JP2008226595A - Fuel cell system and its control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムと、その制御方法と、に関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates power upon receiving a reaction gas, and a control method thereof.
現在、燃料電池自動車等に搭載される燃料電池として、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を触媒層等からなるアノード極及びカソード極で両側から挟み込み、その外側を一対のセパレータで挟持して形成された単電池を複数積層して構成したスタック状のものが提案されている。かかる燃料電池を自動車等の車両に搭載した車両用燃料電池システムにおいては、通常、アノード極及びカソード極に燃料ガス及び酸化ガスを各々供給して発電を行っている。 Currently, as a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle or the like, a solid polymer electrolyte membrane made of a solid polymer ion exchange membrane or the like is sandwiched from both sides by an anode electrode and a cathode electrode made of a catalyst layer and the like, and the outside is paired with a pair of separators. A stack-like structure in which a plurality of unit cells sandwiched between each other is stacked is proposed. In a vehicle fuel cell system in which such a fuel cell is mounted on a vehicle such as an automobile, power generation is usually performed by supplying a fuel gas and an oxidizing gas to the anode electrode and the cathode electrode, respectively.
ところで、前記した車両用燃料電池システムの運転時においては、燃料電池に対する出力要求が急激に低下する場合(例えばアクセルペダルによる踏み込みが解除される場合)がある。近年においては、このような負荷急減時に燃料電池への反応ガスの供給量を一時的に低減させて、燃料電池システムにおける発電量を低減させる技術が適用されている。例えば、圧縮空気を燃料電池に供給する燃料電池システムにおいては、車両の急減速時に、圧縮機で圧縮された圧縮空気を外部に排出し、余剰な圧縮空気が燃料電池に供給されることを防止する技術が提案されている(特許文献1参照)。
前記特許文献1に記載されている技術を採用すると、車両の急減速時(負荷急減時)に圧縮機で圧縮された圧縮空気を外部に排出し、余剰な圧縮空気が燃料電池に供給されることを防止して、燃料電池による発電量を抑制することが可能となる。しかし、圧縮機で圧縮された圧縮空気を外部に排出するための機構が必要となり、構成が複雑となるという問題がある。 When the technique described in Patent Document 1 is adopted, compressed air compressed by the compressor is discharged to the outside when the vehicle is suddenly decelerated (when the load is suddenly reduced), and surplus compressed air is supplied to the fuel cell. This can be prevented and the amount of power generated by the fuel cell can be suppressed. However, there is a problem that a mechanism for discharging the compressed air compressed by the compressor to the outside is required, and the configuration becomes complicated.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池に対する出力要求が急激に低下する負荷急減時に燃料電池の発電量を急速に低下させることができ、しかも、比較的簡素な構成を有する燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can reduce the power generation amount of the fuel cell rapidly when the load suddenly decreases when the output demand for the fuel cell rapidly decreases, and has a relatively simple configuration. An object of the present invention is to provide a fuel cell system.
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電を行い発電に伴う電力を所定の負荷に供給する燃料電池と、反応ガスのうち酸化ガスを圧縮して燃料電池に供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置に制御指令を与えてその動作を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、制御手段は、燃料電池に対する出力要求の低下率が所定の閾値を超える負荷急減時に酸化ガス供給装置に制御指令を与えて回生動作を実現させるものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that receives a reaction gas to generate power and supplies electric power associated with the power generation to a predetermined load, and compresses an oxidizing gas in the reaction gas. In the fuel cell system comprising: an oxidizing gas supply device that supplies the fuel cell; and a control unit that provides a control command to the oxidizing gas supply device to control its operation. A control command is given to the oxidant gas supply device at the time of sudden decrease of the load exceeding a predetermined threshold value to realize the regenerative operation.
また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、反応ガスの供給を受けて発電を行い発電に伴う電力を所定の負荷に供給する燃料電池と、反応ガスのうち酸化ガスを圧縮して燃料電池に供給する酸化ガス供給装置と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池に対する出力要求の低下率が所定の閾値を超える負荷急減時に酸化ガス供給装置の回生動作を実現させる工程を含むものである。 Further, the control method of the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that receives the supply of the reaction gas to generate power and supplies the electric power accompanying the power generation to a predetermined load, and compresses the oxidizing gas of the reaction gas to generate fuel. A method for controlling a fuel cell system, comprising: an oxidizing gas supply device that supplies a battery, and realizing a regenerative operation of the oxidizing gas supply device when the rate of decrease in output demand for the fuel cell exceeds a predetermined threshold Is included.
