the power generation upper limit profile (power generation upper limit value) is compared. Whether or not to start in the low-temperature mode based on the comparison result, comparing the profile of the fuel cell minimum target power generation value obtained in step SS208 (the power amount of the fuel cell minimum target power generation value). Is determined again (step SS209). This determination procedure is executed according to the flowchart shown in FIG.
図１４（ａ）において、予め行われた実験で取得された昇温プロファイルのデータに基づいて、昇温手段の運転条件（空気流量、空気圧力）、ならびに外気温度と燃料電池入口温度との差から、図１４（ｂ）に示すように燃料電池入口空気の昇温プロファイルを推定する（ステップＳＳ１４００）。続いて、予め行われた実験で取得された発電上限値プロファイルのデータ（燃料電池入口空気温度と取り出し可能電力上限値との関係）に基づいて、推定された昇温プロファイルから、図１４（ｂ）に示すように発電上限値プロファイル（ＰＴＨ３）を設定する（ステップＳＳ１４０１）。 In FIG. 14 (a), based on the data of the temperature rise profile acquired in the experiment conducted in advance, the operating conditions (air flow rate, air pressure) of the temperature raising means and the difference between the outside air temperature and the fuel cell inlet temperature. As shown in FIG. 14B, the temperature rise profile of the fuel cell inlet air is estimated (step SS1400). Subsequently, based on the power generation upper limit profile data (relation between the fuel cell inlet air temperature and the extractable power upper limit value) acquired in a previously conducted experiment, from the estimated temperature rise profile, FIG. ), A power generation upper limit profile (PTH3) is set (step SS1401).
次に、発電上限値プロファイルとＳＳ２０８で求めた燃料電池最低目標発電値プロファイルを比較して（ステップＳＳ１４０２）、燃料電池最低目標発電値プロファイルが発電上限値プロファイルより小さい場合は、システムを起動する一方（ステップＳＳ１４０３）、燃料電池最低目標発電値プロファイルが発電上限値プロファイルより大きい場合には、システムの起動を停止する（ステップＳＳ１４０４）。 Next, the power generation upper limit value profile and the fuel cell minimum target power generation value profile obtained in SS208 are compared (step SS1402). If the fuel cell minimum target power generation value profile is smaller than the power generation upper limit value profile, the system is started. (Step SS1403) When the fuel cell minimum target power generation value profile is larger than the power generation upper limit value profile, the system is stopped (Step SS1404).
このように、上記実施例２では、先の実施例１と同様の効果を得られるとともに、電力量という時間のファクターを導入することで、将来を予測して昇温処理を制御することが可能となり、昇温処理のためにバッテリ１１の電力を使い切ってしまう前にシステムの起動を停止し、バッテリ１１の蓄電量を確保することができる。また、電力収支を計算する際に、バッテリ１１の情報は、電力量として与えられることが多いため、電力量を使用することで計算を容易に実行することが可能となる。 As described above, in the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and by introducing the time factor of the electric energy, the temperature rising process can be controlled by predicting the future. Thus, the system can be stopped before the power of the battery 11 is used up for the temperature raising process, and the amount of power stored in the battery 11 can be secured. In addition, when calculating the power balance, the information on the battery 11 is often given as the amount of power, so that the calculation can be easily performed by using the amount of power.
１…燃料電池
２…水素供給タンク
３…水素圧力レギュレータ
４…パージ調整弁
５…水素循環ポンプ
６…空気供給装置
７…空気調圧弁
８…冷却水ポンプ
９…電力変換装置
１０…負荷装置
１１…バッテリ
１２…バッテリコントローラ
１３…圧力センサ
１４，１５，１７，１９，２４…温度センサ
１６，２１，２２…電圧センサ
１８…圧力センサ
２０，２３…電流センサ
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、
前記昇温手段で昇温される酸化剤ガスの目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、前記燃料電池システムの起動時に、前記昇温手段で消費される電力、前記補機で消費される電力、前記二次電池から供給可能な電力、ならびに前記燃料電池の発電によって得られる発電電力の電力収支に基づいて前記昇温手段の運転条件を設定し、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温を制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas and an oxidant gas; and
In a fuel cell system comprising a secondary battery that supplies stored power to an auxiliary machine that is required when the fuel cell generates power,
A temperature raising means for raising the temperature of the oxidant gas supplied to the fuel cell;
The target temperature and target temperature increase time of the oxidant gas to be heated by the temperature raising means are set, and the power consumed by the temperature raising means and the power consumed by the auxiliary device when starting the fuel cell system The operating conditions of the temperature raising means are set based on the power that can be supplied from the secondary battery and the power balance of the generated power obtained by the power generation of the fuel cell, and the oxidant gas supplied to the fuel cell And a control means for controlling the temperature rise.
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。 When the power balance becomes equal to or less than a preset first predetermined value after startup of the fuel cell system, the control means extends the currently set target temperature increase time to 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the operating condition of the temperature raising means that allows the oxidant gas to reach the target temperature within the extended target temperature raising time is reset according to the balance.
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein the first predetermined value is 1 kW or less.
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The control means is configured such that, after the fuel cell system is started, the power balance is equal to or greater than a second predetermined value set in advance, and a storage state of the secondary battery is equal to or greater than a third predetermined value set in advance. In this case, the currently set target temperature rise time is shortened, and the temperature raising means is operated so that the oxidant gas can reach the target temperature within the shortened target temperature rise time according to the current power balance. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the conditions are reset.
