JP2010086906A

JP2010086906A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2010086906A
Application number: JP2008257567A
Authority: JP
Inventors: Junichi Hasegawa; 淳一長谷川; Tetsuya Uehara; 哲也上原; Ken Nakayama; 謙中山; Sei Hoshi; 聖星
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-10-02
Also published as: JP5309855B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress drop in output performance at normal operation temperatures while securing starting capability. <P>SOLUTION: When power control is selected as a control mode, a control part 40 determines the change of the control mode to current control based on the power difference between power (virtual power) corresponding to target current in the selected current control and the real power actually generated in a fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

従来より、燃料電池システムは、燃料電池の発電特性が定格値となるような通常の運転温度の場合、燃料電池の乾燥と湿潤過多（いわゆる、フラッディング）とを抑制するように、システムの運転状態を決定している。しかしながら、乾燥と湿潤過多との双方を抑制する運転範囲は狭いため、燃料電池から取り出す電流値と、運転制御パラメータ（例えば、反応ガスの流量または圧力）との相関関係を符合させる必要がある。そのため、通常の運転温度の場合には、燃料電池から取り出す目標電流を決定した上で、この目標電流に基づいて燃料電池を制御する手法（電流制御）が行われる。 Conventionally, the fuel cell system is operated in such a manner that the fuel cell is prevented from drying and being excessively wet (so-called flooding) at a normal operating temperature at which the power generation characteristic of the fuel cell becomes a rated value. Is determined. However, since the operation range that suppresses both drying and excessive wetness is narrow, it is necessary to match the correlation between the current value extracted from the fuel cell and the operation control parameter (for example, the flow rate or pressure of the reaction gas). Therefore, in the case of a normal operating temperature, a method (current control) for controlling the fuel cell based on the target current after determining the target current to be extracted from the fuel cell is performed.

一方で、低温環境での起動時は、燃料電池の温度も低下しているため、発電特性が低下し、また不安定となっている。そのため、発電特性にもとづく発電電力と、燃料電池を動作させるための補機類の消費電力との間に差が生じやすい。この差は、通常の運転温度の場合であれば、二次電池等の充放電手段で吸収することができるが、低温の場合には、充放電手段の特性も低下しているため、充放電手段で吸収することができないことがある。このケースでは、発電電力と、実際に消費される電力とのバランスである電力収支が成り立たず、システムがフェールする可能性がある。そこで、低温の起動時には、上記のような差を発生させないために、燃料電池で発電すべき目標電力を決定した上で、この目標電力に基づいて燃料電池を制御する手法（電力制御）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１８５８７７号公報 On the other hand, at the time of start-up in a low-temperature environment, the temperature of the fuel cell is also lowered, so that the power generation characteristics are lowered and unstable. For this reason, a difference is likely to occur between the generated power based on the power generation characteristics and the power consumption of auxiliary equipment for operating the fuel cell. This difference can be absorbed by charging / discharging means such as a secondary battery in the case of a normal operating temperature, but in the case of low temperature, the characteristics of the charging / discharging means are also deteriorated. It may not be possible to absorb by means. In this case, the power balance that is a balance between the generated power and the actual consumed power is not established, and the system may fail. Therefore, in order to prevent such a difference from occurring at the time of low temperature startup, a method (power control) for controlling the fuel cell based on the target power after determining the target power to be generated by the fuel cell is known. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2006-185877 A

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、燃料電池が通常の運転温度に復帰しても電力制御が継続されるので、燃料電池の発電特性がずれると、例えば、必要なガス流量より多くの流量が燃料電池に供給されるという不都合がある。そのため、燃料電池が乾燥して電圧が低下する、いわゆる、ドライアウト現象が発生する可能性があり、出力を制限しなければならないという問題がある。 However, according to the technique disclosed in Patent Document 1, since power control is continued even when the fuel cell returns to a normal operating temperature, if the power generation characteristics of the fuel cell are deviated, for example, from a necessary gas flow rate. There is a disadvantage that a large flow rate is supplied to the fuel cell. Therefore, there is a possibility that a so-called dry-out phenomenon occurs in which the fuel cell dries and the voltage drops, and there is a problem that the output must be limited.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、起動性を確保しつつ、通常の運転温度における出力性能の低下を抑制することである。 This invention is made | formed in view of this situation, The objective is suppressing the fall of the output performance in normal driving | running temperature, ensuring startability.

かかる課題を解決するために、本発明は、制御モードとして電力制御手段による電力制御が選択されている場合、電流制御手段による電流制御を選択した際の目標電流に対応する電力と、燃料電池において実際に発電される実電力との電力差に基づいて、電流制御手段による電流制御への制御モードの切り替えを判定する。 In order to solve such a problem, the present invention provides a fuel cell in which the power corresponding to the target current when the current control by the current control unit is selected when the power control by the power control unit is selected as the control mode. Based on the power difference from the actual power actually generated, the control mode switching to the current control by the current control means is determined.

本発明によれば、発電特性が向上し、電力差が少なくなったタイミングを把握することができる。これにより、制御モードを電力制御から電流制御へと適切に切り替えることができる。そのため、電力制御により起動性を確保しつつ、その後、電流制御へと切り替えることにより、出力性能の低下を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to grasp the timing when the power generation characteristics are improved and the power difference is reduced. As a result, the control mode can be appropriately switched from power control to current control. Therefore, a decrease in output performance can be suppressed by switching to current control after securing startability by power control.

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。 (First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system is mounted on, for example, a vehicle that is a moving body, and the vehicle is driven by electric power supplied from the fuel cell system.

燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を介して一対の反応極（燃料極および酸化剤極）が対設された燃料電池構造体を、セパレータを介して複数積層することにより構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガス（反応ガス）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（反応ガス）が供給されることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。 A fuel cell system is a fuel cell configured by stacking a plurality of fuel cell structures each having a pair of reaction electrodes (a fuel electrode and an oxidant electrode) through a solid polymer electrolyte membrane through a separator. A stack (fuel cell) 1 is provided. In the fuel cell stack 1, fuel gas (reactive gas) is supplied to the fuel electrode, and oxidant gas (reactive gas) is supplied to the oxidant electrode, so that the fuel gas and the oxidant gas are electrochemically supplied. To generate electricity. In this embodiment, a case where hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidant gas will be described.

燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。 The fuel cell system includes a hydrogen system for supplying hydrogen to the fuel cell stack 1, an air system for supplying air to the fuel cell stack 1, and a cooling system for cooling the fuel cell stack 1. It has been.

水素系において、燃料ガスである水素は、燃料ガス供給手段から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、水素は、例えば、高圧水素ボンベといった燃料タンク１０に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。 In the hydrogen system, hydrogen, which is a fuel gas, is supplied from the fuel gas supply means to the fuel cell stack 1 via the hydrogen supply flow path L1. Specifically, for example, hydrogen is stored in a fuel tank 10 such as a high-pressure hydrogen cylinder, and is supplied from the fuel tank 10 to the fuel cell stack 1 via the hydrogen supply flow path L1.

水素供給流路Ｌ１には、燃料タンク１０の下流にタンク元バルブ（図示せず）が設けられているとともに、タンク元バルブの下流に減圧バルブ（図示せず）が設けられている。燃料タンク１０内の水素は、タンク元バルブが開状態とされることにより、水素供給流路Ｌ１へと供給され、減圧バルブによって所定の圧力まで機械的に減圧される。また、水素供給流路Ｌ１には、減圧バルブの下流側に水素調圧バルブ１１が設けられている。水素調圧バルブ１１の開度は、燃料電池スタック１の燃料極における水素の圧力および流量が所望の値となるように、後述する水素循環ポンプ１２の回転数とともに制御部４０によって制御される。 In the hydrogen supply flow path L1, a tank original valve (not shown) is provided downstream of the fuel tank 10, and a pressure reducing valve (not shown) is provided downstream of the tank original valve. The hydrogen in the fuel tank 10 is supplied to the hydrogen supply flow path L1 by opening the tank source valve, and is mechanically reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve. The hydrogen supply flow path L1 is provided with a hydrogen pressure regulating valve 11 on the downstream side of the pressure reducing valve. The opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 11 is controlled by the control unit 40 together with the rotation speed of the hydrogen circulation pump 12 described later so that the hydrogen pressure and flow rate at the fuel electrode of the fuel cell stack 1 have desired values.

燃料電池スタック１における個々の燃料極から排出される排出ガス（未使用な水素を含むガス）は、水素循環流路Ｌ２に排出される。水素循環流路Ｌ２の他方の端部は、水素供給流路Ｌ１における水素調圧バルブ１１よりも下流側に接続されている。この水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２といった水素循環手段が設けられている。燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガスは、水素循環手段によって燃料タンク１０からの水素に合流させられることにより、燃料電池スタック１の燃料極に循環させられる。 Exhaust gas (gas containing unused hydrogen) discharged from each fuel electrode in the fuel cell stack 1 is discharged to the hydrogen circulation passage L2. The other end of the hydrogen circulation channel L2 is connected to the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 11 in the hydrogen supply channel L1. For example, a hydrogen circulation means such as a hydrogen circulation pump 12 is provided in the hydrogen circulation flow path L2. The exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell stack 1 is circulated to the fuel electrode of the fuel cell stack 1 by being merged with hydrogen from the fuel tank 10 by the hydrogen circulation means.

空気系において、酸化剤ガスである空気は、空気供給手段から空気供給流路Ｌ３を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、空気供給流路Ｌ３には、コンプレッサ２０が設けられている。コンプレッサ２０は、大気（空気）を取り込むとともに、これを加圧して吐出する。加圧された空気は、空気供給流路Ｌ３を介して燃料電池スタック１に供給される。 In the air system, air that is an oxidant gas is supplied from the air supply means to the fuel cell stack 1 via the air supply flow path L3. Specifically, the compressor 20 is provided in the air supply flow path L3. The compressor 20 takes in the atmosphere (air) and pressurizes and discharges it. The pressurized air is supplied to the fuel cell stack 1 through the air supply flow path L3.

燃料電池スタック１における個々の酸化剤極から排出される排出ガスは、排出流路Ｌ４を介して外部に排出される。排出流路Ｌ４には、空気調圧バルブ２１が設けられている。この空気調圧バルブ２１の開度は、燃料電池スタック１の酸化剤極における空気の圧力および流量が所望の値となるように、コンプレッサ２０の回転数とともに制御部４０によって制御される。 Exhaust gas discharged from each oxidant electrode in the fuel cell stack 1 is discharged to the outside through the discharge flow path L4. An air pressure regulating valve 21 is provided in the discharge flow path L4. The opening degree of the air pressure regulating valve 21 is controlled by the control unit 40 together with the rotational speed of the compressor 20 so that the air pressure and flow rate at the oxidant electrode of the fuel cell stack 1 have desired values.

冷却系は、ラジエータ３０と、このラジエータ３０と燃料電池スタック１との間で冷却液が循環する閉ループ状の循環流路Ｌ５とを有している。ラジエータ３０には、ラジエータ３０を送風するファン（図示せず）が設けられている。循環流路Ｌ５には、冷却液を循環させる循環ポンプ（以下「冷却液循環ポンプ」という）３１が設けられている。冷却液循環ポンプ３１を動作させることにより、循環流路Ｌ５内の冷却液が循環する。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却液は、循環流路Ｌ５を経由して、ラジエータ３０に流れ、ラジエータ３０によって冷却される。冷却された冷却液は、燃料電池スタック１に再度供給される。 The cooling system includes a radiator 30 and a closed-loop circulation flow path L5 in which a coolant circulates between the radiator 30 and the fuel cell stack 1. The radiator 30 is provided with a fan (not shown) that blows the radiator 30. The circulation channel L5 is provided with a circulation pump (hereinafter referred to as “cooling liquid circulation pump”) 31 for circulating the cooling liquid. By operating the coolant circulation pump 31, the coolant in the circulation channel L5 circulates. The coolant whose temperature has increased due to the cooling of the fuel cell stack 1 flows to the radiator 30 via the circulation flow path L5 and is cooled by the radiator 30. The cooled coolant is supplied again to the fuel cell stack 1.

燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から取り出す出力を制御する出力取出装置２が接続されている。燃料電池スタック１において発電された電力は、出力取出装置２を介して車両駆動用の電動モータ（図示せず）や二次電池３、燃料電池システムを動作させるために必要な補機に供給される。 Connected to the fuel cell stack 1 is an output take-out device 2 that controls the output taken out from the fuel cell stack 1. The electric power generated in the fuel cell stack 1 is supplied via an output extraction device 2 to an electric motor (not shown) for driving the vehicle, the secondary battery 3, and auxiliary equipment necessary for operating the fuel cell system. The

二次電池３は、例えば、システムに要求される電力（要求電力）に対し、燃料電池スタック１の発電電力が不足する場合、不足分の電力を電動モータなどに供給する。また、二次電池３は、燃料電池スタック１の発電電力が要求電力に対して余剰となった場合、余剰分の電力を蓄電し、また、電動モータの回生電力を蓄電する。 For example, when the generated power of the fuel cell stack 1 is insufficient with respect to the power required for the system (requested power), the secondary battery 3 supplies the insufficient power to an electric motor or the like. Further, when the generated power of the fuel cell stack 1 becomes surplus with respect to the required power, the secondary battery 3 stores the surplus power and stores the regenerative power of the electric motor.

制御部４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部４０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、演算結果である制御パラメータに対応する制御信号を各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。これにより、各種のバルブの状態、コンプレッサ２０の回転数、および、冷却液循環ポンプ３１の回転数、出力取出装置２などが制御される。 The control unit 40 has a function of controlling the entire system in an integrated manner, and controls the operation state of the system by operating according to the control program. As the control unit 40, a microcomputer mainly composed of a CPU, a ROM, a RAM, and an I / O interface can be used. The control unit 40 performs various calculations based on the state of the system, and outputs control signals corresponding to control parameters that are the calculation results to various actuators (not shown). Thereby, various valve states, the rotational speed of the compressor 20, the rotational speed of the coolant circulation pump 31, the output extraction device 2, and the like are controlled.

制御部４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。電流センサ４１は、燃料電池スタック１から取り出される電流を実電流として検出する。電圧センサ４２は、燃料電池スタック１の電圧を実電圧として検出する。温度センサ４３は、燃料電池スタック１の温度をスタック温度として検出するセンサであり、本実施形態では、燃料電池スタック１の温度に対応する冷却液の温度を検出する。 Sensor signals from various sensors and the like are input to the control unit 40 in order to detect the state of the system. The current sensor 41 detects the current extracted from the fuel cell stack 1 as an actual current. The voltage sensor 42 detects the voltage of the fuel cell stack 1 as an actual voltage. The temperature sensor 43 is a sensor that detects the temperature of the fuel cell stack 1 as the stack temperature. In the present embodiment, the temperature sensor 43 detects the temperature of the coolant corresponding to the temperature of the fuel cell stack 1.

本実施形態との関係において、制御部４０は、燃料電池スタック１が発電すべき電力である目標電力を演算する（目標電力演算手段）。制御部４０は、目標電力に基づいて燃料電池スタック１を制御する電力制御を行う（電力制御手段）。また、制御部４０は、目標電力に対応する電流値を目標電流として演算するとともに、この目標電流に基づいて燃料電池スタック１を制御する電流制御を行う（電流制御手段）。さらに、制御部４０は、制御モードを、電力制御および電流制御から選択する（選択手段）。この場合、制御部４０は、制御モードとして電力制御が選択されている場合、電流制御を選択した際の目標電流に対応する電力と、燃料電池スタック１において実際に発電される実電力との電力差に基づいて、電流制御への制御モードの切り替えを判定する。 In relation to the present embodiment, the control unit 40 calculates target power that is power to be generated by the fuel cell stack 1 (target power calculation means). The control unit 40 performs power control for controlling the fuel cell stack 1 based on the target power (power control means). The control unit 40 calculates a current value corresponding to the target power as a target current, and performs current control for controlling the fuel cell stack 1 based on the target current (current control means). Furthermore, the control unit 40 selects a control mode from power control and current control (selection means). In this case, when the power control is selected as the control mode, the control unit 40 generates a power corresponding to the target current when the current control is selected and the actual power actually generated in the fuel cell stack 1. Based on the difference, switching of the control mode to current control is determined.

図２は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法、具体的には、制御モードの切り替え処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、システムの起動に対応して、例えば、イグニッションスイッチのオン信号をトリガーとして、制御部４０によって実行される。 FIG. 2 is a flowchart showing a control method of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention, specifically, a procedure of control mode switching processing. The processing shown in this flowchart is executed by the control unit 40 in response to the activation of the system, for example, using an ignition switch ON signal as a trigger.