かかる構成及び方法によれば、燃料電池に対する出力要求の低下率が所定の閾値を超える負荷急減時に、酸化ガス供給装置の回生動作を実現させて、酸化ガス供給装置の駆動を抑制することができる。従って、負荷急減時に、酸化ガスを外部に排出する機構を設けることなく、燃料電池への酸化ガスの供給を急速に抑制して、燃料電池の発電量を急速に低下させることが可能となる。 According to such a configuration and method, when the load reduction rate of the output demand for the fuel cell exceeds a predetermined threshold, the regeneration operation of the oxidizing gas supply device can be realized and the driving of the oxidizing gas supply device can be suppressed. . Therefore, it is possible to rapidly reduce the power generation amount of the fuel cell by rapidly suppressing the supply of the oxidizing gas to the fuel cell without providing a mechanism for discharging the oxidizing gas to the outside when the load is suddenly reduced.
前記燃料電池システムにおいて、エアコンプレッサと、このエアコンプレッサを駆動するモータと、を有する酸化ガス供給装置を採用するとともに、負荷急減時にモータに制御指令を与えて回生動作を実現させる制御手段を採用することができる。 In the fuel cell system, an oxidant gas supply device having an air compressor and a motor for driving the air compressor is employed, and control means for realizing a regenerative operation by giving a control command to the motor when the load suddenly decreases is employed. be able to.
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される酸化オフガスを流通させる酸化オフガス流路と、酸化オフガス流路に設けられた背圧弁と、を備えるとともに、負荷急減時に背圧弁に制御指令を与えて背圧弁の開度を低減させる制御手段を採用することができる。 The fuel cell system further includes an oxidation offgas passage for circulating the oxidation offgas discharged from the fuel cell, and a back pressure valve provided in the oxidation offgas passage, and provides a control command to the back pressure valve when the load is suddenly reduced. It is possible to employ a control means for giving and reducing the opening of the back pressure valve.
かかる構成を採用すると、燃料電池に対する出力要求の低下率が所定の閾値を超える負荷急減時に、背圧弁の開度を低減させて、酸化オフガス流路の圧損を増大させることができる。従って、燃料電池に導入される酸化ガスの量を急激に低減させて、燃料電池の発電量をさらに急速に低下させることが可能となる。 When such a configuration is adopted, the pressure loss of the oxidant off-gas flow path can be increased by reducing the degree of opening of the back pressure valve when the rate of decrease in the output demand for the fuel cell exceeds a predetermined threshold. Therefore, the amount of oxidizing gas introduced into the fuel cell can be rapidly reduced, and the power generation amount of the fuel cell can be further rapidly reduced.
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池で発生した電力及び/又は酸化ガス供給装置の回生動作により発生した電力を蓄積する蓄電装置と、負荷急減時に蓄電装置に蓄積できない余剰電力を取り込んで吸収する電力吸収手段と、を備えることもできる。 In the fuel cell system, a power storage device that stores the power generated in the fuel cell and / or the power generated by the regenerative operation of the oxidizing gas supply device, and excess power that cannot be stored in the power storage device when the load suddenly decreases is absorbed and absorbed. Power absorbing means.
かかる構成を採用すると、燃料電池に対する出力要求の低下率が所定の閾値を超える負荷急減時に、燃料電池で発生した電力や酸化ガス供給装置の回生動作により発生した電力のうち蓄電装置が蓄積できない余剰電力を、電力吸収手段によって吸収することができる。従って、蓄電装置を過充電から保護することができる。 When such a configuration is adopted, when the load reduction rate of the output demand for the fuel cell exceeds a predetermined threshold, surplus power storage device cannot accumulate in the power generated in the fuel cell or the power generated by the regenerative operation of the oxidizing gas supply device Electric power can be absorbed by the power absorbing means. Therefore, the power storage device can be protected from overcharging.
本発明によれば、燃料電池に対する出力要求が急激に低下する負荷急減時に燃料電池の発電量を急速に低下させることができ、しかも、比較的簡素な構成を有する燃料電池システムを提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system that can rapidly reduce the amount of power generated by the fuel cell at the time of a sudden decrease in load when the output demand for the fuel cell decreases rapidly, and that has a relatively simple configuration. It becomes possible.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。 Hereinafter, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described.