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein the second predetermined value is 5 kW or more.
ことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。 6. The fuel cell system according to claim 4, wherein the third predetermined value is a value in which a storage state of the battery is 50% or more. 7.
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The control means is configured such that, after the fuel cell system is started, the power balance is not less than a fourth predetermined value set in advance and the storage state of the secondary battery is not more than a preset fifth predetermined value. In the case, the operating condition of the temperature raising means is continued, and the electric power obtained by the power generation of the fuel cell is stored in the secondary battery. Fuel cell system.
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 Before starting the fuel cell system, the control means determines that the oxidant gas is within the target temperature within the target time from the sum of the estimated power that can be supplied from the secondary battery and the minimum target generated power of the fuel cell. The power balance is obtained by subtracting the sum of the estimated power that is estimated to be consumed by the temperature raising means and the power that is estimated to be consumed by the auxiliary device when the temperature raising means is operated so as to reach The minimum target generated power is set to be equal to or greater than the first predetermined value, and the fuel cell system is not started when the set minimum target generated power is larger than the power generation upper limit value of the power generation amount of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 When the temperature of the cooling water circulating through the fuel cell is equal to or higher than a preset seventh predetermined value after the fuel cell system is started, the control means stops the operation of the temperature raising means. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein the temperature rise of the oxidant gas is terminated.
ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。 The temperature of the oxidant gas is stopped by stopping the operation of the temperature raising means when the cooling water at the outlet of the fuel cell is 15 ° C or higher. Fuel cell system.
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 After the fuel cell system is started, the control means has a storage state of the secondary battery that is equal to or lower than a preset eighth predetermined value, and a power generation value of the fuel cell is equal to or lower than the minimum target generated power. In this case, the fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, wherein the start of the fuel cell system is stopped.
ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。 12. The fuel cell system according to claim 11, wherein the eighth predetermined value is a value of 35% or less of a storage state of the battery.
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 After the fuel cell system is started up, the control means, when the power generation value of the fuel cell is in a continuous state for a preset threshold value that is equal to or greater than a preset tenth predetermined value, The fuel cell system according to any one of claims 1 to 12, wherein the operation is stopped and the temperature rise of the oxidant gas is terminated.
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 When the power balance is positive after startup of the fuel cell system, the control means periodically sets a target power generation value set in a load device for extracting a load current from the fuel cell to a minimum value of the fuel cell. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 13, wherein a target power generation value of the load device is set to be greater than or less than a target power generation power value.
前記制御手段は、前記コンプレッサの回転数と前記圧力調整弁の開度を調整して酸化剤ガスの圧力と流量を制御し、酸化剤ガスを目標温度に昇温させる
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The temperature raising means includes a compressor that compresses the oxidant gas and a pressure adjustment valve that adjusts the pressure of the oxidant gas flowing through the fuel cell, and the oxidant gas is based on the pressure and flow rate of the oxidant gas. Temperature rise control,
The said control means adjusts the rotation speed of the said compressor and the opening degree of the said pressure control valve, controls the pressure and flow volume of oxidant gas, and raises oxidant gas to target temperature, It is characterized by the above-mentioned. The fuel cell system according to any one of 1 to 14.
前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの起動する際に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、
前記昇温手段で昇温される酸化剤ガスの目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、前記燃料電池システムの起動時に、前記昇温手段で消費される電力量（電力×時間）、前記補機で消費される電力量、前記二次電池から供給可能な電力量、ならびに前記燃料電池の発電によって得られる発電電力量の電力収支に基づいて、前記昇温手段の運転条件を設定し、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温を制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas and an oxidant gas; and
In a fuel cell system comprising a secondary battery that supplies stored power to an auxiliary machine that is required when the fuel cell generates power,
A temperature raising means for raising the temperature of an oxidant gas supplied to the fuel cell when starting the fuel cell system;
A target temperature and a target temperature increase time for the oxidant gas heated by the temperature increase means are set, and the amount of electric power consumed by the temperature increase means (power x time) and the compensation are set when the fuel cell system is started. Based on the amount of power consumed by the machine, the amount of power that can be supplied from the secondary battery, and the power balance of the amount of power generated by the power generation of the fuel cell, setting the operating conditions of the temperature raising means, And a control means for controlling the temperature rise of the oxidant gas supplied to the fuel cell when the fuel cell system is started.
前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムを起動する際に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、
前記昇温手段で昇温される酸化剤ガスの目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、前記燃料電池システムの起動時に、前記昇温手段で消費される電力、前記補機で消費される電力、前記二次電池から供給可能な電力、ならびに前記燃料電池の発電によって得られる発電電力の電力収支に基づいて前記昇温手段の運転条件を設定し、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温を制御する制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas and an oxidant gas; and
In a fuel cell system comprising a secondary battery that supplies stored power to an auxiliary machine that is required when the fuel cell generates power,
A temperature raising means for raising the temperature of the oxidant gas supplied to the fuel cell when starting the fuel cell system;
The target temperature and target temperature increase time of the oxidant gas to be heated by the temperature raising means are set, and the power consumed by the temperature raising means and the power consumed by the auxiliary device when starting the fuel cell system The operating conditions of the temperature raising means are set based on the power that can be supplied from the secondary battery and the power balance of the generated power obtained by the power generation of the fuel cell, and the oxidant gas supplied to the fuel cell And a control means for controlling the temperature rise.
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