ステップ１（Ｓ１）において、制御部４０は、燃料電池スタック１の発電特性が低下しているか否かを判断する。発電特性を示す燃料電池スタック１の電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）は、温度に依存する。具体的には、燃料電池スタック１は、通常の運転温度から低温状態（例えば、氷点下環境に放置された状態）に向かう程、発電特性が低下するという傾向を有する。なぜならば、例えば、氷点下の環境においてシステムを起動する場合には、燃料電池スタック１における生成水の凍結により、反応ガスが電解質膜まで到達できず、発電不良になると考えられるからである。また、燃料電池スタック１は、温度が高い方が、化学反応がより良好に生じるからである。 In step 1 (S1), the control unit 40 determines whether or not the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 are degraded. The current-voltage characteristic (IV characteristic) of the fuel cell stack 1 showing the power generation characteristic depends on temperature. Specifically, the fuel cell stack 1 has a tendency that the power generation characteristics decrease as it goes from a normal operation temperature to a low temperature state (for example, a state where the fuel cell stack 1 is left in an environment below freezing point). This is because, for example, when the system is started in an environment below freezing point, the reaction gas cannot reach the electrolyte membrane due to the freezing of the generated water in the fuel cell stack 1, which is considered to cause power generation failure. In addition, the fuel cell stack 1 has a better chemical reaction when the temperature is higher.

そこで、実験やシミュレーションを通じて、発電特性が低下すると想定される燃料電池スタック１の温度を予め取得しておき、これを基準温度として保持しておく。制御部４０は、温度センサ４３から得られるスタック温度と、基準温度とを比較する。制御部４０は、スタック温度が基準温度以下の場合には、発電特性が低下していると判断し、スタック温度が基準温度よりも高い場合には、発電特性が低下していないと判断する。 Therefore, through experiments and simulations, the temperature of the fuel cell stack 1 that is assumed to deteriorate the power generation characteristics is acquired in advance, and this is held as the reference temperature. The control unit 40 compares the stack temperature obtained from the temperature sensor 43 with the reference temperature. The control unit 40 determines that the power generation characteristics are deteriorated when the stack temperature is equal to or lower than the reference temperature, and determines that the power generation characteristics are not deteriorated when the stack temperature is higher than the reference temperature.

このステップ１において肯定判定された場合、すなわち、燃料電池スタック１の発電特性が低下している場合には、ステップ２（Ｓ２）に進む。一方、ステップ１において否定判定された場合、すなわち、燃料電池スタック１の発電特性が低下していない場合には、後述するステップ４（Ｓ４）に進む。 If an affirmative determination is made in step 1, that is, if the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 are degraded, the process proceeds to step 2 (S2). On the other hand, if a negative determination is made in step 1, that is, if the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 are not degraded, the process proceeds to step 4 (S4) described later.

ステップ２において、制御部４０は、現在選択されている制御モードを示す制御フラグＦcontを「１」にセットする。制御フラグＦcontは、初期的に、「０」にセットされている。制御部４０は、制御フラグＦcontが「０」にセットされている間には、制御部モードとして、後述する電流制御を選択する。一方、制御部４０は、制御フラグＦcontが「１」にセットされている間には、制御部モードとして、電力制御を選択する。 In step 2, the control unit 40 sets a control flag Fcont indicating the currently selected control mode to “1”. The control flag Fcont is initially set to “0”. While the control flag Fcont is set to “0”, the control unit 40 selects current control described later as the control unit mode. On the other hand, the control unit 40 selects power control as the control unit mode while the control flag Fcont is set to “1”.

制御モードとして電力制御を選択した場合、制御部４０は、システムに要求される要求電力に対応して、燃料電池スタック１が発電すべき電力である目標電力を演算する。例えば、燃料電池システムが駆動用電源として車両に搭載されているケースにおいて、要求電力としては、例えば、電動モータの予想消費電力や、システムを駆動する各種の補機の動作電力などを挙げることができる。 When power control is selected as the control mode, the control unit 40 calculates target power that is power to be generated by the fuel cell stack 1 in accordance with the required power required for the system. For example, in a case where the fuel cell system is mounted on a vehicle as a driving power source, examples of the required power include expected power consumption of an electric motor and operating power of various auxiliary machines that drive the system. it can.

制御部４０は、算出された目標電力に基づいて、燃料電池スタック１の運転を制御するための運転制御パラメータと、燃料電池スタック１から取り出す電力を制御するための電力制御パラメータとを演算する。運転制御パラメータは、燃料電池スタック１に供給する反応ガス、すなわち、水素または空気の圧力および流量や、冷却液の流量である。電力制御パラメータは、燃料電池スタック１の電流および電圧である。 The control unit 40 calculates an operation control parameter for controlling the operation of the fuel cell stack 1 and a power control parameter for controlling the electric power taken out from the fuel cell stack 1 based on the calculated target power. The operation control parameters are the pressure and flow rate of the reaction gas supplied to the fuel cell stack 1, that is, hydrogen or air, and the flow rate of the coolant. The power control parameters are the current and voltage of the fuel cell stack 1.

制御部４０は、実験やシミュレーションを通じて、種々の目標電力に対応する、運転制御パラメータおよび電力制御パラメータに関するそれぞれの最適値を予め取得しており、これらの対応関係をマップまたは演算式として保持している。そして、制御部４０は、マップまたは演算式を参照した上で、算出された目標電力に基づいて、水素および空気の圧力および流量、冷却液の流量、燃料電池スタック１の電流および電圧をそれぞれ制御パラメータとして算出する。そして、制御部４０は、算出された制御パラメータを指令値として、各種のバルブの状態、コンプレッサ２０の回転数、および、冷却液循環ポンプ３１の回転数、出力取出装置２を制御する。 The control unit 40 acquires in advance the optimum values for the operation control parameters and the power control parameters corresponding to various target powers through experiments and simulations, and holds these correspondences as a map or an arithmetic expression. Yes. Then, the control unit 40 refers to the map or the arithmetic expression, and controls the pressure and flow rate of hydrogen and air, the flow rate of the coolant, and the current and voltage of the fuel cell stack 1 based on the calculated target power. Calculate as a parameter. And the control part 40 controls the state of various valves, the rotation speed of the compressor 20, the rotation speed of the cooling fluid circulation pump 31, and the output extraction apparatus 2 by using the calculated control parameter as a command value.