まず、図1を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1の構成について説明する。 First, the configuration of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態に係る燃料電池システム1は、図1に示すように、反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)の供給を受けて発電を行い発電に伴う電力を発生する燃料電池2、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池2に供給する燃料ガス配管系4、システムの電力を充放電する電力系5、システム全体を統括制御する制御装置6等を備えている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment receives a supply of reaction gas (oxidizing gas and fuel gas) to generate power and generate electric power associated with power generation. An oxidant
燃料電池2は、例えば、固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池2の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極(空気極)を有し、他方の面にアノード極(燃料極)を有し、さらにカソード極及びアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池2は電力を発生する。燃料電池2には、発電中の電流(出力電流)を検出する電流センサ2a及び電圧(出力電圧)を検出する電圧センサ2bと、が取り付けられている。なお、燃料電池2としては、固体分子電解質型の他、燐酸型や溶融炭酸塩型等種々のタイプのものを採用することができる。
The
酸化ガス配管系3は、エアコンプレッサ31、酸化ガス供給路32、加湿モジュール33、酸化オフガス流路34、希釈器35、エアコンプレッサ31を駆動するモータM1等を有している。エアコンプレッサ31及びモータM1は、本発明における酸化ガス供給装置の一実施形態を構成する。
The oxidizing
エアコンプレッサ31は、制御装置6の制御指令で作動するモータM1の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素(酸化ガス)を燃料電池2のカソード極に供給する。モータM1には、モータM1の回転数を検知する回転数検知センサ3aが取り付けられている。酸化ガス供給路32は、エアコンプレッサ31から供給される酸素を燃料電池2のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池2のカソード極からは酸化オフガスが排出される。
The
加湿モジュール33は、酸化ガス供給路32を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、酸化オフガス流路34を流れる高湿潤状態の酸化オフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池2に供給される酸化ガスを適度に加湿する。酸化オフガス流路34は、酸化オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近には背圧弁A1が配設されている。燃料電池2に供給される酸化ガスの背圧は背圧弁A1によって調圧される。希釈器35は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲等)に収まるように希釈する。希釈器35には、酸化オフガス流路34の下流及び後述する燃料オフガス流路44の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは希釈器35で混合希釈されてシステム外に排気される。
The
燃料ガス配管系4は、燃料ガス供給源41、燃料ガス供給路42、燃料ガス循環路43、燃料オフガス流路44、水素循環ポンプ45、逆止弁46、水素循環ポンプ45を駆動するためのモータM2等を有している。
The fuel gas piping system 4 drives a fuel
燃料ガス供給源41は、燃料電池2へ水素ガス等の燃料ガスを供給するものであり、例えば、高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料ガス供給路42は、燃料ガス供給源41から放出される燃料ガスを燃料電池2のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブH1、水素供給バルブH2、FC入口バルブH3等の弁が配設されている。タンクバルブH1、水素供給バルブH2及びFC入口バルブH3は、燃料電池2へ燃料ガスを供給(又は遮断)するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。
The fuel
燃料ガス循環路43は、未反応燃料ガスを燃料電池2へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてFC出口バルブH4、水素循環ポンプ45、逆止弁46がこの順に配設されている。燃料電池2から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置6の制御指令で作動するモータM2の駆動力により駆動される水素循環ポンプ45によって適度に加圧され、燃料ガス供給路42へ導かれる。燃料ガス供給路42から燃料ガス循環路43への燃料ガスの逆流は、逆止弁46によって抑制される。燃料オフガス流路44は、燃料電池2から排出された水素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブH5が配設されている。
The fuel
電力系5は、高圧DC/DCコンバータ51、バッテリ52、トラクションインバータ53、補機インバータ54、チョッパ回路55、吸収器56、トラクションモータM3、補機モータM4等を備えている。トラクションモータM3や補機モータM4は、本発明における負荷の一実施形態に相当するものである。
The
高圧DC/DCコンバータ51は、直流の電圧変換器であり、バッテリ52から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ53側に出力する機能と、燃料電池2又はトラクションモータM3から入力された直流電圧を調整してバッテリ52に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ51のこれらの機能により、バッテリ52の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ51により、燃料電池2の出力電圧が制御される。
The high-voltage DC /