ステップ３（Ｓ３）において、制御部４０は、制御モードの切り替えを行うか否か、すなわち、システムの起動時に制御モードとして電力制御が選択されたことを前提として、これを電流制御に切り替えるか否かを判断する。 In step 3 (S3), the control unit 40 determines whether or not to switch the control mode, that is, whether or not to switch to the current control on the assumption that the power control is selected as the control mode when the system is started up. Determine whether.

図３は、制御モードの切替判定の概念を示す説明図である。同図において、線Ｃ０は、通常の運転温度における燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性を示す。このＩ−Ｖ特性より、ある電流値ｉ０に対応する燃料電池スタック１の発電電力は電力Ｗ０となる。 FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a concept of control mode switching determination. In the figure, a line C0 indicates the IV characteristic of the fuel cell stack 1 at a normal operating temperature. From this IV characteristic, the generated power of the fuel cell stack 1 corresponding to a certain current value i0 is the power W0.

線Ｃ１は、発電特性が低下するような低温状態における燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性を示す。この状態において、ある電流ｉ０に対応する燃料電池スタック１の発電電力は、発電電力Ｗ０よりも小さい電力Ｗ１となる。低温状態では、目標電流ｉ０を設定し、これに対応する発電電力Ｗ０を得ようとしても、燃料電池スタック１の電力特性が低下しているため、実際には、発電電力Ｗ１しか得ることができない。特に、氷点下のような低温状態では、発電電力Ｗ０と発電電力Ｗ１との乖離が大きくなり、二次電池３からの出力でもこれを賄うことができず、システム全体としての電力収支が悪化し、システムがフェールする可能性がある。 A line C1 indicates the IV characteristic of the fuel cell stack 1 in a low temperature state where the power generation characteristic is lowered. In this state, the generated power of the fuel cell stack 1 corresponding to a certain current i0 is a power W1 that is smaller than the generated power W0. In the low temperature state, even if the target current i0 is set and the generated power W0 corresponding to the target current i0 is set, the power characteristics of the fuel cell stack 1 are degraded, so that only the generated power W1 can be actually obtained. . In particular, in a low temperature state such as below freezing point, the difference between the generated power W0 and the generated power W1 becomes large, the output from the secondary battery 3 cannot be covered, and the power balance of the entire system deteriorates. The system may fail.

線Ｃ２は、線Ｃ１の温度状態からスタック温度が上昇した状態における温度状態における燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性を示す。この状態において、ある電流値ｉ０に対応する燃料電池スタック１の発電電力は電力Ｗ２となる。この場合、発電電力Ｗ０と発電電力Ｗ２との乖離は、上述した発電電力Ｗ０と発電電力Ｗ１との乖離よりも小さくなる。このケースでは、発電電力Ｗ０に対する発電電力Ｗ２の乖離を、二次電池３からの出力で賄うことができるので、システムのフェールを抑制することができる。 A line C2 indicates the IV characteristic of the fuel cell stack 1 in a temperature state in which the stack temperature is increased from the temperature state of the line C1. In this state, the generated power of the fuel cell stack 1 corresponding to a certain current value i0 is the power W2. In this case, the difference between the generated power W0 and the generated power W2 is smaller than the difference between the generated power W0 and the generated power W1 described above. In this case, since the difference between the generated power W2 and the generated power W0 can be covered by the output from the secondary battery 3, system failure can be suppressed.

そこで、本実施形態では、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性や、二次電池３の特性などを調査した上で、発電電力Ｗ０に対する乖離を、システムのフェールを抑制することができる最低レベルのＩ−Ｖ特性（線Ｃ２）を取得しておく。この制御部４０は、取得したＩ−Ｖ特性を下限Ｉ−Ｖ特性として保持している。制御部４０は、電流センサ４１から得られる実電流と電圧センサ４２から得られる実電圧とを積算することにより、実電力を演算する。一方、制御部４０は、上述した目標電力に基づいて、この目標電力に対応する目標電流を演算する。そして、制御部４０は、下限Ｉ−Ｖ特性を参照した上で、演算された目標電流に対応する電圧を演算し、この演算した電圧と目標電流との積算値を、仮想電力として演算する。換言すれば、この仮想電力は、電流制御を選択した際の目標電流に対応する電力に相当する。 Therefore, in this embodiment, after investigating the IV characteristics of the fuel cell stack 1 and the characteristics of the secondary battery 3 through experiments and simulations, the system failure is suppressed from the deviation from the generated power W0. The lowest level IV characteristic (line C2) that can be obtained is acquired. The control unit 40 holds the acquired IV characteristic as the lower limit IV characteristic. The control unit 40 calculates the actual power by integrating the actual current obtained from the current sensor 41 and the actual voltage obtained from the voltage sensor 42. On the other hand, the control unit 40 calculates a target current corresponding to the target power based on the target power described above. Then, the control unit 40 calculates a voltage corresponding to the calculated target current after referring to the lower limit IV characteristic, and calculates an integrated value of the calculated voltage and the target current as virtual power. In other words, this virtual power corresponds to power corresponding to the target current when current control is selected.

制御部４０は、実電力が仮想電力以上の場合、すなわち、実電力と仮想電力との差（電力差）が二次電池３によって補うことができる電力差の最大値以内である場合、電力制御を電流制御に切り替えると判断する。この場合、ステップ３において肯定判定されるため、ステップ４（Ｓ４）に進む。一方、制御部４０は、実電力が発電電力Ｗ２よりも小さい場合には、電力制御を電流制御に切り替えない、すなわち、電力制御を継続する。この場合、ステップ３において否定判定されるため、ステップ２に戻る。 When the actual power is greater than or equal to the virtual power, that is, when the difference between the actual power and the virtual power (power difference) is within the maximum value of the power difference that can be compensated by the secondary battery 3, the control unit 40 performs power control. Is switched to current control. In this case, since an affirmative determination is made in step 3, the process proceeds to step 4 (S4). On the other hand, when the actual power is smaller than the generated power W2, the control unit 40 does not switch the power control to the current control, that is, continues the power control. In this case, since a negative determination is made in step 3, the process returns to step 2.

ステップ４において、制御部４０は、制御モードを示す制御フラグＦcontを「０」にセットする。制御部４０は、制御フラグＦcontが「０」にセットされている間には、制御部モードとして、電流制御を選択する。制御モードとして電流制御を選択した場合、制御部４０は、システムに要求される電力に対応して、燃料電池スタック１が発電すべき電力である目標電力を演算する。 In step 4, the control unit 40 sets the control flag Fcont indicating the control mode to “0”. While the control flag Fcont is set to “0”, the control unit 40 selects current control as the control unit mode. When current control is selected as the control mode, the control unit 40 calculates target power that is power to be generated by the fuel cell stack 1 corresponding to the power required for the system.

制御部４０は、算出された目標電力に基づいて、この目標電力に対応する目標電流を演算する。そして、制御部４０は、演算された目標電流に基づいて、運転制御パラメータと、燃料電池スタック１から取り出す電流を制御するための電流制御パラメータとを演算する。電流制御パラメータは、燃料電池スタック１の電力および電圧である。 Based on the calculated target power, the controller 40 calculates a target current corresponding to the target power. Then, the control unit 40 calculates an operation control parameter and a current control parameter for controlling the current taken out from the fuel cell stack 1 based on the calculated target current. The current control parameter is the power and voltage of the fuel cell stack 1.

制御部４０は、実験やシミュレーションを通じて、種々の目標電流に対応する、運転制御パラメータおよび電力制御パラメータに関するそれぞれの最適値を予め取得しており、これらの対応関係をマップまたは演算式として保持している。そして、制御部４０は、マップまたは演算式を参照した上で、算出された目標電流に基づいて、水素および空気の圧力および流量、冷却液の流量、燃料電池スタック１の電力および電圧をそれぞれ制御パラメータとして算出する。そして、制御部４０は、算出された制御パラメータを指令値として、各種のバルブの状態、コンプレッサ２０の回転数、および、冷却液循環ポンプ３１の回転数、出力取出装置２を制御する。 The control unit 40 acquires in advance the optimum values for the operation control parameter and the power control parameter corresponding to various target currents through experiments and simulations, and holds these correspondences as a map or an arithmetic expression. Yes. Then, the control unit 40 controls the pressure and flow rate of hydrogen and air, the flow rate of the coolant, and the power and voltage of the fuel cell stack 1 based on the calculated target current after referring to the map or the arithmetic expression. Calculate as a parameter. And the control part 40 controls the state of various valves, the rotation speed of the compressor 20, the rotation speed of the cooling fluid circulation pump 31, and the output extraction apparatus 2 by using the calculated control parameter as a command value.

このように本実施形態において、制御部４０は、制御モードとして電力制御が選択されている場合、電流制御を選択した際の目標電流に対応する電力（仮想電力）と、燃料電池において実際に発電される実電力との電力差に基づいて、電流制御への制御モードの切り替えを判定する。 As described above, in the present embodiment, when the power control is selected as the control mode, the control unit 40 generates the power (virtual power) corresponding to the target current when the current control is selected and the actual power generation in the fuel cell. The control mode switching to the current control is determined based on the power difference from the actual power.

かかる構成によれば、発電特性が向上し、電力差が少なくなったタイミングを把握することができる。これにより、制御モードを電力制御から電流制御へと適切に切り替えることができる。そのため、電力制御により起動性を確保しつつ、その後、電流制御へと切り替えることにより、出力性能の低下を抑制することができる。 According to such a configuration, it is possible to grasp the timing when the power generation characteristics are improved and the power difference is reduced. As a result, the control mode can be appropriately switched from power control to current control. Therefore, a decrease in output performance can be suppressed by switching to current control after securing startability by power control.

また、本実施形態において、制御部４０は、システムの起動時に燃料電池スタック１の発電特性が低下していると判定した場合、制御モードとして電力制御を選択する。かかる構成によれば、低温起動時の起動性の向上を図ることができるとともに、通常の運転温度に復帰した際の出力性能の低下を抑制することができる。 Moreover, in this embodiment, the control part 40 selects electric power control as a control mode, when it determines with the electric power generation characteristic of the fuel cell stack 1 falling at the time of starting of a system. According to such a configuration, it is possible to improve the startability at the time of starting at a low temperature and to suppress a decrease in output performance when returning to a normal operation temperature.

また、本実施形態において、燃料電池システムは、電力差を吸収する充放電手段として二次電池３を有している。この場合、制御部４０は、実電力と仮想電力との電力差が、二次電池３によって補うことができる電力差の最大値以内である場合に、制御モードを電力制御から電流制御へ切り替える。かかる構成によれば、発電特性の低下により電力差が生じていても、二次電池３によって電力差を補えることを考慮して、制御モードが電流制御へと切り替えられる。これにより、起動性の向上を図ることができるとともに、温度が上昇し発電特性が向上した後の電流制御において、出力性能の低下を抑制することができる。 Moreover, in this embodiment, the fuel cell system has the secondary battery 3 as a charging / discharging means which absorbs a power difference. In this case, the control unit 40 switches the control mode from power control to current control when the power difference between the real power and the virtual power is within the maximum value of the power difference that can be compensated by the secondary battery 3. According to such a configuration, even if a power difference occurs due to a decrease in power generation characteristics, the control mode is switched to current control in consideration of the power difference being compensated by the secondary battery 3. As a result, the startability can be improved, and a decrease in output performance can be suppressed in the current control after the temperature rises and the power generation characteristics are improved.