バッテリ52は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池、例えばニッケル水素バッテリ等により構成されている。バッテリ52は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり、補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池2で発電された直流電力の一部は、高圧DC/DCコンバータ51によって昇降圧され、バッテリ52に充電される。バッテリ52には、バッテリ52の充電状態(SOC:State Of Charge)を検出するSOCセンサ5aが取り付けられている。バッテリ52は、本発明における蓄電装置の一実施形態に相当するものである。なお、バッテリ52に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを蓄電装置として採用することもできる。
The
トラクションインバータ53及び補機インバータ54は、パルス幅変調方式のPWMインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池2又はバッテリ52から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータM3及び補機モータ4へ供給する。トラクションモータM3は、車輪7L、7Rを駆動するためのモータである。トラクションモータM3には、その回転数を検知する回転数検知センサ5bが取り付けられている。補機モータM4は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ31を駆動するM1や水素循環ポンプ45を駆動するモータM2等を総称したものである。
The
チョッパ回路55は、制御装置6により設定されたデューティ比に従って燃料電池2の出力をチョッピングしながら、燃料電池2の出力電力を取り込んで、吸収器56に吸収させるものであり、吸収器56とともに、燃料電池2の出力電力(余剰電力)を吸収する電力吸収手段の一実施形態を構成する。吸収器56としては、例えば、抵抗や電気二重層キャパシタ等を採用することができる。なお、吸収器56には、吸収器56によって吸収された電力(消費された電力)を計測する計測器5cが取り付けられている。
The
制御装置6は、CPU、ROM、RAM等により構成されており、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御装置6は、アクセルペダルの操作量(アクセル開度)を検出するアクセルペダルセンサ6a、SOCセンサ5a、回転数検知センサ5b等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池2の対する出力要求電力を算出する。この際、制御装置6は、トラクションモータM3の運転モード(P:パーキングモード、R:リバースモード、N:ニュートラルモード、D:ドライブモード、B:回生ブレーキモード)を選択するためのシフトレバー等からなる操作部8から送出される信号に基づいて、トラクションモータM3からの出力要求の有無を判定する。
The control device 6 is constituted by a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and integrally controls each part of the system based on each sensor signal input. Specifically, the control device 6 determines the fuel based on the sensor signals sent from the
そして、制御装置6は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように、燃料電池2の出力電圧及び出力電流を制御する。また制御装置6は、トラクションインバータ53及び補機インバータ54の出力パルス等を制御して、トラクションモータM3及び補機モータM4を制御する。
Then, the control device 6 controls the output voltage and output current of the
また、制御装置6は、アクセルペダルセンサ6aのセンサ信号に基づき、アクセルペダルに対する踏み込みが解除されて燃料電池2に対する出力要求が急減したか否か(出力要求の低下率が所定の閾値を超えたか否か)を判定する。かかる負荷急減判定を行う際に採用される閾値(出力要求の低下率の閾値)は、燃料電池システム1の仕様・規模等に応じて適宜設定することができる。そして、制御装置6は、燃料電池2に対する出力要求の低下率が所定の閾値を超えるものと判定した場合(負荷急減時)に、燃料電池2による発電を即座に抑制するために、燃料電池2に対する反応ガスのうち空気(酸化ガス)の供給量を減少させるための制御を行う。すなわち、制御装置6は、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。
Further, the control device 6 determines whether or not the output request to the
具体的には、制御装置6は、負荷急減時に、エアコンプレッサ31の駆動を抑制して燃料電池2に供給される空気(酸化ガス)の供給を低減させるための制御を行う。この際、制御装置6は、エアコンプレッサ31から燃料電池2への空気の供給を即座に抑制するために、エアコンプレッサ31を駆動するモータM1に対して回生動作(回生ブレーキ動作)を行わせるための制御指令を与えてエアコンプレッサ31の駆動を抑制し、かつ、モータM1の回生動作に伴って発生した電力をモータM1からバッテリ52に供給することとしている。
Specifically, the control device 6 performs control for reducing the supply of air (oxidizing gas) supplied to the
さらに、制御装置6は、負荷急減時に、背圧弁A1に閉弁指令を与えて、背圧弁A1の開度を低減させるような制御を行うとともに、チョッパ回路55に対して制御指令を与えて、燃料電池2から発生する余剰電力を、チョッパ回路55を介して吸収器56に吸収させるための制御を行うようになっている。
Furthermore, the control device 6 gives a valve closing command to the back pressure valve A1 when the load is suddenly reduced, and performs control to reduce the opening of the back pressure valve A1, and gives a control command to the
次に、図2の機能ブロック図及び図3のタイムチャートを用いて、制御装置6のモータ回生制御機能について説明する。 Next, the motor regeneration control function of the control device 6 will be described using the functional block diagram of FIG. 2 and the time chart of FIG.