（第２の実施形態）
第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、制御部４０による制御モードの切替判断の手法である。なお、本実施形態にかかる燃料電池システムのシステム構成および制御方法については、第１の実施形態のそれと基本的に同じであり、重複する部分については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。 (Second Embodiment)
The difference between the fuel cell system according to the second embodiment and that of the first embodiment is a method for determining whether to switch control modes by the control unit 40. The system configuration and control method of the fuel cell system according to the present embodiment are basically the same as those of the first embodiment, and the description of the overlapping parts will be omitted. The explanation will be given mainly.

具体的には、第１の実施形態に示すステップ３の処理において、制御部４０は、システムの起動時に制御モードとして電力制御が選択されたことを前提として、これを電流制御に切り替えるか否かを判断する。本実施形態では、制御部４０は、スタック温度をベースに、切替判断を行う。 Specifically, in the process of step 3 shown in the first embodiment, the control unit 40 determines whether or not to switch to current control on the assumption that power control is selected as the control mode at the time of system startup. Judging. In the present embodiment, the control unit 40 makes a switching determination based on the stack temperature.

図４は、電力差と温度の説明図である。同図において、「ｄｗ」は、電力差、すなわち、電流制御を選択した際の目標電流に対応する電力（仮想電力）と、実電力との差であり、「Ｔemp」は、スタック温度を示す。上述したように、燃料電池スタック１の温度が上昇すると、燃料電池スタック１の発電特性が向上する。そのため、同図に示すように、電力差ｄｗは、スタック温度Ｔempの増加に対応して、その値が低下する傾向を示す。 FIG. 4 is an explanatory diagram of power difference and temperature. In the figure, “dw” is the difference between the power difference, that is, the power corresponding to the target current when current control is selected (virtual power) and the actual power, and “Temp” indicates the stack temperature. . As described above, when the temperature of the fuel cell stack 1 rises, the power generation characteristics of the fuel cell stack 1 are improved. Therefore, as shown in the figure, the power difference dw shows a tendency that the value thereof decreases as the stack temperature Temp increases.

そこで、本実施形態では、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性や、二次電池３の特性などを調査した上で、システムのフェールを抑制することができる最大レベルの電力差ｄｗ１に対応する温度Ｔemp0を取得しておく。制御部４０は、取得した温度Ｔemp0を保持している。制御部４０は、温度センサ４３から得られるスタック温度が温度Ｔemp0以上の場合には、電力制御を電流制御に切り替えると判断する。一方、制御部４０は、温度センサ４３から得られるスタック温度が最低温度Ｔemp0よりも低い場合には、電力制御を電流制御に切り替えない、すなわち、電力制御を継続する。 Therefore, in the present embodiment, the maximum power difference that can suppress system failure after investigating the IV characteristics of the fuel cell stack 1 and the characteristics of the secondary battery 3 through experiments and simulations. The temperature Temp0 corresponding to dw1 is acquired. The control unit 40 holds the acquired temperature Temp0. When the stack temperature obtained from the temperature sensor 43 is equal to or higher than the temperature Temp0, the control unit 40 determines to switch the power control to the current control. On the other hand, when the stack temperature obtained from the temperature sensor 43 is lower than the minimum temperature Temp0, the control unit 40 does not switch the power control to the current control, that is, continues the power control.

このように本実施形態によれば、制御部４０は、燃料電池スタック１の温度に基づいて、電力差を特定する。かかる構成であっても、第１の実施形態と同様、起動性の向上を図ることができるとともに、出力性能の低下を抑制することができる。 Thus, according to the present embodiment, the control unit 40 identifies the power difference based on the temperature of the fuel cell stack 1. Even with such a configuration, as in the first embodiment, it is possible to improve the startability and to suppress a decrease in output performance.

（第３の実施形態）
第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１または第２の実施形態のそれと相違する点は、制御部４０による制御モードの切替手法である。なお、本実施形態にかかる燃料電池システムのシステム構成および制御方法については、第１または第２の実施形態のそれと基本的に同じであり、重複する部分については説明を省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。 (Third embodiment)
The fuel cell system according to the third embodiment is different from that of the first or second embodiment in the control mode switching method by the control unit 40. Note that the system configuration and control method of the fuel cell system according to this embodiment are basically the same as those of the first or second embodiment, and the description of the overlapping parts is omitted. The explanation will focus on the differences.

図５および図６は、制御モードの切り替えにともなう運転制御パラメータの推移を示す説明図である。タイミングＴ１において制御モードの切り替えを行うとの判定、すなわち、制御モードを電力制御から電流制御へ切り替えるとの判定がなされたとする。図５に示すように、タイミングＴ１における電力制御を行った場合の運転制御パラメータを値Ａ１とし、また、このタイミングＴ１において、電流制御を行った場合の運転制御パラメータを値Ａ２とする。 FIG. 5 and FIG. 6 are explanatory diagrams showing the transition of the operation control parameter accompanying the switching of the control mode. It is assumed that it is determined that the control mode is switched at the timing T1, that is, it is determined that the control mode is switched from the power control to the current control. As shown in FIG. 5, the operation control parameter when the power control is performed at the timing T1 is a value A1, and the operation control parameter when the current control is performed at the timing T1 is a value A2.

このタイミングＴ１に、電力制御から電流制御への切り替えを瞬時に行うと、運転制御パラメータの指令値（図中の破線）に対して、運転制御パラメータの実値（図中の実線）がずれて変化する可能性がある。そのため、運転制御パラメータの実値が、その指令値Ａ２をオーバーシュートする可能性がある（なお、値Ａ１が値Ａ２よりも大きい場合は、アンダーシュートする）。また、切り替えを瞬時に行うと、燃料極と酸化剤極との差圧が大きくなる可能性がある。 When switching from power control to current control is performed instantaneously at this timing T1, the actual value of the operation control parameter (solid line in the figure) deviates from the command value of the operation control parameter (dashed line in the figure). It can change. Therefore, there is a possibility that the actual value of the operation control parameter overshoots the command value A2 (when the value A1 is larger than the value A2, undershoot). Further, if switching is performed instantaneously, there is a possibility that the differential pressure between the fuel electrode and the oxidant electrode becomes large.