まず、制御装置6は、トラクションモータM3の運転モードがドライブモード(Dレンジの運転時)にあり、かつ、アクセルペダルセンサ6aからのセンサ信号に基づいて負荷急減時が到来したものと判定すると、図2に示すように、エアコンプレッサ31からの空気の排出量の目標値Air-refを設定する(ガス目標値設定機能:B1)。そして、制御装置6は、エアコンプレッサ31の駆動に伴う実際の空気の排出量をモータM1の回転数(回転数検知センサ3aのセンサ信号)から算出し、この算出値を測定値(現在値)Air-mesとし、目標値Air-refと測定値Air-mesとの偏差ΔAir1を算出する(ガス偏差算出機能:B2)。
First, the control device 6 determines that the operation mode of the traction motor M3 is in the drive mode (D range operation) and that the time of sudden load reduction has arrived based on the sensor signal from the
次いで、制御装置6は、算出した偏差ΔAir1が所定の閾値ΔAir-limよりも小さいか否かを判定する(ガス偏差判定機能:B3)。この閾値ΔAir-limは、エアコンプレッサ31及びモータM1の特性によって決定される値であって、モータM1が惰性で又は性能上減速する値に対応して設定されている。続いて、制御装置6は、偏差ΔAir1が閾値ΔAir-limよりも小さい場合には、回生動作が必要であるとして、目標値Air-refと閾値ΔAir-limとの偏差(第2偏差)ΔAir2を算出し(第2偏差算出機能:B4)、算出された第2偏差ΔAir2と測定値Air-mesとの偏差(第3偏差)ΔAir3を算出する(第3偏差算出機能:B5)。そして、制御装置6は、算出した第3偏差ΔAir3を、モータM1を回生動作(回生ブレーキ動作)させるための指令値として採用して、モータM1に対するPI制御を実行し(回生制御機能:B6)、その後、このルーチンでの処理を終了する。
Next, the control device 6 determines whether or not the calculated deviation ΔAir1 is smaller than a predetermined threshold value ΔAir-lim (gas deviation determination function: B3). This threshold value ΔAir-lim is a value determined by the characteristics of the
エアコンプレッサ31の回転数を、図3(A)に示すような時間履歴の目標値に従って下げる際に、閾値ΔAir-limに従って惰性でモータM1を減速させるだけでは、図3(B)に示した時間履歴AのようにモータM1は即座に停止しない。これに対し、本実施形態においては、目標値Air-refと閾値ΔAir-limとから得られた偏差(第2偏差)ΔAir2と、現在値である測定値Air-mesと、の偏差(第3偏差)ΔAir3を指令値として、この指令値を目標値Air-ref(例えば零)にするためのPI制御を実行する。このPI制御にしたがってモータM1が回生動作すると、図3(B)に示した時間履歴Bのように、モータM1の回転速度を急激に低減させることができる。さらに、モータM1の回転速度が急激に低減することに伴って燃料電池2に対する空気(酸化ガス)の供給量が急激に低減するので、図3(C)に示すように、燃料電池2の発電量を急激に低減させることができ、モータM1を回生動作させずに惰性でモータM1を減速したときよりも、斜線で示す領域に相当する発電量を少なくすることができる。また、モータM1の回生動作が行われている間は、モータM1の回生動作に伴う電力がバッテリ52に供給されるので、この電力によってバッテリ52を充電することができる。
When the rotational speed of the
次に、図4の機能ブロック図を用いて、制御装置6の背圧弁制御機能について説明する。 Next, the back pressure valve control function of the control device 6 will be described using the functional block diagram of FIG.
まず、制御装置6は、トラクションモータM3の運転モードがドライブモード(Dレンジの運転時)にあり、かつ、アクセルペダルセンサ6aからのセンサ信号に基づいて負荷急減時が到来したものと判定すると、図4に示すように、アクセル開度から出力要求電力(電力の目標値)Preqを設定する(要求電力設定機能:B11)。そして、制御装置6は、電流センサ2a及び電圧センサ2bのセンサ信号から実際の出力電力を算出し、この算出値を測定値(現在値)Pmesとし、目標値Preqと測定値Pmesとの偏差ΔP1を算出する(電力偏差算出機能:B12)。
First, the control device 6 determines that the operation mode of the traction motor M3 is in the drive mode (D range operation) and that the time of sudden load reduction has arrived based on the sensor signal from the
次いで、制御装置6は、算出した偏差ΔP1が所定の閾値ΔPlimよりも小さいか否かを判定する(電力偏差判定機能:B13)。この閾値ΔPlimは、エアコンプレッサ31の抑制能力によって決定される電力低下量に対応した値であって、モータM1が惰性で又は性能上減速する値に対応して設定されている。続いて、制御装置6は、偏差ΔP1が閾値ΔPlimよりも小さい場合には、回生動作が必要であるとして、目標値Preqと閾値ΔPlimとの偏差(第2偏差)ΔP2を算出し(第2偏差算出機能:B14)、算出された第2偏差ΔP2と測定値Pmesとの偏差(第3偏差)ΔP3を算出する(第3偏差算出機能:B15)。そして、制御装置6は、算出した第3偏差ΔP3を、モータM1を回生動作(回生ブレーキ動作)させるための指令値として採用して、モータM1に対するPI制御を実行する(回生制御機能:B16)。
Next, the control device 6 determines whether or not the calculated deviation ΔP1 is smaller than a predetermined threshold ΔPlim (power deviation determination function: B13). This threshold value ΔPlim is a value corresponding to the amount of power decrease determined by the suppression capability of the
続いて、制御装置6は、算出した第3偏差ΔP3を、背圧弁A1の開度制御を行うための開度指令値として採用して、酸化オフガス流路34内の圧力が許容範囲内に抑制されるように、上下限処理を施しながら背圧弁A1の開度を低減させるような制御を実行する(背圧弁開度低減機能:B17)。その後、このルーチンでの処理を終了する。このように、負荷急減時に、モータM1の回生動作を行わせるとともに背圧弁A1の開度を低減させることにより、酸化オフガス流路34の圧損が大きくなり、燃料電池2に導入される空気の量を急激に低減することができ、燃料電池2の発電量をさらに急速に低下させることができる。
Subsequently, the control device 6 employs the calculated third deviation ΔP3 as an opening command value for controlling the opening of the back pressure valve A1, and suppresses the pressure in the oxidant off-
次に、図5の機能ブロック図を用いて、制御装置6の電力吸収制御機能について説明する。 Next, the power absorption control function of the control device 6 will be described using the functional block diagram of FIG.
本制御におけるB21〜B25の各機能は、図4に示したB11〜B15の各機能(要求電力設定機能B11、電力偏差算出機能B12、電力偏差判定機能B13、第2偏差算出機能B14、第3偏差算出機能B15)と実質的に同一であるので、説明を省略する。制御装置6は、第3偏差算出機能B25により第3偏差ΔP3を算出した後、内蔵されたメモリのデューティマップを検索し、第3偏差ΔP3に対応した第1デューティ比Dr1を算出する(第1デューティ比設定機能:B26)。 The functions of B21 to B25 in this control are the functions of B11 to B15 shown in FIG. 4 (required power setting function B11, power deviation calculation function B12, power deviation determination function B13, second deviation calculation function B14, third Since it is substantially the same as the deviation calculation function B15), the description thereof is omitted. After calculating the third deviation ΔP3 by the third deviation calculating function B25, the control device 6 searches the duty map of the built-in memory and calculates the first duty ratio Dr1 corresponding to the third deviation ΔP3 (first Duty ratio setting function: B26).
一方、制御装置6は、前回のルーチンで算出され吸収器56により吸収させるべきであった電力(前回値)Pabs-reqと、吸収器56によって実際に吸収された電力(計測器5cの計測によって得られた計測値)Pabs-mesと、の偏差ΔPabsを算出し(吸収電力偏差算出機能:B27)、偏差ΔPabsを指令値としたPI制御を実行して第2デューティ比Dr2を算出する(第2デューティ比設定機能:B28)。この後、制御装置6は、第1デューティ比Dr1と第2デューティ比Dr2とを加算して第3デューティ比Dr3を算出し(第3デューティ算出機能:B29)、算出された第3デューティ比Dr3をチョッパ回路55に対する指令値として、チョッパ回路55に対する制御を開始する。
On the other hand, the control device 6 calculates the power (previous value) Pabs-req calculated in the previous routine and absorbed by the
すなわち、吸収電力偏差機能B27により算出される偏差ΔPabsが零でない場合には、吸収値としては偏差ΔPabsの分だけ不足していることから、この不足分に対応した第2デューティ比Dr2とデューティマップから得られた第1デューティ比Dr1とを加算して第3デューティ比Dr3を求め、この第3デューティ比Dr3に従って燃料電池2からチョッパ回路55に取り込む電力量を設定し、チョッパ回路55に取り込まれた電力を吸収器56によって吸収するための処理を実行し、このルーチンでの処理を終了する。
That is, when the deviation ΔPabs calculated by the absorbed power deviation function B27 is not zero, the absorption value is insufficient by the deviation ΔPabs. Therefore, the second duty ratio Dr2 and the duty map corresponding to this shortage Is added to the first duty ratio Dr1 to obtain a third duty ratio Dr3, and the amount of power to be taken into the
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、燃料電池2に対する出力要求の低下率が所定の閾値を超える負荷急減時に、エアコンプレッサ31を駆動するモータM1の回生動作を実現させて、エアコンプレッサ31の駆動を抑制することができる。従って、負荷急減時に、酸化ガスを外部に排出する機構を設けることなく、燃料電池2への酸化ガスの供給を急速に抑制して、燃料電池2の発電量を急速に低下させることが可能となる。
In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the regenerative operation of the motor M1 that drives the
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、負荷急減時に、背圧弁A1の開度を低減させて、酸化オフガス流路34の圧損を増大させることができる。従って、燃料電池2に導入される酸化ガスの量を急激に低減させて、燃料電池2の発電量をさらに急速に低下させることが可能となる。
In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the pressure loss of the oxidant off-
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム1においては、負荷急減時に、燃料電池2で発生した電力やエアコンプレッサ31を駆動するモータM1の回生動作により発生した電力のうちバッテリ52が蓄積できない余剰電力を、電力吸収手段(チョッパ55及び吸収器56)によって吸収することができる。従って、バッテリ52を過充電から保護することができる。
Further, in the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the
なお、以上の実施形態においては、背圧弁A1の開度制御(図4)と電力吸収手段による電力吸収制御(図5)とを別々に実施した例を示したが、双方を同時に実施することもできる。また、エアコンプレッサ31のモータM1の回生制御(図2、図4、図5)と、背圧弁A1の開度制御(図4)と、電力吸収手段による電力吸収制御(図5)と、を同時に実施してもよい。 In the above embodiment, the example in which the opening degree control of the back pressure valve A1 (FIG. 4) and the power absorption control by the power absorbing means (FIG. 5) are performed separately has been shown. You can also. Further, the regeneration control of the motor M1 of the air compressor 31 (FIGS. 2, 4, and 5), the opening control of the back pressure valve A1 (FIG. 4), and the power absorption control (FIG. 5) by the power absorption means. You may carry out simultaneously.
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。 Moreover, in the above embodiment, although the example which mounted the fuel cell system which concerns on this invention in the fuel cell vehicle was shown, it concerns on this invention to various mobile bodies (a robot, a ship, an aircraft, etc.) other than a fuel cell vehicle. A fuel cell system can also be installed. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).
1…燃料電池システム、2…燃料電池、6…制御装置(制御手段)、31…エアコンプレッサ(酸化ガス供給装置)、34…酸化オフガス流路、52…バッテリ(蓄電装置)、55…チョッパ回路(電力吸収手段)、56…吸収器(電力吸収手段)、A1…背圧弁、M1…モータ(酸化ガス供給装置)、M3…トラクションモータ(所定の負荷)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 6 ... Control apparatus (control means), 31 ... Air compressor (oxidation gas supply apparatus), 34 ... Oxidation off gas flow path, 52 ... Battery (power storage device), 55 ... Chopper circuit (Power absorption means), 56 ... absorber (power absorption means), A1 ... back pressure valve, M1 ... motor (oxidizing gas supply device), M3 ... traction motor (predetermined load).
Claims (5)
前記制御手段は、前記燃料電池に対する出力要求の低下率が所定の閾値を超える負荷急減時に前記酸化ガス供給装置に制御指令を与えて回生動作を実現させるものである、
燃料電池システム。 A fuel cell that receives the supply of the reactive gas to generate power and supplies the electric power accompanying the power generation to a predetermined load; an oxidizing gas supply device that compresses the oxidizing gas of the reactive gas and supplies the compressed fuel gas to the fuel cell; In a fuel cell system, comprising a control means for giving a control command to the oxidant gas supply device and controlling its operation,
The control means is configured to realize a regenerative operation by giving a control command to the oxidant gas supply device when the load suddenly decreases when the rate of decrease in output demand for the fuel cell exceeds a predetermined threshold.
Fuel cell system.
前記制御手段は、前記負荷急減時に前記モータに制御指令を与えて回生動作を実現させるものである、
請求項1に記載の燃料電池システム。 The oxidizing gas supply device has an air compressor, and a motor that drives the air compressor,
The control means is for realizing a regenerative operation by giving a control command to the motor when the load is suddenly reduced.
The fuel cell system according to claim 1.
前記酸化オフガス流路に設けられた背圧弁と、を備え、
前記制御手段は、前記負荷急減時に前記背圧弁に制御指令を与えて前記背圧弁の開度を低減させるものである、
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 An oxidation off-gas flow path for circulating the oxidation off-gas discharged from the fuel cell;
A back pressure valve provided in the oxidizing off gas flow path,
The control means gives a control command to the back pressure valve when the load is suddenly reduced to reduce the opening of the back pressure valve.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.
前記負荷急減時に前記蓄電装置に蓄積できない余剰電力を取り込んで吸収する電力吸収手段と、を備える、
請求項1から3の何れか一項に記載の燃料電池システム。 A power storage device that stores electric power generated in the fuel cell and / or electric power generated by a regenerative operation of the oxidizing gas supply device;
Power absorption means for taking in and absorbing surplus power that cannot be stored in the power storage device when the load suddenly decreases,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
前記燃料電池に対する出力要求の低下率が所定の閾値を超える負荷急減時に前記酸化ガス供給装置の回生動作を実現させる工程を含む、
燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell that receives the supply of a reactive gas to generate power and supplies the electric power accompanying the power generation to a predetermined load; and an oxidizing gas supply device that compresses the oxidizing gas of the reactive gas and supplies the compressed fuel gas to the fuel cell. A fuel cell system control method comprising:
Including the step of realizing the regenerative operation of the oxidizing gas supply device when the load reduction rate of the output demand for the fuel cell exceeds a predetermined threshold.
Control method of fuel cell system.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010130806A (en) * | 2008-11-28 | 2010-06-10 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2010238496A (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | Fuel cell system |
JP2011018485A (en) * | 2009-07-07 | 2011-01-27 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2011133253A (en) * | 2009-12-22 | 2011-07-07 | Denso Corp | Concentration measuring instrument for liquid |
JP2016103460A (en) * | 2014-11-14 | 2016-06-02 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system, fuel cell vehicle, and control method for the fuel cell system |
KR101803153B1 (en) | 2014-11-13 | 2017-11-29 | 도요타지도샤가부시키가이샤 | Fuel cell vehicle and control method therefor |
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2007
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010130806A (en) * | 2008-11-28 | 2010-06-10 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell system |
JP2010238496A (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | Fuel cell system |
JP2011018485A (en) * | 2009-07-07 | 2011-01-27 | Toyota Motor Corp | Fuel cell system |
JP2011133253A (en) * | 2009-12-22 | 2011-07-07 | Denso Corp | Concentration measuring instrument for liquid |
KR101803153B1 (en) | 2014-11-13 | 2017-11-29 | 도요타지도샤가부시키가이샤 | Fuel cell vehicle and control method therefor |
JP2016103460A (en) * | 2014-11-14 | 2016-06-02 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell system, fuel cell vehicle, and control method for the fuel cell system |
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