そこで、本実施形態において、制御部４０は、切り替えが判断されたタイミングＴ１から、所定の時間（以下「制御切替時間」という）ΔＴが経過したタイミングＴ２において制御モードを移行させる。ここで、制御切替時間ΔＴは、実験やシミュレーションを通じて、オーバーシュートまたはアンダーシュートといった運転制御パラメータの実値と指令値との間の乖離や、極間差圧等の不具合を生じさせないような時間の最適値が予め設定されている。そして、制御部４０は、制御切替時間ΔＴの間、すなわち、タイミングＴ１からタイミングＴ２までの間は、例えば、制御パラメータを値Ａ１から値Ａ２へと比例的に変化させる。 Therefore, in the present embodiment, the control unit 40 shifts the control mode at a timing T2 when a predetermined time (hereinafter referred to as “control switching time”) ΔT has elapsed from the timing T1 at which switching is determined. Here, the control switching time ΔT is a time which does not cause a problem such as a deviation between the actual value of the operation control parameter such as overshoot or undershoot and the command value, or a differential pressure between the electrodes through experiments and simulations. The optimum value is preset. Then, the control unit 40 proportionally changes the control parameter from the value A1 to the value A2, for example, during the control switching time ΔT, that is, from the timing T1 to the timing T2.

このように本実施形態において、制御部４０は、制御モードを電力制御から電流制御へ切り替える場合、切り替えの判定タイミングから制御切替時間を経過するタイミングまでの期間において制御モードの切り替えを行う。かかる構成によれば、運転制御パラメータの指令値と実値との間の乖離を抑制することができるので、急激な圧力変化や流量変化を抑制することができる。そのため、システム構成部品の破損を抑制することができるとともに、第１または第２の実施形態と同様、起動性の向上を図ることができるとともに、出力性能の低下を抑制することができる。 As described above, in the present embodiment, when the control mode is switched from power control to current control, the control unit 40 switches the control mode in the period from the switching determination timing to the timing at which the control switching time elapses. According to such a configuration, the deviation between the command value and the actual value of the operation control parameter can be suppressed, so that a rapid pressure change or flow rate change can be suppressed. For this reason, it is possible to suppress damage to the system components, improve the startability as in the first or second embodiment, and suppress the decrease in output performance.

なお、運転パラメータを値Ａ１から値Ａ２へと切り替える手法は、各部品の機能が確保できる切り替え手法であれば、比例的に変化させる手法に限定されない。 Note that the method of switching the operation parameter from the value A1 to the value A2 is not limited to the method of changing proportionally as long as it is a switching method that can ensure the function of each component.

以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。 Although the fuel cell system and the control method thereof according to the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention.

第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を模式的に示すブロック図1 is a block diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system according to a first embodiment. 第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートThe flowchart which shows the control method of the fuel cell system concerning a 1st embodiment. 制御モードの切替判定の概念を示す説明図Explanatory drawing which shows the concept of control mode switching determination 電力差と温度の説明図Illustration of power difference and temperature 制御モードの切り替えにともなう運転制御パラメータの推移を示す説明図Explanatory diagram showing the transition of operation control parameters with control mode switching 制御モードの切り替えにともなう運転制御パラメータの推移を示す説明図Explanatory diagram showing the transition of operation control parameters with control mode switching

Explanation of symbols

１…燃料電池スタック
２…出力取出装置
３…二次電池
１０…燃料タンク
１１…水素調圧バルブ
１２…水素循環ポンプ
２０…コンプレッサ
２１…空気調圧バルブ
３０…ラジエータ
３１…冷却液循環ポンプ
４０…制御部
４１…電流センサ
４２…電圧センサ
４３…温度センサ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 2 ... Output extraction device 3 ... Secondary battery 10 ... Fuel tank 11 ... Hydrogen pressure regulating valve 12 ... Hydrogen circulation pump 20 ... Compressor 21 ... Air pressure regulating valve 30 ... Radiator 31 ... Coolant circulation pump 40 ... Control unit 41 ... Current sensor 42 ... Voltage sensor 43 ... Temperature sensor

Claims

In the fuel cell system,
A fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting the reaction gas supplied to the reaction electrode; and
Target power calculation means for calculating target power which is power to be generated by the fuel cell;
Power control means for performing power control for controlling the fuel cell based on the target power;
Current control means for calculating a current value corresponding to the target power as a target current and performing current control for controlling the fuel cell based on the calculated target current;
Selection means for selecting a control mode from power control by the power control means and current control by the current control means;
When the power control by the power control unit is selected as the control mode, the selection unit is configured to generate power corresponding to the target current when current control by the current control unit is selected, and to actually generate power in the fuel cell. A fuel cell system that determines switching of the control mode to current control by the current control unit based on a power difference from the actual power that is generated.

The said selection means selects the electric power control by the said electric power control means as a control mode, when it determines with the electric power generation characteristic of the said fuel cell having fallen at the time of a system start-up, The said control means is characterized by the above-mentioned. Fuel cell system.

Charging / discharging means for absorbing the power difference;
The selection means switches the control mode from power control by the power control means to current control by the current control means when the power difference is within a maximum value of the power difference that can be compensated by the charge / discharge means. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is switched.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the selection unit specifies the power difference based on a temperature of the fuel cell.

When the control mode is switched from the power control by the power control unit to the current control by the current control unit, the selection unit switches the control mode in a period from a switching determination timing to a timing at which a control switching time elapses. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein