JP2013062085A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which, while restricting the degradation of a fuel cell, can improve the output efficiency of the fuel cell system as a whole.SOLUTION: In an FC system 12, when a request output Psys of loads 14 and 16 exceeds a lower limit output value lim1 and also falls below an upper limit output value lim2, fixation to a specific voltage value and tracking to the request output of loads are executed continuously. When the request output of the loads 14 and 16 falls below the lower limit output value or exceeds the upper limit output value, fixation to the specific voltage value is continued to be executed and also control is exerted on gas supply means so that an FC output Pfc fits within a maximum efficiency region Rhieff.

Description

この発明は、燃料電池から負荷に対して電力供給を行う燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that supplies power from a fuel cell to a load.

従来、燃料電池車両等に利用される燃料電池の劣化を抑制するために、酸化還元電位を回避して燃料電池を発電する燃料電池システムが提案されている(特許文献1)。特許文献1の燃料電池システムでは、システム要求電力Wreqが徐々に上がっていく場合であっても、燃料電池の出力電圧Vfcを酸化還元電位Voxptで一度制限し、制限した電圧に相当する電力をバッテリで補うように制御する。その後、アクセル開度が下がる等して燃料電池の発電が必要なくなったとしても、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位以下で維持して発電を継続し、バッテリの残容量が所定値を超えるまで発電を継続する(要約)。   Conventionally, in order to suppress deterioration of a fuel cell used in a fuel cell vehicle or the like, a fuel cell system that generates power by avoiding an oxidation-reduction potential has been proposed (Patent Document 1). In the fuel cell system of Patent Document 1, even when the system required power Wreq gradually increases, the output voltage Vfc of the fuel cell is limited once by the oxidation-reduction potential Voxpt, and the power corresponding to the limited voltage is supplied to the battery. Control to make up with. After that, even if the fuel cell power generation is no longer necessary due to the accelerator opening decreasing, etc., the fuel cell output voltage is maintained below the oxidation-reduction potential and power generation is continued until the remaining battery capacity exceeds a predetermined value. Continue power generation (summary).

また、システム全体での発電効率の向上を目指した燃料電池システムが開発されている(特許文献2)。特許文献2では、燃料電池での発電の無駄を削減し、燃料電池と2次電池を有するシステム全体としての効率向上を図っている(要約)。このため、特許文献2における燃料電池システム10は、アクセルペダルの踏込操作を介して運転者が要求する車両の駆動要求パワーの大きさにより、燃料電池20とその周辺装置を含む燃料電池機器群の運転・停止を定める。この駆動要求パワーが閾値パワーXps以下の低負荷領域の燃料電池発電運転で得られるものである場合には、燃料電池機器群を停止させ、2次電池30単独でその残存容量Qによりモータ32を回転させて、車両を駆動要求パワーで駆動する(要約)。   In addition, a fuel cell system aimed at improving the power generation efficiency of the entire system has been developed (Patent Document 2). In Patent Document 2, waste of power generation in the fuel cell is reduced, and the efficiency of the entire system including the fuel cell and the secondary battery is improved (summary). For this reason, the fuel cell system 10 in Patent Document 2 is a fuel cell device group including the fuel cell 20 and its peripheral devices, depending on the magnitude of the required driving power of the vehicle requested by the driver through the depression operation of the accelerator pedal. Determine operation / stop. When the required power for driving is obtained by the fuel cell power generation operation in the low load region where the threshold power is less than or equal to the threshold power Xps, the fuel cell device group is stopped and the motor 32 is operated by the remaining capacity Q by the secondary battery 30 alone. Rotate to drive the vehicle at the required drive power (summary).

特開2007−005038号公報JP 2007-005038 A 特開2001−307758号公報JP 2001-307758 A

上記のように、特許文献1の制御では、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位以下に維持するが、酸化還元電位を回避し続けるためには、走行モータ等の負荷が要求する電力に対して、燃料電池の出力電力を大きくする必要がある。それらの場合、燃料電池の余剰電力をバッテリに充電することになる。このため、酸化還元電位を回避し続けるためには、バッテリの充放電の頻度が多くなる。バッテリの充放電の頻度が多くなると、充放電に伴う電力損失が大きくなり、燃料電池システム全体での出力効率が低下してしまう。なお、本発明者が確認したところでは、酸化還元反応が発生する電位は一定の幅が存在する。以下では、酸化還元反応が発生する電圧範囲を「酸化還元進行電圧範囲」という。   As described above, in the control of Patent Document 1, the output voltage of the fuel cell is maintained below the oxidation-reduction potential, but in order to keep avoiding the oxidation-reduction potential, the electric power required by the load such as the travel motor is required. It is necessary to increase the output power of the fuel cell. In those cases, the surplus power of the fuel cell is charged into the battery. For this reason, in order to continue to avoid the oxidation-reduction potential, the frequency of charging and discharging of the battery increases. When the frequency of charging / discharging of the battery increases, the power loss accompanying charging / discharging increases, and the output efficiency of the entire fuel cell system decreases. Note that the present inventors have confirmed that there is a certain range of potential at which the oxidation-reduction reaction occurs. Hereinafter, the voltage range in which the oxidation-reduction reaction occurs is referred to as “oxidation reduction progress voltage range”.

また、特許文献2の制御では、燃料電池の発電効率が高い領域で発電を行っているが、通常、燃料電池の発電効率が高い領域では燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内に存在してしまい、燃料電池の劣化が進行してしまう。   In the control of Patent Document 2, power generation is performed in a region where the power generation efficiency of the fuel cell is high. Usually, in the region where the power generation efficiency of the fuel cell is high, the output voltage of the fuel cell is within the oxidation-reduction progress voltage range. As a result, the deterioration of the fuel cell proceeds.

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池の劣化を抑制しつつ、燃料電池システム全体での出力効率を向上することが可能な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 consideration of such problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of improving the output efficiency of the entire fuel cell system while suppressing deterioration of the fuel cell. And

この発明に係る燃料電池システムは、触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電する燃料電池と、前記酸素及び前記水素の少なくとも一方を、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整手段と、前記燃料電池の出力電力により駆動される負荷と、前記燃料電池から前記負荷へ供給される前記出力電力の余剰分を蓄電し、不足分を前記負荷へ供給する蓄電装置とを備えるものであって、更に、前記負荷の要求出力を検出すると共に、前記燃料電池、前記ガス供給手段及び前記電圧調整手段を制御する制御手段を有し、前記制御手段は、前記電圧調整手段を制御して前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の特定電圧値に固定させた状態で、前記ガス供給手段を制御して前記燃料電池に供給する前記酸素又は前記水素の濃度を前記負荷の要求出力に追従させるように変動させる電圧固定・出力可変制御を実行するものであり、前記燃料電池の通常発電状態において前記酸化還元進行電圧範囲に対応する前記燃料電池の出力範囲を酸化還元進行出力範囲と定義するとき、前記電圧固定・出力可変制御は、前記負荷の要求出力が前記酸化還元進行出力範囲内である場合に実行され、さらに、前記電圧固定・出力可変制御では、前記燃料電池の出力電圧を前記特定電圧値に固定しつつ前記酸素又は前記水素の濃度を変動させた場合に前記燃料電池システムの出力効率が最高となる前記燃料電池の出力領域である効率最高領域を挟んで定められる前記燃料電池の上限出力値と下限出力値とが設定され、前記負荷の要求出力が前記下限出力値を上回り且つ前記上限出力値を下回る場合、前記特定電圧値への固定及び前記負荷の要求出力への追従を続けて実行し、前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回る又は前記上限出力値を上回る場合、前記特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、前記燃料電池の出力が前記効率最高領域内の値になるように前記ガス供給手段を制御することを特徴とする。   A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that has a catalyst and generates power by reacting oxygen or hydrogen with the catalyst, and a gas supply unit that supplies at least one of the oxygen and the hydrogen to the fuel cell. A voltage adjusting means for adjusting the output voltage of the fuel cell; a load driven by the output power of the fuel cell; and a surplus of the output power supplied from the fuel cell to the load; And a power storage device that supplies the load to the load, and further includes a control unit that detects a required output of the load and controls the fuel cell, the gas supply unit, and the voltage adjustment unit. The control means controls the gas supply means in a state where the output voltage of the fuel cell is fixed to a specific voltage value outside the oxidation-reduction progress voltage range by controlling the voltage adjusting means. A voltage fixing / variable output control for varying the concentration of the oxygen or hydrogen supplied to the fuel cell so as to follow the required output of the load is performed, and the oxidation-reduction is performed in a normal power generation state of the fuel cell. When the output range of the fuel cell corresponding to the progress voltage range is defined as the redox progress output range, the voltage fixing / variable output control is executed when the required output of the load is within the redox progress output range. Further, in the voltage fixing / variable output control, the output efficiency of the fuel cell system is highest when the concentration of the oxygen or the hydrogen is varied while fixing the output voltage of the fuel cell to the specific voltage value. An upper limit output value and a lower limit output value of the fuel cell that are determined across a maximum efficiency region that is an output region of the fuel cell are set, and the required output of the load is set. When the value exceeds the lower limit output value and falls below the upper limit output value, the fixing to the specific voltage value and the follow-up to the required output of the load are continuously performed, and the required output of the load is lower than the lower limit output value. Alternatively, when the output value exceeds the upper limit output value, the gas supply means is controlled so that the output of the fuel cell becomes a value within the maximum efficiency region while continuously fixing to the specific voltage value. And

この発明によれば、電圧固定・出力可変制御により燃料電池の劣化を抑制しつつ、電圧固定・出力可変制御中における燃料電池システム全体の発電効率を向上することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to improve the power generation efficiency of the entire fuel cell system during the voltage fixing / output variable control while suppressing the deterioration of the fuel cell by the voltage fixing / output variable control.

すなわち、電圧固定・出力可変制御では、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の特定電圧値に固定させるため、出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内に入ることによる燃料電池の劣化を避けることができる。   In other words, in the fixed voltage / variable output control, the output voltage of the fuel cell is fixed to a specific voltage value outside the redox progressing voltage range, so that deterioration of the fuel cell due to the output voltage entering the redox progressing voltage range is avoided. be able to.

また、この発明によれば、負荷の要求出力が下限出力値を上回り且つ上限出力値を下回る場合、特定電圧値への固定及び負荷の要求出力への追従を続けて実行し、負荷の要求出力が下限出力値を下回る又は上限出力値を上回る場合、特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、燃料電池の出力が効率最高領域内の値になるようにガス供給手段を制御する。このため、燃料電池の出力効率が過度に悪化する出力領域を下限出力値及び上限出力値により設定しておけば、出力効率が過度に悪化する領域に対応する負荷の要求出力があった場合には、むしろ高い出力効率で燃料電池を発電させ、その余剰分を蓄電装置に蓄電することが可能となる。その結果、燃料電池システム全体としての発電効率を高めることが可能となる。   Further, according to the present invention, when the required output of the load exceeds the lower limit output value and falls below the upper limit output value, the fixed output to the specific voltage value and the follow-up to the required output of the load are continuously performed. Is lower than the lower limit output value or higher than the upper limit output value, the gas supply means is controlled so that the output of the fuel cell becomes a value within the maximum efficiency region while continuing to be fixed to the specific voltage value. For this reason, if the output region where the output efficiency of the fuel cell deteriorates excessively is set by the lower limit output value and the upper limit output value, when there is a requested output of the load corresponding to the region where the output efficiency deteriorates excessively Rather, it is possible to generate power from the fuel cell with high output efficiency and store the surplus in the power storage device. As a result, the power generation efficiency of the entire fuel cell system can be increased.

前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回る又は前記上限出力値を上回る場合、前記蓄電装置の残容量が目標値に近づくように、前記燃料電池の出力を前記ガス供給手段により調整してもよい。これにより、蓄電装置の残容量を良好に制御することが可能となる。   When the required output of the load falls below the lower limit output value or exceeds the upper limit output value, the output of the fuel cell is adjusted by the gas supply means so that the remaining capacity of the power storage device approaches a target value. Good. Thereby, the remaining capacity of the power storage device can be controlled favorably.

前記燃料電池システムは、車両に搭載されるシステムとし、前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回り又は前記上限出力値を上回る場合、回生履歴に基づいて前記燃料電池の出力を前記ガス供給手段により調整してもよい。これにより、蓄電装置の残容量を良好に制御することが可能となる。   The fuel cell system is a system mounted on a vehicle, and when the required output of the load is lower than the lower limit output value or higher than the upper limit output value, the output of the fuel cell is supplied to the gas supply means based on a regeneration history. You may adjust by. Thereby, the remaining capacity of the power storage device can be controlled favorably.

この発明によれば、電圧固定・出力可変制御により燃料電池の劣化を抑制しつつ、電圧固定・出力可変制御中における燃料電池システム全体の発電効率を向上することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to improve the power generation efficiency of the entire fuel cell system during the voltage fixing / output variable control while suppressing the deterioration of the fuel cell by the voltage fixing / output variable control.

すなわち、電圧固定・出力可変制御では、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の特定電圧値に固定させるため、出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内に入ることによる燃料電池の劣化を避けることができる。   In other words, in the fixed voltage / variable output control, the output voltage of the fuel cell is fixed to a specific voltage value outside the redox progressing voltage range, so that deterioration of the fuel cell due to the output voltage entering the redox progressing voltage range is avoided. be able to.

また、この発明によれば、負荷の要求出力が下限出力値を上回り且つ上限出力値を下回る場合、特定電圧値への固定及び負荷の要求出力への追従を続けて実行し、負荷の要求出力が下限出力値を下回る又は上限出力値を上回る場合、特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、燃料電池の出力が効率最高領域内の値になるようにガス供給手段を制御する。このため、燃料電池の出力効率が過度に悪化する出力領域を下限出力値及び上限出力値により設定しておけば、出力効率が過度に悪化する領域に対応する負荷の要求出力があった場合には、むしろ高い出力効率で燃料電池を発電させ、その余剰分を蓄電装置に蓄電することが可能となる。その結果、燃料電池システム全体としての発電効率を高めることが可能となる。   Further, according to the present invention, when the required output of the load exceeds the lower limit output value and falls below the upper limit output value, the fixed output to the specific voltage value and the follow-up to the required output of the load are continuously performed. Is lower than the lower limit output value or higher than the upper limit output value, the gas supply means is controlled so that the output of the fuel cell becomes a value within the maximum efficiency region while continuing to be fixed to the specific voltage value. For this reason, if the output region where the output efficiency of the fuel cell deteriorates excessively is set by the lower limit output value and the upper limit output value, when there is a requested output of the load corresponding to the region where the output efficiency deteriorates excessively Rather, it is possible to generate power from the fuel cell with high output efficiency and store the surplus in the power storage device. As a result, the power generation efficiency of the entire fuel cell system can be increased.

この発明の一実施形態に係る燃料電池システム(FCシステム)を搭載した燃料電池車両の概略全体構成図である。1 is a schematic overall configuration diagram of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system (FC system) according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池車両の電力系のブロック図である。It is a block diagram of the electric power system of the said fuel cell vehicle. 前記実施形態における燃料電池ユニットの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell unit in the said embodiment. 前記実施形態におけるDC/DCコンバータの詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of the DC / DC converter in the said embodiment. 電子制御装置(ECU)における基本的な制御のフローチャートである。It is a flowchart of basic control in an electronic control unit (ECU). システム負荷を計算するフローチャートである。It is a flowchart which calculates a system load. 現在のモータ回転数とモータ予想消費電力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the present motor rotation speed and motor expected power consumption. 燃料電池を構成する燃料電池セルの電位とセルの劣化量との関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the electric potential of the fuel cell which comprises a fuel cell, and the amount of degradation of a cell. 燃料電池セルの電位の変動速度が異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。It is a cyclic voltammetry figure which shows the example of the mode of progress of oxidation and the progress of reduction | restoration when the fluctuation speeds of the electric potential of a fuel cell differ. 前記実施形態における複数の電力供給モードの説明図である。It is explanatory drawing of the several electric power supply mode in the said embodiment. 前記ECUが、前記FCシステムのエネルギマネジメントを行うフローチャートである。4 is a flowchart in which the ECU performs energy management of the FC system. カソードストイキ比とセル電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a cathode stoichiometric ratio and a cell current. 第2モードのフローチャートである。It is a flowchart in the second mode. 第2モードにおける目標FC電流と目標酸素濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the target FC electric current in 2nd mode, and target oxygen concentration. 第2モードにおける目標酸素濃度及び目標FC電流と目標エアポンプ回転数及び目標ウォータポンプ回転数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the target oxygen concentration in the 2nd mode, the target FC electric current, the target air pump rotational speed, and the target water pump rotational speed. 第2モードにおける目標酸素濃度及び目標FC電流と目標背圧弁開度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the target oxygen concentration in 2nd mode, the target FC electric current, and the target back pressure valve opening degree. 第2モードにおける目標FC電流と空気流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the target FC electric current in 2nd mode, and an air flow rate. 第2モードにおける循環弁の開度と循環ガス流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the opening degree of the circulation valve in 2nd mode, and the circulation gas flow rate. 第2モードにおいて目標FC電流を算出するフローチャートである。10 is a flowchart for calculating a target FC current in a second mode. 第1モード及び第2モードそれぞれについてFC出力とFCユニットの出力効率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between FC output and the output efficiency of FC unit about each of 1st mode and 2nd mode. 第1モード及び第2モードそれぞれについてFC出力とFC自体の発電効率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between FC output and the electric power generation efficiency of FC itself about each of 1st mode and 2nd mode. 第2モードでFC出力に用いる下限値及び上限値の設定方法を説明する図である。It is a figure explaining the setting method of the lower limit and upper limit used for FC output in the 2nd mode. バッテリSOCと回生平均補正係数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between battery SOC and a regeneration average correction coefficient. モータのトルク制御のフローチャートである。It is a flowchart of torque control of a motor. 前記実施形態及び比較例に係る各種制御を用いた場合のタイムチャートの例である。It is an example of the time chart at the time of using the various control which concerns on the said embodiment and a comparative example. 前記実施形態に係る燃料電池車両の第1変形例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the 1st modification of the fuel cell vehicle which concerns on the said embodiment. 前記実施形態に係る燃料電池車両の第2変形例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the 2nd modification of the fuel cell vehicle which concerns on the said embodiment. 前記実施形態に係る燃料電池車両の第3変形例の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the 3rd modification of the fuel cell vehicle which concerns on the said embodiment.

1.全体的な構成の説明
[1−1.全体構成]
図1は、この発明の一実施形態に係る燃料電池システム12(以下「FCシステム12」という。)を搭載した燃料電池車両10(以下「FC車両10」又は「車両10」という。)の概略全体構成図である。図2は、FC車両10の電力系のブロック図である。図1及び図2に示すように、FC車両10は、FCシステム12に加え、走行用のモータ14と、インバータ16とを有する。
1. Explanation of overall configuration [1-1. overall structure]
FIG. 1 schematically shows a fuel cell vehicle 10 (hereinafter referred to as “FC vehicle 10” or “vehicle 10”) equipped with a fuel cell system 12 (hereinafter referred to as “FC system 12”) according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 2 is a block diagram of the power system of the FC vehicle 10. As shown in FIGS. 1 and 2, the FC vehicle 10 includes a traveling motor 14 and an inverter 16 in addition to the FC system 12.

FCシステム12は、燃料電池ユニット18(以下「FCユニット18」という。)と、高電圧バッテリ20(以下「バッテリ20」ともいう。)(蓄電装置)と、DC/DCコンバータ22と、電子制御装置24(以下「ECU24」という。)とを有する。   The FC system 12 includes a fuel cell unit 18 (hereinafter referred to as “FC unit 18”), a high voltage battery 20 (hereinafter also referred to as “battery 20”) (power storage device), a DC / DC converter 22, and electronic control. And a device 24 (hereinafter referred to as “ECU 24”).

[1−2.駆動系]
モータ14は、FCユニット18及びバッテリ20から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション26を通じて車輪28を回転させる。また、モータ14は、回生を行うことで生成した電力(回生電力Preg)[W]をバッテリ20等に出力する(図2参照)。
[1-2. Drive system]
The motor 14 generates a driving force based on the electric power supplied from the FC unit 18 and the battery 20, and rotates the wheels 28 through the transmission 26 by the driving force. Further, the motor 14 outputs electric power (regenerative power Preg) [W] generated by performing regeneration to the battery 20 or the like (see FIG. 2).

インバータ16は、3相ブリッジ型の構成とされて、直流/交流変換を行い、直流を3相の交流に変換してモータ14に供給する一方、回生動作に伴う交流/直流変換後の直流をDC/DCコンバータ22を通じてバッテリ20等に供給する。   The inverter 16 is configured as a three-phase bridge type, performs DC / AC conversion, converts DC to three-phase AC and supplies it to the motor 14, and supplies the DC after AC / DC conversion accompanying the regenerative operation. It is supplied to the battery 20 or the like through the DC / DC converter 22.

なお、モータ14とインバータ16を併せて負荷30という。負荷30には、後述するエアポンプ60、ウォータポンプ80、エアコンディショナ90等の構成要素を含めることもできる。   The motor 14 and the inverter 16 are collectively referred to as a load 30. The load 30 can also include components such as an air pump 60, a water pump 80, and an air conditioner 90 described later.

[1−3.FC系]
(1−3−1.全体構成)
図3は、FCユニット18の概略構成図である。FCユニット18は、燃料電池スタック40(以下「FCスタック40」又は「FC40」という。)と、FCスタック40のアノードに対して水素(燃料ガス)を給排するアノード系と、FCスタック40のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス)を給排するカソード系と、FCスタック40を冷却する冷却系と、セル電圧モニタ42とを備える。
[1-3. FC system]
(1-3-1. Overall configuration)
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the FC unit 18. The FC unit 18 includes a fuel cell stack 40 (hereinafter referred to as “FC stack 40” or “FC40”), an anode system that supplies and discharges hydrogen (fuel gas) to and from the anode of the FC stack 40, A cathode system for supplying and discharging air containing oxygen (oxidant gas) to the cathode, a cooling system for cooling the FC stack 40, and a cell voltage monitor 42 are provided.

(1−3−2.FCスタック40)
FCスタック40は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル(以下「FCセル」という。)を積層した構造を有する。
(1-3-2. FC stack 40)
The FC stack 40 has, for example, a structure in which fuel cell cells (hereinafter referred to as “FC cells”) formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane from both sides between an anode electrode and a cathode electrode are stacked.

(1−3−3.アノード系)
アノード系は、水素タンク44、レギュレータ46、エゼクタ48及びパージ弁50を有する。水素タンク44は、燃料ガスとしての水素を収容するものであり、配管44a、レギュレータ46、配管46a、エゼクタ48及び配管48aを介して、アノード流路52の入口に接続されている。これにより、水素タンク44の水素は、配管44a等を介してアノード流路52に供給可能である。なお、配管44aには、遮断弁(図示せず)が設けられており、FCスタック40の発電の際、当該遮断弁は、ECU24により開とされる。
(1-3-3. Anode system)
The anode system includes a hydrogen tank 44, a regulator 46, an ejector 48, and a purge valve 50. The hydrogen tank 44 stores hydrogen as a fuel gas, and is connected to the inlet of the anode flow path 52 through a pipe 44a, a regulator 46, a pipe 46a, an ejector 48, and a pipe 48a. Thereby, the hydrogen in the hydrogen tank 44 can be supplied to the anode flow path 52 via the pipe 44a and the like. Note that a shutoff valve (not shown) is provided in the pipe 44a, and the shutoff valve is opened by the ECU 24 when the FC stack 40 generates power.

レギュレータ46は、導入される水素の圧力を所定値に調整して排出する。すなわち、レギュレータ46は、配管46bを介して入力されるカソード側の空気の圧力(パイロット圧)に応じて、下流側の圧力(アノード側の水素の圧力)を制御する。従って、アノード側の水素の圧力は、カソード側の空気の圧力に連動し、後記するように、酸素濃度を変化させるべくエアポンプ60の回転数等を変化させると、アノード側の水素の圧力も変化する。   The regulator 46 adjusts the pressure of the introduced hydrogen to a predetermined value and discharges it. That is, the regulator 46 controls the downstream pressure (anode hydrogen pressure) in accordance with the cathode pressure (pilot pressure) input via the pipe 46b. Accordingly, the hydrogen pressure on the anode side is linked to the air pressure on the cathode side. As will be described later, when the rotation speed of the air pump 60 is changed to change the oxygen concentration, the hydrogen pressure on the anode side also changes. To do.

エゼクタ48は、水素タンク44からの水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管48bのアノードオフガスを吸引する。   The ejector 48 generates a negative pressure by injecting hydrogen from the hydrogen tank 44 with a nozzle, and sucks the anode off gas of the pipe 48b by this negative pressure.

アノード流路52の出口は、配管48bを介して、エゼクタ48の吸気口に接続されている。そして、アノード流路52から排出されたアノードオフガスは、配管48bを通って、エゼクタ48に再度導入されることでアノードオフガス(水素)が循環する。   The outlet of the anode flow path 52 is connected to the intake port of the ejector 48 through the pipe 48b. Then, the anode off gas discharged from the anode flow path 52 is introduced again into the ejector 48 through the pipe 48b, whereby the anode off gas (hydrogen) circulates.

なお、アノードオフガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素及び水蒸気を含んでいる。また、配管48bには、アノードオフガスに含まれる水分{凝縮水(液体)、水蒸気(気体)}を分離・回収する気液分離器(図示せず)が設けられている。   The anode off gas contains hydrogen and water vapor that were not consumed by the electrode reaction at the anode. The pipe 48b is provided with a gas-liquid separator (not shown) that separates and collects moisture {condensed water (liquid), water vapor (gas)} contained in the anode off gas.

配管48bの一部は、配管50a、パージ弁50及び配管50bを介して、後記する配管64bに設けられた希釈ボックス54に接続されている。パージ弁50は、FCスタック40の発電が安定していないと判定された場合、ECU24からの指令に基づき所定時間、開となる。希釈ボックス54は、パージ弁50からのアノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する。   A part of the pipe 48b is connected to a dilution box 54 provided in a pipe 64b described later via a pipe 50a, a purge valve 50, and a pipe 50b. When it is determined that the power generation of the FC stack 40 is not stable, the purge valve 50 is opened for a predetermined time based on a command from the ECU 24. The dilution box 54 dilutes the hydrogen in the anode off gas from the purge valve 50 with the cathode off gas.

(1−3−4.カソード系)
カソード系は、エアポンプ60、加湿器62、背圧弁64、循環弁66、流量センサ68、70及び温度センサ72を有する。
(1-3-4. Cathode system)
The cathode system includes an air pump 60, a humidifier 62, a back pressure valve 64, a circulation valve 66, flow rate sensors 68 and 70, and a temperature sensor 72.

エアポンプ60は、外気(空気)を圧縮してカソード側に送り込むものであり、その吸気口は、配管60aを介して車外(外部)と連通している。エアポンプ60の吐出口は、配管60b、加湿器62及び配管62aを介して、カソード流路74の入口に接続されている。エアポンプ60がECU24の指令に従って作動すると、エアポンプ60は、配管60aを介して車外の空気を吸気して圧縮し、この圧縮された空気が配管60b等を通ってカソード流路74に圧送される。   The air pump 60 compresses the outside air (air) and sends it to the cathode side, and the intake port thereof communicates with the outside of the vehicle (outside) via a pipe 60a. The discharge port of the air pump 60 is connected to the inlet of the cathode channel 74 through the pipe 60b, the humidifier 62, and the pipe 62a. When the air pump 60 operates in accordance with a command from the ECU 24, the air pump 60 sucks and compresses air outside the vehicle via the pipe 60a, and the compressed air is pumped to the cathode channel 74 through the pipe 60b and the like.

加湿器62は、水分透過性を有する複数の中空糸膜62eを備えている。そして、加湿器62は、中空糸膜62eを介して、カソード流路74に向かう空気とカソード流路74から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路74に向かう空気を加湿する。   The humidifier 62 includes a plurality of hollow fiber membranes 62e having moisture permeability. The humidifier 62 exchanges moisture between the air toward the cathode channel 74 and the humid cathode offgas discharged from the cathode channel 74 via the hollow fiber membrane 62e, and the air toward the cathode channel 74 Humidify.

カソード流路74の出口側には、配管62b、加湿器62、配管64a、背圧弁64及び配管64bが配置されている。カソード流路74から排出されたカソードオフガス(酸化剤オフガス)は、配管62b等を通って、車外に排出される。   On the outlet side of the cathode channel 74, a pipe 62b, a humidifier 62, a pipe 64a, a back pressure valve 64, and a pipe 64b are arranged. The cathode off gas (oxidant off gas) discharged from the cathode channel 74 is discharged outside the vehicle through the pipe 62b and the like.

背圧弁64は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がECU24によって制御されることで、カソード流路74における空気の圧力を制御する。より具体的には、背圧弁64の開度が小さくなると、カソード流路74における空気の圧力が上昇し、体積流量当たりにおける酸素濃度(体積濃度)が高くなる。逆に、背圧弁64の開度が大きくなると、カソード流路74における空気の圧力が下降し、体積流量当たりにおける酸素濃度(体積濃度)が低くなる。   The back pressure valve 64 is configured by, for example, a butterfly valve, and the air pressure in the cathode channel 74 is controlled by controlling the opening degree of the back pressure valve 64 by the ECU 24. More specifically, when the opening degree of the back pressure valve 64 is reduced, the air pressure in the cathode flow path 74 is increased, and the oxygen concentration (volume concentration) per volume flow rate is increased. On the contrary, when the opening degree of the back pressure valve 64 increases, the pressure of the air in the cathode flow path 74 decreases, and the oxygen concentration (volume concentration) per volume flow rate decreases.

配管64bは、配管66a、循環弁66及び配管66bを介して、エアポンプ60の上流側の配管60aに接続されている。これにより、排気ガス(カソードオフガス)の一部が、循環ガスとして、配管66a、循環弁66及び配管66bを通って、配管60aに供給され、車外からの新規空気に合流し、エアポンプ60に吸気される。   The pipe 64b is connected to the pipe 60a on the upstream side of the air pump 60 through the pipe 66a, the circulation valve 66, and the pipe 66b. As a result, a part of the exhaust gas (cathode off-gas) is supplied as circulation gas to the pipe 60a through the pipe 66a, the circulation valve 66, and the pipe 66b, merges with new air from the outside of the vehicle, and is taken into the air pump 60. Is done.

循環弁66は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がECU24によって制御されることで循環ガスの流量を制御する。   The circulation valve 66 is constituted by, for example, a butterfly valve, and the flow rate of the circulation gas is controlled by the opening degree of the circulation valve 66 being controlled by the ECU 24.

流量センサ68は、配管60bに取り付けられ、カソード流路74に向かう空気の流量[g/s]を検出してECU24に出力する。流量センサ70は、配管66bに取り付けられ、配管60aに向かう循環ガスの流量Qc[g/s]を検出してECU24に出力する。   The flow rate sensor 68 is attached to the pipe 60b, detects the flow rate [g / s] of the air flowing toward the cathode flow path 74, and outputs it to the ECU 24. The flow rate sensor 70 is attached to the pipe 66b, detects the flow rate Qc [g / s] of the circulating gas toward the pipe 60a, and outputs it to the ECU 24.

温度センサ72は、配管64aに取り付けられ、カソードオフガスの温度を検出してECU24に出力する。ここで、循環ガスの温度は、カソードオフガスの温度と略等しいため、温度センサ72の検出するカソードオフガスの温度に基づいて、循環ガスの温度を検知することができる。   The temperature sensor 72 is attached to the pipe 64a, detects the temperature of the cathode off gas, and outputs it to the ECU 24. Here, since the temperature of the circulating gas is substantially equal to the temperature of the cathode off gas, the temperature of the circulating gas can be detected based on the temperature of the cathode off gas detected by the temperature sensor 72.

(1−3−5.冷却系)
冷却系は、ウォータポンプ80及び図示しないラジエータ、ラジエータファン等を有する。ウォータポンプ80は、FC40内に冷却水(冷媒)を循環させることでFC40を冷却する。FC40を冷却して温度が上昇した冷却水は、前記ラジエータファンによる送風を受ける前記ラジエータで放熱される。
(1-3-5. Cooling system)
The cooling system includes a water pump 80, a radiator (not shown), a radiator fan, and the like. The water pump 80 cools the FC 40 by circulating cooling water (refrigerant) in the FC 40. The cooling water whose temperature has risen by cooling the FC 40 is radiated by the radiator that receives the air blown by the radiator fan.

(1−3−6.セル電圧モニタ42)
セル電圧モニタ42は、FCスタック40を構成する複数の単セル毎のセル電圧Vcellを検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備える。モニタ本体は、所定周期で全ての単セルをスキャニングし、各単セルのセル電圧Vcellを検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出する。そして、平均セル電圧及び最低セル電圧をECU24に出力する。
(1-3-6. Cell voltage monitor 42)
The cell voltage monitor 42 is a device that detects a cell voltage Vcell for each of a plurality of single cells constituting the FC stack 40, and includes a monitor main body and a wire harness that connects the monitor main body and each single cell. The monitor main body scans all the single cells at a predetermined period, detects the cell voltage Vcell of each single cell, and calculates the average cell voltage and the lowest cell voltage. Then, the average cell voltage and the lowest cell voltage are output to the ECU 24.

(1−3−7.電力系)
図2に示すように、FC40からの電力(以下「FC電力Pfc」又は「FC出力Pfc」という。)は、インバータ16及びモータ14(力行時)とDC/DCコンバータ22及び高電圧バッテリ20(充電時)とに加え、前記エアポンプ60、前記ウォータポンプ80、前記エアコンディショナ90、ダウンバータ92(降圧型DC/DCコンバータ)、低電圧バッテリ94、アクセサリ96及びECU24に供給される。なお、図1に示すように、FCユニット18(FC40)とインバータ16及びDC/DCコンバータ22との間には、逆流防止ダイオード98が配置されている。また、FC40の発電電圧(以下「FC電圧Vfc」という。)は、電圧センサ100(図4)により検出され、FC40の発電電流(以下「FC電流Ifc」という。)は、電流センサ102により検出され、いずれもECU24に出力される。
(1-3-7. Power system)
As shown in FIG. 2, the power from the FC 40 (hereinafter referred to as “FC power Pfc” or “FC output Pfc”) includes the inverter 16 and the motor 14 (during power running), the DC / DC converter 22, and the high-voltage battery 20 ( In addition to the air pump 60, the water pump 80, the air conditioner 90, the downverter 92 (step-down DC / DC converter), the low voltage battery 94, the accessory 96, and the ECU 24. As shown in FIG. 1, a backflow prevention diode 98 is disposed between the FC unit 18 (FC 40), the inverter 16, and the DC / DC converter 22. Further, the power generation voltage of FC 40 (hereinafter referred to as “FC voltage Vfc”) is detected by voltage sensor 100 (FIG. 4), and the power generation current of FC 40 (hereinafter referred to as “FC current Ifc”) is detected by current sensor 102. Both are output to the ECU 24.

[1−4.高電圧バッテリ20]
バッテリ20は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置(エネルギストレージ)であり、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素二次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。バッテリ20の出力電圧(以下「バッテリ電圧Vbat」という。)[V]は、電圧センサ104(図2)により検出され、バッテリ20の出力電流(以下「バッテリ電流Ibat」という。)[A]は、電流センサ106により検出され、それぞれECU24に出力される。ECU24は、バッテリ電圧Vbatとバッテリ電流Ibatとに基づいて、バッテリ20の残容量(以下「SOC」という。)[%]を算出する。
[1-4. High voltage battery 20]
The battery 20 is a power storage device (energy storage) including a plurality of battery cells. For example, a lithium ion secondary battery, a nickel hydride secondary battery, or a capacitor can be used. In this embodiment, a lithium ion secondary battery is used. The output voltage of the battery 20 (hereinafter referred to as “battery voltage Vbat”) [V] is detected by the voltage sensor 104 (FIG. 2), and the output current of the battery 20 (hereinafter referred to as “battery current Ibat”) [A] is obtained. Are detected by the current sensor 106 and output to the ECU 24, respectively. The ECU 24 calculates the remaining capacity (hereinafter referred to as “SOC”) [%] of the battery 20 based on the battery voltage Vbat and the battery current Ibat.

[1−5.DC/DCコンバータ22]
DC/DCコンバータ22は、FCユニット18からのFC電力Pfcと、バッテリ20から供給された電力(以下「バッテリ電力Pbat」という。)[W]と、モータ14からの回生電力Pregとの供給先を制御する。
[1-5. DC / DC converter 22]
The DC / DC converter 22 supplies FC power Pfc from the FC unit 18, power supplied from the battery 20 (hereinafter referred to as “battery power Pbat”) [W], and regenerative power Preg from the motor 14. To control.

図4には、本実施形態におけるDC/DCコンバータ22の詳細が示されている。図4に示すように、DC/DCコンバータ22は、一方がバッテリ20のある1次側1Sに接続され、他方が負荷30とFC40との接続点である2次側2Sに接続されている。   FIG. 4 shows details of the DC / DC converter 22 in the present embodiment. As shown in FIG. 4, one of the DC / DC converters 22 is connected to the primary side 1 </ b> S where the battery 20 is located, and the other is connected to the secondary side 2 </ b> S which is a connection point between the load 30 and the FC 40.

DC/DCコンバータ22は、1次側1Sの電圧(1次電圧V1)[V]を2次側2Sの電圧(2次電圧V2)[V](V1≦V2)に昇圧すると共に、2次電圧V2を1次電圧V1に降圧する昇降圧型且つチョッパ型の電圧変換装置である。   The DC / DC converter 22 boosts the voltage on the primary side 1S (primary voltage V1) [V] to the voltage (secondary voltage V2) [V] (V1 ≦ V2) on the secondary side 2S and secondary voltage This is a step-up / step-down and chopper-type voltage converter that steps down the voltage V2 to the primary voltage V1.

図4に示すように、DC/DCコンバータ22は、1次側1Sと2次側2Sとの間に配される相アームUAと、リアクトル110とから構成される。   As shown in FIG. 4, the DC / DC converter 22 includes a phase arm UA disposed between the primary side 1S and the secondary side 2S, and a reactor 110.

相アームUAは、上アーム素子(上アームスイッチング素子112と逆並列ダイオード114)と下アーム素子(下アームスイッチング素子116と逆並列ダイオード118)とで構成される。上アームスイッチング素子112と下アームスイッチング素子116には、それぞれ例えば、MOSFET又はIGBT等が採用される。   The phase arm UA includes an upper arm element (upper arm switching element 112 and antiparallel diode 114) and a lower arm element (lower arm switching element 116 and antiparallel diode 118). As the upper arm switching element 112 and the lower arm switching element 116, for example, a MOSFET or an IGBT is employed.

リアクトル110は、相アームUAの中点(共通接続点)とバッテリ20の正極との間に挿入され、DC/DCコンバータ22により1次電圧V1と2次電圧V2との間で電圧を変換する際に、エネルギーを蓄積及び放出する作用を有する。   Reactor 110 is inserted between the middle point (common connection point) of phase arm UA and the positive electrode of battery 20, and converts voltage between primary voltage V <b> 1 and secondary voltage V <b> 2 by DC / DC converter 22. In particular, it has the function of storing and releasing energy.

上アームスイッチング素子112は、ECU24から出力されるゲート駆動信号(駆動電圧)UHのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子116は、ゲートの駆動信号(駆動電圧)ULのハイレベルによりオンにされる。   The upper arm switching element 112 is turned on by the high level of the gate drive signal (drive voltage) UH output from the ECU 24, and the lower arm switching element 116 is turned on by the high level of the gate drive signal (drive voltage) UL. Is done.

なお、ECU24は、1次側の平滑コンデンサ122に並列に設けられた電圧センサ120により1次電圧V1を検出し、電流センサ124により1次側の電流(1次電流I1)[A]を検出する。また、ECU24は、2次側の平滑コンデンサ128に並列に設けられた電圧センサ126により2次電圧V2を検出し、電流センサ130により2次側の電流(2次電流I2)[A]を検出する。   The ECU 24 detects the primary voltage V1 with the voltage sensor 120 provided in parallel with the primary-side smoothing capacitor 122, and detects the primary-side current (primary current I1) [A] with the current sensor 124. To do. Further, the ECU 24 detects the secondary voltage V2 by the voltage sensor 126 provided in parallel with the secondary-side smoothing capacitor 128, and detects the secondary-side current (secondary current I2) [A] by the current sensor 130. To do.

[1−6.ECU24]
ECU24は、通信線140(図1等)を介して、モータ14、インバータ16、FCユニット18、バッテリ20及びDC/DCコンバータ22を制御する。当該制御に際しては、メモリ(ROM)に格納されたプログラムを実行し、また、セル電圧モニタ42、流量センサ68、70、温度センサ72、電圧センサ100、104、120、126、電流センサ102、106、124、130等の各種センサの検出値を用いる。
[1-6. ECU 24]
The ECU 24 controls the motor 14, the inverter 16, the FC unit 18, the battery 20, and the DC / DC converter 22 via the communication line 140 (FIG. 1 and the like). In the control, a program stored in a memory (ROM) is executed, and the cell voltage monitor 42, the flow rate sensors 68 and 70, the temperature sensor 72, the voltage sensors 100, 104, 120, and 126, and the current sensors 102 and 106 are executed. , 124, 130 and the like are used.

ここでの各種センサには、上記センサに加え、開度センサ150及びモータ回転数センサ152(以下「回転数センサ152」という。)(図1)が含まれる。開度センサ150は、アクセルペダル154の開度θp[度]を検出する。回転数センサ152は、モータ14の回転数(以下「モータ回転数Nm」又は「回転数Nm」という。)[rpm]を検出する。ECU24は、回転数Nmを用いてFC車両10の車速V[km/h]を検出する。さらに、ECU24には、メインスイッチ156(以下「メインSW156」という。)が接続される。メインSW156は、FCユニット18及びバッテリ20からモータ14への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能である。   The various sensors here include an opening degree sensor 150 and a motor rotation speed sensor 152 (hereinafter referred to as “rotation speed sensor 152”) (FIG. 1) in addition to the above sensors. The opening sensor 150 detects the opening θp [degree] of the accelerator pedal 154. The rotational speed sensor 152 detects the rotational speed of the motor 14 (hereinafter referred to as “motor rotational speed Nm” or “rotational speed Nm”) [rpm]. The ECU 24 detects the vehicle speed V [km / h] of the FC vehicle 10 using the rotational speed Nm. Further, a main switch 156 (hereinafter referred to as “main SW 156”) is connected to the ECU 24. The main SW 156 switches whether or not power can be supplied from the FC unit 18 and the battery 20 to the motor 14, and can be operated by the user.

ECU24は、マイクロコンピュータを含み、必要に応じて、タイマ、A/D変換器、D/A変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、ECU24は、1つのECUのみからなるのではなく、モータ14、FCユニット18、バッテリ20及びDC/DCコンバータ22毎の複数のECUから構成することもできる。   The ECU 24 includes a microcomputer and has an input / output interface such as a timer, an A / D converter, and a D / A converter as necessary. Note that the ECU 24 is not limited to only one ECU, but can be composed of a plurality of ECUs for each of the motor 14, the FC unit 18, the battery 20, and the DC / DC converter 22.

ECU24は、FCスタック40の状態、バッテリ20の状態及びモータ14の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力(負荷要求)に基づき決定したFC車両10全体としてFCシステム12に要求される負荷から、FCスタック40が負担すべき負荷と、バッテリ20が負担すべき負荷と、回生電源(モータ14)が負担すべき負荷の配分(分担)を調停しながら決定し、モータ14、インバータ16、FCユニット18、バッテリ20及びDC/DCコンバータ22に指令を送出する。   The ECU 24 determines the load required for the FC system 12 as a whole of the FC vehicle 10 determined based on the input (load request) from various switches and various sensors in addition to the state of the FC stack 40, the state of the battery 20, and the state of the motor 14. Thus, the load to be borne by the FC stack 40, the load to be borne by the battery 20, and the distribution (sharing) of the load to be borne by the regenerative power source (motor 14) are determined while arbitrating, and the motor 14, inverter 16, Commands are sent to the FC unit 18, the battery 20 and the DC / DC converter 22.

2.本実施形態の制御
次に、ECU24における制御について説明する。
2. Control of this Embodiment Next, the control in ECU24 is demonstrated.

[2−1.基本制御]
図5には、ECU24における基本的な制御のフローチャートが示されている。ステップS1において、ECU24は、メインSW156がオンであるかどうかを判定する。メインSW156がオンでない場合(S1:NO)、ステップS1を繰り返す。メインSW156がオンである場合(S1:YES)、ステップS2に進む。ステップS2において、ECU24は、FCシステム12に要求される負荷(システム負荷Psys)[W]を計算する。
[2-1. Basic control]
FIG. 5 shows a flowchart of basic control in the ECU 24. In step S1, the ECU 24 determines whether the main SW 156 is on. If the main SW 156 is not on (S1: NO), step S1 is repeated. If the main SW 156 is on (S1: YES), the process proceeds to step S2. In step S2, the ECU 24 calculates a load (system load Psys) [W] required for the FC system 12.

ステップS3において、ECU24は、FCシステム12のエネルギマネジメントを行う。ここにいうエネルギマネジメントは、主として、FC40の発電量(FC電力Pfc)及びバッテリ20の出力(バッテリ電力Pbat)を算出する処理であり、FCスタック40の劣化を抑制しつつ、FCシステム12全体の出力を効率化することを企図している。   In step S3, the ECU 24 performs energy management of the FC system 12. The energy management here is mainly a process of calculating the power generation amount of the FC 40 (FC power Pfc) and the output of the battery 20 (battery power Pbat), while suppressing the deterioration of the FC stack 40 and the entire FC system 12. It is intended to make the output more efficient.

ステップS4において、ECU24は、FCスタック40の周辺機器、すなわち、エアポンプ60、背圧弁64、循環弁66及びウォータポンプ80の制御(FC発電制御)を行う。ステップS5において、ECU24は、モータ14のトルク制御を行う。   In step S4, the ECU 24 controls peripheral devices of the FC stack 40, that is, the air pump 60, the back pressure valve 64, the circulation valve 66, and the water pump 80 (FC power generation control). In step S <b> 5, the ECU 24 performs torque control of the motor 14.

ステップS6において、ECU24は、メインSW156がオフであるかどうかを判定する。メインSW156がオフでない場合(S6:NO)、ステップS2に戻る。メインSW156がオフである場合(S6:YES)、今回の処理を終了する。   In step S6, the ECU 24 determines whether the main SW 156 is off. If the main SW 156 is not off (S6: NO), the process returns to step S2. If the main SW 156 is off (S6: YES), the current process is terminated.

[2−2.システム負荷Psysの計算]
図6には、システム負荷Psysを計算するフローチャートが示されている。ステップS11において、ECU24は、開度センサ150からアクセルペダル154の開度θpを読み込む。ステップS12において、ECU24は、回転数センサ152からモータ14の回転数Nmを読み込む。
[2-2. Calculation of system load Psys]
FIG. 6 shows a flowchart for calculating the system load Psys. In step S <b> 11, the ECU 24 reads the opening degree θp of the accelerator pedal 154 from the opening degree sensor 150. In step S <b> 12, the ECU 24 reads the rotational speed Nm of the motor 14 from the rotational speed sensor 152.

ステップS13において、ECU24は、開度θpと回転数Nmに基づいてモータ14の予想消費電力Pm[W]を算出する。具体的には、図7に示すマップにおいて、開度θp毎に回転数Nmと予想消費電力Pmの関係を記憶しておく。例えば、開度θpがθp1であるとき、特性160を用いる。同様に、開度θpがθp2、θp3、θp4、θp5、θp6であるとき、それぞれ特性162、164、166、168、170を用いる。そして、開度θpに基づいて回転数Nmと予想消費電力Pmとの関係を示す特性を特定した上で、回転数Nmに応じた予想消費電力Pmを特定する。   In step S13, the ECU 24 calculates the expected power consumption Pm [W] of the motor 14 based on the opening degree θp and the rotational speed Nm. Specifically, in the map shown in FIG. 7, the relationship between the rotational speed Nm and the predicted power consumption Pm is stored for each opening θp. For example, the characteristic 160 is used when the opening degree θp is θp1. Similarly, when the opening degree θp is θp2, θp3, θp4, θp5, and θp6, the characteristics 162, 164, 166, 168, and 170 are used, respectively. And after specifying the characteristic which shows the relationship between the rotation speed Nm and estimated power consumption Pm based on opening degree (theta) p, the expected power consumption Pm according to rotation speed Nm is specified.

ステップS14において、ECU24は、各補機から現在の動作状況を読み込む。ここでの補機には、例えば、エアポンプ60、ウォータポンプ80及びエアコンディショナ90を含む高電圧系の補機や、低電圧バッテリ94、アクセサリ96及びECU24を含む低電圧系の補機が含まれる。例えば、エアポンプ60及びウォータポンプ80であれば、回転数Nap、Nwp[rpm]を読み込む。エアコンディショナ90であれば、その出力設定を読み込む。   In step S14, the ECU 24 reads the current operation status from each auxiliary machine. The auxiliary machine here includes, for example, a high-voltage auxiliary machine including the air pump 60, the water pump 80 and the air conditioner 90, and a low-voltage auxiliary machine including the low-voltage battery 94, the accessory 96 and the ECU 24. It is. For example, in the case of the air pump 60 and the water pump 80, the rotation speed Nap and Nwp [rpm] are read. If it is the air conditioner 90, the output setting is read.

ステップS15において、ECU24は、各補機の現在の動作状況に応じて補機の消費電力Pa[W]を算出する。ステップS16において、ECU24は、モータ14の予想消費電力Pmと補機の消費電力Paの和をFC車両10全体での予想消費電力(すなわち、システム負荷Psys)として算出する。   In step S15, the ECU 24 calculates the power consumption Pa [W] of the auxiliary machine according to the current operation status of each auxiliary machine. In step S16, the ECU 24 calculates the sum of the predicted power consumption Pm of the motor 14 and the power consumption Pa of the auxiliary machine as the predicted power consumption of the FC vehicle 10 as a whole (that is, the system load Psys).

[2−3.エネルギマネジメント]
上記のように、本実施形態におけるエネルギマネジメントでは、FCスタック40の劣化を抑制しつつ、FCシステム12全体の出力を効率化することを企図している。
[2-3. Energy management]
As described above, the energy management in the present embodiment intends to improve the efficiency of the output of the entire FC system 12 while suppressing the deterioration of the FC stack 40.

(2−3−1.前提事項)
図8は、FCスタック40を構成するFCセルの電位(セル電圧Vcell)[V]とセルの劣化量Dとの関係の一例を示している。すなわち、図8中の曲線180は、セル電圧Vcellと劣化量Dとの関係を示す。
(2-3-1. Assumptions)
FIG. 8 shows an example of the relationship between the potential (cell voltage Vcell) [V] of the FC cells constituting the FC stack 40 and the amount of cell degradation D. That is, the curve 180 in FIG. 8 shows the relationship between the cell voltage Vcell and the deterioration amount D.

図8において、電位v1(例えば、0.5V)を下回る領域(以下「白金凝集増加領域R1」又は「凝集増加領域R1」という。)では、FCセルに含まれる白金(酸化白金)について還元反応が激しく進行し、白金が過度に凝集する。電位v1から電位v2(例えば、0.8V)までは、還元反応が安定的に進行する領域(以下「白金還元領域R2」又は「還元領域R2」という。)である。   In FIG. 8, in a region below potential v1 (for example, 0.5 V) (hereinafter referred to as “platinum aggregation increasing region R1” or “aggregation increasing region R1”), a reduction reaction is performed on platinum (platinum oxide) contained in the FC cell. Proceeds violently and platinum aggregates excessively. The potential v1 to the potential v2 (for example, 0.8 V) is a region where the reduction reaction proceeds stably (hereinafter referred to as “platinum reduction region R2” or “reduction region R2”).

電位v2から電位v3(例えば、0.9V)までは、白金について酸化還元反応が進行する領域(以下「白金酸化還元進行領域R3」又は「酸化還元領域R3」という。)である。電位v3から電位v4(例えば、0.95V)までは、白金について酸化反応が安定的に進行する領域(以下「白金酸化安定領域R4」又は「酸化領域R4」という。)である。電位v4からOCV(開回路電圧)までは、セルに含まれるカーボンの酸化が進行する領域(以下「カーボン酸化領域R5」という。)である。   The potential v2 to the potential v3 (for example, 0.9 V) is a region where the redox reaction proceeds with respect to platinum (hereinafter referred to as “platinum redox progress region R3” or “redox region R3”). The potential v3 to the potential v4 (for example, 0.95 V) is a region where the oxidation reaction of platinum proceeds stably (hereinafter referred to as “platinum oxidation stable region R4” or “oxidation region R4”). The potential v4 to OCV (open circuit voltage) is a region where the oxidation of carbon contained in the cell proceeds (hereinafter referred to as “carbon oxidation region R5”).

上記のように、図8では、セル電圧Vcellが白金還元領域R2又は白金酸化安定領域R4にあれば、隣り合う領域と比較してFCセルの劣化の進行度合が小さい。一方、セル電圧Vcellが白金凝集増加領域R1、白金酸化還元進行領域R3、又はカーボン酸化領域R5にあれば、隣り合う領域と比較してFCセルの劣化の進行度合が大きい。   As described above, in FIG. 8, if the cell voltage Vcell is in the platinum reduction region R2 or the platinum oxidation stable region R4, the progress of deterioration of the FC cell is small compared to the adjacent regions. On the other hand, when the cell voltage Vcell is in the platinum aggregation increasing region R1, the platinum oxidation-reduction progress region R3, or the carbon oxidation region R5, the progress of deterioration of the FC cell is larger than that of the adjacent region.

なお、図8では、曲線180を一義的に定まるような表記としているが、実際は、単位時間当たりにおけるセル電圧Vcellの変動量(変動速度Acell)[V/sec]に応じて曲線180は変化する。   In FIG. 8, the curve 180 is uniquely defined, but in actuality, the curve 180 changes according to the amount of fluctuation (fluctuation speed Acell) [V / sec] of the cell voltage Vcell per unit time. .

図9には、変動速度Acellが異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。図9において、曲線190は、変動速度Acellが高い場合を示し、曲線192は、変動速度Acellが低い場合を示す。図9からわかるように、変動速度Acellに応じて酸化又は還元の進行度合が異なるため、必ずしも各電位v1〜v4は一義的に特定されない。また、FCセルの個体差によっても各電位v1〜v4は変化し得る。このため、電位v1〜v4は、理論値、シミュレーション値又は実測値に誤差分を反映させたものとして設定することが好ましい。   FIG. 9 is a cyclic voltammetry diagram showing an example of the progress of oxidation and the progress of reduction when the fluctuation rates Acell are different. In FIG. 9, a curve 190 indicates a case where the fluctuation speed Acell is high, and a curve 192 indicates a case where the fluctuation speed Acell is low. As can be seen from FIG. 9, since the degree of progress of oxidation or reduction differs depending on the fluctuation speed Acell, the potentials v1 to v4 are not necessarily uniquely specified. In addition, the potentials v1 to v4 can change depending on individual differences of FC cells. For this reason, it is preferable to set the potentials v1 to v4 as those in which an error is reflected in the theoretical value, the simulation value, or the actual measurement value.

また、FCセルの電流−電圧(IV)特性は、一般的な燃料電池セルと同様、セル電圧Vcellが下がるほど、セル電流Icell[A]が増加する(図10参照)。加えて、FCスタック40の発電電圧(FC電圧Vfc)は、セル電圧VcellにFCスタック40内の直列接続数Nfcを乗算したものである。直列接続数Nfcは、FCスタック40内で直列に接続されるFCセルの数であり、以下、単に「セル数」ともいう。   Further, in the current-voltage (IV) characteristics of the FC cell, the cell current Icell [A] increases as the cell voltage Vcell decreases (see FIG. 10), as in a general fuel cell. In addition, the power generation voltage (FC voltage Vfc) of the FC stack 40 is obtained by multiplying the cell voltage Vcell by the number Nfc of serial connections in the FC stack 40. The serial connection number Nfc is the number of FC cells connected in series in the FC stack 40, and is also simply referred to as “cell number” hereinafter.

以上を踏まえ、本実施形態では、DC/DCコンバータ22が、電圧変換動作を行っている際、FCスタック40の目標電圧(目標FC電圧Vfctgt)[V]を、主として、白金還元領域R2内に設定しつつ、必要に応じて白金酸化安定領域R4内に設定する(具体例は、図10等を用いて説明する。)。このような目標FC電圧Vfctgtの切替えを行うことにより、FC電圧Vfcが、領域R1、R3、R5(特に、白金酸化還元進行領域R3)内にある時間を極力短縮し、FCスタック40の劣化を防止することができる。   Based on the above, in the present embodiment, when the DC / DC converter 22 is performing the voltage conversion operation, the target voltage (target FC voltage Vfctgt) [V] of the FC stack 40 is mainly set in the platinum reduction region R2. While setting, it is set in the platinum oxidation stable region R4 as necessary (a specific example will be described with reference to FIG. 10 and the like). By switching the target FC voltage Vfctgt in this way, the time during which the FC voltage Vfc is within the regions R1, R3, R5 (particularly, the platinum oxidation-reduction progress region R3) is shortened as much as possible, and the FC stack 40 is deteriorated. Can be prevented.

なお、上記の処理では、FCスタック40の供給電力(FC電力Pfc)と、システム負荷Psysが等しくならない場合が存在する。この点、FC電力Pfcがシステム負荷Psysを下回っている場合、その不足分は、バッテリ20から供給する。また、FC電力Pfcがシステム負荷Psysを上回っている場合、その余剰分は、バッテリ20に充電する。   In the above processing, there is a case where the power supplied to the FC stack 40 (FC power Pfc) and the system load Psys are not equal. In this regard, when the FC power Pfc is below the system load Psys, the shortage is supplied from the battery 20. Further, when the FC power Pfc exceeds the system load Psys, the excess is charged in the battery 20.

なお、図8では、電位v1〜v4を具体的な数値として特定したが、これは、後述する制御を行うためであり、当該数値は、あくまで制御の便宜を考慮して決定するものである。換言すると、曲線180からもわかるように、劣化量Dは連続的に変化するため、制御の仕様に応じて、電位v1〜v4は、適宜設定することができる。   In FIG. 8, the potentials v1 to v4 are specified as specific numerical values, but this is for performing the control described later, and the numerical values are determined taking into account the convenience of control. In other words, as can be seen from the curve 180, the deterioration amount D changes continuously, so that the potentials v1 to v4 can be appropriately set according to the control specifications.

但し、白金還元領域R2は、曲線180の極小値(第1極小値Vlmi1)を含む。白金酸化還元進行領域R3では、曲線180の極大値(極大値Vlmx)を含む。白金酸化安定領域R4は、曲線180の別の極小値(第2極小値Vlmi2)を含む。   However, the platinum reduction region R2 includes the minimum value of the curve 180 (first minimum value Vlmi1). The platinum redox progression region R3 includes the maximum value (maximum value Vlmx) of the curve 180. The platinum oxidation stable region R4 includes another minimum value (second minimum value Vlmi2) of the curve 180.

(2−3−2.エネルギマネジメントで用いる電力供給制御及び電力供給モード)
図10は、本実施形態における複数の電力供給モードの説明図である。本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる電力供給の制御方法(電力供給モード)として、3つの制御方法(電力供給モード)を用いる。すなわち、本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる電力供給モード(動作モード)として、第1〜第3モードを切り替えて用いる。第1モードは、目標FC電圧Vfctgt及びFC電流Ifc(FC出力Pfc)がいずれも可変である電圧可変・電流可変制御(電圧可変・出力可変制御)である。第2モードは、目標FC電圧Vfctgtが一定でありFC電流Ifc(FC電力Pfc)が可変である電圧固定・電流可変制御(電圧固定・出力可変制御)である。第3モードは、目標FC電圧Vfctgtが一定でありFC電流Ifc(FC出力Pfc)が一定である電圧固定・電流固定制御(電圧固定・出力固定制御)である。
(2-3-2. Power supply control and power supply mode used in energy management)
FIG. 10 is an explanatory diagram of a plurality of power supply modes in the present embodiment. In the present embodiment, three control methods (power supply modes) are used as power supply control methods (power supply modes) used in energy management. That is, in this embodiment, the first to third modes are switched and used as the power supply mode (operation mode) used in energy management. The first mode is voltage variable / current variable control (voltage variable / output variable control) in which both the target FC voltage Vfctgt and the FC current Ifc (FC output Pfc) are variable. The second mode is voltage fixed / current variable control (voltage fixed / output variable control) in which the target FC voltage Vfctgt is constant and the FC current Ifc (FC power Pfc) is variable. The third mode is voltage fixing / current fixing control (voltage fixing / output fixing control) in which the target FC voltage Vfctgt is constant and the FC current Ifc (FC output Pfc) is constant.

第1モード(電圧可変・電流可変制御)は、主として、システム負荷Psysが相対的に高いときに用いられるものであり、目標酸素濃度Cotgtを固定(或いは、酸素を豊潤な状態に維持)した状態で、目標FC電圧Vfctgtを調整することによりFC電流Ifcを制御する。これにより、基本的に、FC電力Pfcによりシステム負荷Psysをまかなうことが可能となる。   The first mode (variable voltage / current variable control) is mainly used when the system load Psys is relatively high, and the target oxygen concentration Cotgt is fixed (or oxygen is maintained in a rich state). Thus, the FC current Ifc is controlled by adjusting the target FC voltage Vfctgt. Thus, basically, the system load Psys can be covered by the FC power Pfc.

第2モード(電圧固定・電流可変制御)は、主として、システム負荷Psysが相対的に中くらいのときに用いられるものであり、目標セル電圧Vcelltgt(=目標FC電圧Vfctgt/セル数)を、酸化還元領域R3よりも低い電位以下で設定された基準電位{本実施形態では、電位v2(=0.8V)}に固定すると共に、目標酸素濃度Cotgtを基本的に可変とすることにより、FC電流Ifcを可変とする(但し、一部例外がある。)。これにより、基本的に、FC電力Pfcによりシステム負荷Psysをまかなうことが可能となる(詳細は後述する。)。FC電力Pfcの不足分は、バッテリ20からアシストする。   The second mode (voltage fixed / current variable control) is mainly used when the system load Psys is relatively medium, and the target cell voltage Vcelltgt (= target FC voltage Vfctgt / number of cells) is oxidized. By fixing the reference potential {potential v2 (= 0.8 V) in this embodiment} set below a potential lower than the reduction region R3 and making the target oxygen concentration Cotgt basically variable, the FC current Ifc is variable (with some exceptions). Thus, basically, the system load Psys can be covered by the FC power Pfc (details will be described later). The shortage of the FC power Pfc is assisted from the battery 20.

第3モード(電圧固定・電流固定制御)は、主として、システム負荷Psysが相対的に低いときに用いられるものであり、目標セル電圧Vcelltgt(=目標FC電圧Vfctgt/セル数)を、酸化還元領域R3外の電位{本実施形態では、電位v3(=0.9V)}に固定し、FC電流Ifcを一定とする。FC電力Pfcの不足分は、バッテリ20からアシストし、FC電力Pfcの余剰分は、バッテリ20に充電する。   The third mode (voltage fixing / current fixing control) is mainly used when the system load Psys is relatively low, and the target cell voltage Vcelltgt (= target FC voltage Vfctgt / number of cells) is changed to the redox region. The potential outside R3 {in this embodiment, the potential v3 (= 0.9 V)} is fixed, and the FC current Ifc is constant. The shortage of the FC power Pfc is assisted from the battery 20, and the surplus of the FC power Pfc is charged to the battery 20.

(2−3−3.エネルギマネジメントの全体フロー)
図11には、ECU24が、FCシステム12のエネルギマネジメント(図5のS3)を行うフローチャートが示されている。ステップS21において、ECU24は、車両10が高負荷状態であるか否かを判定する。具体的には、ECU24は、ステップS2で計算したシステム負荷Psysが、高負荷を判定するための閾値P2以上であるか否かを判定する。ここにいう高負荷とは、例えば、酸素が豊潤な状態とし且つセル電圧Vcellを還元領域R2内の値にして(FC電圧Vfcを還元領域R2内の値×セル数にして)FC40を発電させた際に得られるFC電力Pfcが、システム負荷Psysと釣り合うような場合を意味する。
(2-3-3. Overall flow of energy management)
FIG. 11 shows a flowchart in which the ECU 24 performs energy management of the FC system 12 (S3 in FIG. 5). In step S21, the ECU 24 determines whether or not the vehicle 10 is in a high load state. Specifically, the ECU 24 determines whether or not the system load Psys calculated in step S2 is greater than or equal to a threshold value P2 for determining a high load. The high load referred to here is, for example, a state in which oxygen is abundant and the cell voltage Vcell is set to a value in the reduction region R2 (the FC voltage Vfc is set to the value in the reduction region R2 × the number of cells) to generate FC40. This means that the FC power Pfc obtained at this time is balanced with the system load Psys.

システム負荷Psysが閾値P2以上である場合、車両10が高負荷状態であり、システム負荷Psysが閾値P2以上でない場合、車両10は高負荷状態ではない。なお、高負荷状態の判定は、その他の方法によって行ってもよい。例えば、車速Vが、高負荷を判定するための閾値THVh以下であるか否かにより高負荷状態を判定することもできる。或いは、車両10の加速度(車速Vの変化量)が、高負荷を判定するための閾値以下であるか否かにより高負荷状態を判定してもよい。   When the system load Psys is greater than or equal to the threshold P2, the vehicle 10 is in a high load state, and when the system load Psys is not greater than or equal to the threshold P2, the vehicle 10 is not in a high load state. The determination of the high load state may be performed by other methods. For example, it is possible to determine the high load state based on whether or not the vehicle speed V is equal to or lower than a threshold value THVh for determining a high load. Alternatively, the high load state may be determined based on whether or not the acceleration of the vehicle 10 (the amount of change in the vehicle speed V) is equal to or less than a threshold for determining a high load.

車両10が高負荷状態である場合(S21:YES)、ステップS22において、ECU24は、第1モード(電圧可変・電流可変制御)を行う(詳細は後述する)。車両10が高負荷状態でない場合(S21:NO)、ステップS23に進む。   When the vehicle 10 is in a high load state (S21: YES), in step S22, the ECU 24 performs the first mode (voltage variable / current variable control) (details will be described later). When the vehicle 10 is not in a high load state (S21: NO), the process proceeds to step S23.

ステップS23において、ECU24は、車両10が中負荷状態であるか否かを判定する。具体的には、ECU24は、ステップS2で計算したシステム負荷Psysが、中負荷を判定するための閾値P1以上であるか否かを判定する。ここにいう中負荷とは、例えば、酸素が豊潤な状態とし且つセル電圧Vcellを酸化還元領域R3内の値にして(FC電圧Vfcを還元領域R3内の値×セル数にして)FC40を発電させた際に得られるFC電力Pfcが、システム負荷Psysと釣り合うような場合を意味する。   In step S23, the ECU 24 determines whether or not the vehicle 10 is in a medium load state. Specifically, the ECU 24 determines whether or not the system load Psys calculated in step S2 is greater than or equal to a threshold value P1 for determining medium load. The medium load referred to here is, for example, a state in which oxygen is rich and the cell voltage Vcell is set to a value in the redox region R3 (the FC voltage Vfc is set to the value in the reduction region R3 × the number of cells) to generate FC40. This means a case where the FC power Pfc obtained at this time is balanced with the system load Psys.

システム負荷Psysが閾値P1以上である場合、車両10が中負荷状態であり、システム負荷Psysが閾値P1以上でない場合、車両10は中負荷状態ではない。なお、中負荷状態の判定は、その他の方法によって行ってもよい。例えば、車速Vが、中負荷を判定するための閾値THVm以下であるか否かにより中負荷状態を判定することもできる。或いは、車両10の加速度(車速Vの変化量)が、中負荷を判定するための閾値以下であるか否かにより中負荷状態を判定してもよい。   When the system load Psys is greater than or equal to the threshold value P1, the vehicle 10 is in an intermediate load state, and when the system load Psys is not greater than or equal to the threshold value P1, the vehicle 10 is not in an intermediate load state. The medium load state may be determined by other methods. For example, the medium load state can be determined based on whether or not the vehicle speed V is equal to or lower than a threshold value THVm for determining the medium load. Alternatively, the medium load state may be determined based on whether or not the acceleration of the vehicle 10 (change amount of the vehicle speed V) is equal to or less than a threshold value for determining the medium load.

車両10が中負荷状態である場合(S23:YES)、ステップS24において、ECU24は、第2モード(電圧固定・電流可変制御)を行う(詳細は図13を参照して後述する)。車両10が中負荷状態でない場合(S23:NO)、ステップS25において、ECU24は、第3モード(電圧固定・電流固定制御)を行う(詳細は後述する)。   When the vehicle 10 is in a medium load state (S23: YES), in step S24, the ECU 24 performs the second mode (voltage fixing / current variable control) (details will be described later with reference to FIG. 13). When the vehicle 10 is not in the middle load state (S23: NO), in step S25, the ECU 24 performs the third mode (voltage fixing / current fixing control) (details will be described later).

(2−3−4.第1モード)
上記のように、第1モードは、主として、システム負荷Psysが相対的に高いときに用いられるものであり、目標酸素濃度Cotgtを固定(或いは、酸素を豊潤な状態に維持)した状態で、目標FC電圧Vfctgtを調整することによりFC電流Ifcを制御する。
(2-3-4. First mode)
As described above, the first mode is mainly used when the system load Psys is relatively high. In the state where the target oxygen concentration Cotgt is fixed (or oxygen is maintained in a rich state), The FC current Ifc is controlled by adjusting the FC voltage Vfctgt.

すなわち、図10に示すように、第1モードでは、FC40の電流−電圧特性(IV特性)が通常のもの(図10中、実線で表されるもの)を用いる。通常の燃料電池と同様、FC40のIV特性は、セル電圧Vcell(FC電圧Vfc)が低くなるほど、セル電流Icell(FC電流Ifc)が大きくなる。このため、第1モードでは、システム負荷Psysに応じて目標FC電流Ifctgtを算出し、さらに目標FC電流Ifctgtに対応する目標FC電圧Vfctgtを算出する。そして、FC電圧Vfcが目標FC電圧Vfctgtとなるように、ECU24は、DC/DCコンバータ22を制御する。すなわち、2次電圧V2が目標FC電圧Vfctgtとなるように1次電圧V1をDC/DCコンバータ22により昇圧することで、FC電圧Vfcを制御してFC電流Ifcを制御する。   That is, as shown in FIG. 10, in the first mode, the current-voltage characteristic (IV characteristic) of the FC 40 is normal (represented by a solid line in FIG. 10). As in the case of a normal fuel cell, in the IV characteristics of FC40, the cell current Icell (FC current Ifc) increases as the cell voltage Vcell (FC voltage Vfc) decreases. Therefore, in the first mode, the target FC current Ifctgt is calculated according to the system load Psys, and the target FC voltage Vfctgt corresponding to the target FC current Ifctgt is calculated. Then, the ECU 24 controls the DC / DC converter 22 so that the FC voltage Vfc becomes the target FC voltage Vfctgt. That is, the primary voltage V1 is boosted by the DC / DC converter 22 so that the secondary voltage V2 becomes the target FC voltage Vfctgt, thereby controlling the FC voltage Vfc and controlling the FC current Ifc.

なお、酸素が豊潤な状態にあるとは、例えば、図12に示すように、カソードストイキ比を上昇させても、セル電流Icellが略一定となり、実質的に飽和した状態となる通常ストイキ比以上の領域における酸素を意味する。水素が豊潤であるという場合も、同様である。なお、カソードストイキ比とは、カソード流路74に供給するエアの流量/FC40の発電により消費されたエアの流量であり、カソード流路74における酸素濃度に近似する。また、カソードストイキ比の調整は、例えば、酸素濃度の制御により行う。   For example, as shown in FIG. 12, when the cathode stoichiometric ratio is increased, the cell current Icell becomes substantially constant and is substantially higher than the normal stoichiometric ratio in which the oxygen current is rich. Means oxygen in the region. The same applies when hydrogen is rich. The cathode stoichiometric ratio is the flow rate of air supplied to the cathode channel 74 / the flow rate of air consumed by the power generation of the FC 40, and approximates the oxygen concentration in the cathode channel 74. The cathode stoichiometric ratio is adjusted by controlling the oxygen concentration, for example.

以上のような第1モードによれば、システム負荷Psysが高負荷であっても、基本的にシステム負荷Psysの全てをFC電力Pfcによりまかなうことが可能となる。   According to the first mode as described above, even if the system load Psys is high, basically all of the system load Psys can be covered by the FC power Pfc.

(2−3−5.第2モードの全体)
上記のように、第2モードは、主として、システム負荷Psysが中負荷のときに用いられるものであり、目標セル電圧Vcelltgt(=目標FC電圧Vfctgt/セル数)を、酸化還元領域R3よりも低い電位以下で設定された基準電位{本実施形態では、電位v2(=0.8V)}に固定すると共に、目標酸素濃度Cotgtを基本的に可変とすることにより、FC電流Ifcを可変とする。
(2-3-5. Overall second mode)
As described above, the second mode is mainly used when the system load Psys is a medium load, and the target cell voltage Vcelltgt (= target FC voltage Vfctgt / number of cells) is lower than that in the oxidation-reduction region R3. The FC current Ifc is made variable by fixing the reference potential {in this embodiment, the potential v2 (= 0.8 V)} set below the potential and making the target oxygen concentration Cotgt basically variable.

すなわち、図10に示すように、第2モードでは、セル電圧Vcellを一定に保った状態で目標酸素濃度Cotgtを下げていくことで酸素濃度Coを下げる。図12に示すように、カソードストイキ比(酸素濃度Co)が低下するとセル電流Icell(FC電流Ifc)も低下する。このため、セル電圧Vcellを一定に保った状態で目標酸素濃度Cotgtを増減させることで、セル電流Icell(FC電流Ifc)及びFC電力Pfcを制御することが可能となる。なお、FC電力Pfcの不足分は、バッテリ20からアシストする。   That is, as shown in FIG. 10, in the second mode, the oxygen concentration Co is lowered by lowering the target oxygen concentration Cotgt while keeping the cell voltage Vcell constant. As shown in FIG. 12, when the cathode stoichiometric ratio (oxygen concentration Co) decreases, the cell current Icell (FC current Ifc) also decreases. For this reason, it is possible to control the cell current Icell (FC current Ifc) and the FC power Pfc by increasing or decreasing the target oxygen concentration Cotgt while keeping the cell voltage Vcell constant. Note that the shortage of the FC power Pfc is assisted from the battery 20.

図13には、第2モードのフローチャートが示されている。ステップS31において、ECU24は、DC/DCコンバータ22の昇圧率を調整することにより、酸化還元領域R3よりも低い電位以下で設定された基準電位{本実施形態では、電位v2(=0.8V)}に目標FC電圧Vfctgtを固定する。ステップS32において、ECU24は、システム負荷Psysに対応する目標FC電流Ifctgtを算出する(詳細は、図19等を参照して後述する。)。   FIG. 13 shows a flowchart of the second mode. In step S31, the ECU 24 adjusts the step-up rate of the DC / DC converter 22 to thereby set a reference potential that is set to a potential lower than the oxidation-reduction region R3 (in this embodiment, the potential v2 (= 0.8 V)). }, The target FC voltage Vfctgt is fixed. In step S32, the ECU 24 calculates a target FC current Ifctgt corresponding to the system load Psys (details will be described later with reference to FIG. 19 and the like).

ステップS33において、ECU24は、目標FC電圧Vfctgtが基準電位であることを前提として、目標FC電流Ifctgtに対応する目標酸素濃度Cotgtを算出する(図10及び図14参照)。なお、図14は、FC電圧Vfcが基準電位であるときの目標FC電流Ifctgtと目標酸素濃度Cotgtとの関係を示す。   In step S33, the ECU 24 calculates a target oxygen concentration Cotgt corresponding to the target FC current Ifctgt on the assumption that the target FC voltage Vfctgt is a reference potential (see FIGS. 10 and 14). FIG. 14 shows the relationship between the target FC current Ifctgt and the target oxygen concentration Cotgt when the FC voltage Vfc is the reference potential.

ステップS34において、ECU24は、目標酸素濃度Cotgtに応じて各部への指令値を算出及び送信する。ここで算出される指令値には、エアポンプ60の回転数(以下「エアポンプ回転数Nap」又は「回転数Nap」という。)、ウォータポンプ80の回転数(以下「ウォータポンプ回転数Nwp」又は「回転数Nwp」という。)、背圧弁64の開度(以下「背圧弁開度θbp」又は「開度θbp」という。)及び循環弁66の開度(以下「循環弁開度θc」又は「開度θc」という。)が含まれる。   In step S34, the ECU 24 calculates and transmits a command value to each unit in accordance with the target oxygen concentration Cotgt. The command value calculated here includes the rotational speed of the air pump 60 (hereinafter referred to as “air pump rotational speed Nap” or “rotational speed Nap”), and the rotational speed of the water pump 80 (hereinafter referred to as “water pump rotational speed Nwp” or “ ), The opening of the back pressure valve 64 (hereinafter referred to as “back pressure valve opening θbp” or “opening θbp”), and the opening of the circulation valve 66 (hereinafter referred to as “circulation valve opening θc” or “ "Opening angle θc").

すなわち、図15及び図16に示すように、目標酸素濃度Cotgtに応じて目標エアポンプ回転数Naptgt、目標ウォータポンプ回転数Nwptgt及び目標背圧弁開度θbptgtが設定される。また、循環弁66の目標開度θctgtは、初期値(例えば、循環ガスがゼロとなる開度)に設定される。   That is, as shown in FIGS. 15 and 16, the target air pump speed Naptgt, the target water pump speed Nwptgt, and the target back pressure valve opening θbptgt are set according to the target oxygen concentration Cotgt. Moreover, the target opening degree θctgt of the circulation valve 66 is set to an initial value (for example, an opening degree at which the circulating gas becomes zero).

ステップS35において、ECU24は、FC40による発電が安定しているか否かを判定する。当該判定として、ECU24は、セル電圧モニタ42から入力される最低セル電圧が、平均セル電圧から所定電圧を減算した電圧よりも低い場合{最低セル電圧<(平均セル電圧−所定電圧)}、FC40の発電が不安定であると判定する。なお、前記所定電圧は、例えば、実験値、シミュレーション値等を用いることができる。   In step S35, the ECU 24 determines whether power generation by the FC 40 is stable. As the determination, when the lowest cell voltage input from the cell voltage monitor 42 is lower than the voltage obtained by subtracting the predetermined voltage from the average cell voltage {lowest cell voltage <(average cell voltage−predetermined voltage)}, the FC 40 Is determined to be unstable. As the predetermined voltage, for example, an experimental value, a simulation value, or the like can be used.

発電が安定している場合(S35:YES)、今回の処理を終える。発電が安定していない場合(S35:NO)、ステップS36において、ECU24は、流量センサ70を介して循環ガスの流量Qc[g/s]を監視しながら、循環弁66の開度θcを大きくし、流量Qcを1段階増加する(図17参照)。なお、図17では、循環弁66を全開とした場合、流量Qcが4段階目の増加となり、最大流量となる場合を例示している。   When the power generation is stable (S35: YES), the current process is finished. When the power generation is not stable (S35: NO), in step S36, the ECU 24 increases the opening degree θc of the circulation valve 66 while monitoring the flow rate Qc [g / s] of the circulation gas via the flow rate sensor 70. Then, the flow rate Qc is increased by one level (see FIG. 17). Note that FIG. 17 illustrates a case where the flow rate Qc increases in the fourth stage and reaches the maximum flow rate when the circulation valve 66 is fully opened.

但し、循環弁66の開度θcが増加すると、エアポンプ60に吸気される吸気ガスにおいて、循環ガスの割合が増加する。すなわち、吸気ガスについて、新規空気(車外から吸気される空気)と、循環ガスとの割合において、循環ガスの割合が増加するように変化する。従って、全単セルへの酸素の分配能力が向上する。ここで、循環ガス(カソードオフガス)の酸素濃度Coは、新規空気の酸素濃度Coに対して低い。このため、循環弁66の開度θcの制御前後において、エアポンプ60の回転数Nap及び背圧弁64の開度θbpが同一である場合、カソード流路74を通流するガスの酸素濃度Coが低下することになる。   However, when the opening degree θc of the circulation valve 66 increases, the ratio of the circulation gas in the intake gas sucked into the air pump 60 increases. That is, the intake gas changes such that the ratio of the circulating gas increases in the ratio of new air (air taken from outside the vehicle) and the circulating gas. Therefore, the ability to distribute oxygen to all single cells is improved. Here, the oxygen concentration Co of the circulating gas (cathode off gas) is lower than the oxygen concentration Co of the new air. Therefore, before and after the control of the opening degree θc of the circulation valve 66, the oxygen concentration Co of the gas flowing through the cathode channel 74 decreases when the rotation speed Nap of the air pump 60 and the opening degree θbp of the back pressure valve 64 are the same. Will do.

そこで、ステップS36では、ステップS33で算出した目標酸素濃度Cotgtが維持されるように、循環ガスの流量Qcの増加に連動して、エアポンプ60の回転数Napの増加及び背圧弁64の開度θbpの減少の少なくとも一方を実行することが好ましい。   Therefore, in step S36, the increase in the rotational speed Nap of the air pump 60 and the opening degree θbp of the back pressure valve 64 are interlocked with the increase in the circulation gas flow rate Qc so that the target oxygen concentration Cotgt calculated in step S33 is maintained. Preferably, at least one of the reductions is performed.

例えば、循環ガスの流量Qcを増加した場合、エアポンプ60の回転数Napを増加させ、新規空気の流量を増加することが好ましい。そして、このようにすれば、カソード流路74に向かうガス(新規空気と循環ガスとの混合ガス)全体の流量が増加するので、全単セルへの酸素の分配能力がさらに向上し、FC40の発電性能が回復し易くなる。   For example, when the flow rate Qc of the circulating gas is increased, it is preferable to increase the rotational speed Nap of the air pump 60 and increase the flow rate of new air. In this way, the flow rate of the entire gas (mixed gas of new air and circulating gas) toward the cathode flow path 74 increases, so that the ability to distribute oxygen to all single cells is further improved, and the FC 40 The power generation performance is easily recovered.

このようにして、目標酸素濃度Cotgtを維持しつつ、循環ガスを新規空気に合流させるので、カソード流路74を通流するガスの体積流量[L/s]が増加する。これにより、目標酸素濃度Cotgtが維持されつつ体積流量の増加したガスが、FC40内で複雑に形成されたカソード流路74全体に行き渡り易くなる。従って、各単セルに前記ガスが同様に供給され易くなり、FC40の発電の不安定が解消され易くなる。また、MEA(膜電極接合体)の表面やカソード流路74を囲む壁面に付着する水滴(凝縮水等)も除去され易くなる。   Thus, since the circulating gas is merged with the new air while maintaining the target oxygen concentration Cotgt, the volume flow rate [L / s] of the gas flowing through the cathode channel 74 is increased. As a result, the gas whose volume flow rate has increased while the target oxygen concentration Cotgt is maintained can easily reach the entire cathode channel 74 formed in a complex manner in the FC 40. Accordingly, the gas is easily supplied to each single cell in the same manner, and the unstable power generation of the FC 40 is easily resolved. In addition, water droplets (condensed water, etc.) adhering to the surface of the MEA (membrane electrode assembly) and the wall surface surrounding the cathode channel 74 are easily removed.

ステップS37において、ECU24は、流量センサ70を介して検出される循環ガスの流量Qcが上限値以上であるか否か判定する。判定基準となる上限値は、循環弁66の開度θcが全開となる値に設定される。   In step S <b> 37, the ECU 24 determines whether or not the circulation gas flow rate Qc detected via the flow rate sensor 70 is equal to or higher than the upper limit value. The upper limit value serving as the determination criterion is set to a value at which the opening degree θc of the circulation valve 66 is fully opened.

この場合において、循環弁開度θcが同一であっても、エアポンプ60の回転数Napが増加すると、流量センサ70で検出される循環ガスの流量Qcが増加するので、前記上限値は、エアポンプ回転数Napに関連付けて、つまり、エアポンプ60の回転数Napが大きくなると、前記上限値が大きくなるように設定されることが好ましい。   In this case, even if the circulation valve opening degree θc is the same, if the rotation speed Nap of the air pump 60 increases, the flow rate Qc of the circulating gas detected by the flow sensor 70 increases. In association with the number Nap, that is, when the rotation speed Nap of the air pump 60 is increased, the upper limit value is preferably set to be increased.

循環ガスの流量Qcが上限値以上でないと判定した場合(S37:NO)、ステップS35に戻る。循環ガスの流量Qcが上限値以上であると判定した場合(S37:YES)、ステップS38に進む。   When it is determined that the flow rate Qc of the circulating gas is not equal to or higher than the upper limit (S37: NO), the process returns to step S35. When it is determined that the flow rate Qc of the circulating gas is equal to or higher than the upper limit value (S37: YES), the process proceeds to step S38.

ここで、ステップS36、S37では、流量センサ70が直接検出する循環ガスの流量Qcに基づいて処理を実行したが、循環弁開度θcに基づいて処理を実行してもよい。すなわち、ステップS36において、循環弁開度θcを開方向に1段階(例えば30°)にて増加する構成とし、ステップS37において、循環弁66が全開である場合(S37:YES)、ステップS38に進む構成としてもよい。   Here, in steps S36 and S37, the process is executed based on the circulation gas flow rate Qc directly detected by the flow sensor 70, but the process may be executed based on the circulation valve opening θc. That is, in step S36, the circulation valve opening degree θc is increased in one step (for example, 30 °) in the opening direction. If the circulation valve 66 is fully open in step S37 (S37: YES), the process proceeds to step S38. It is good also as a structure to advance.

また、この場合において、循環弁66の開度θcと、循環ガスの温度と、図18のマップとに基づいて、循環ガスの流量Qc[g/s]を算出することもできる。図18に示すように、循環ガスの温度が高くなるにつれて、その密度が小さくなるので、流量Qc[g/s]が小さくなる関係となっている。   In this case, the circulation gas flow rate Qc [g / s] can also be calculated based on the degree of opening θc of the circulation valve 66, the temperature of the circulation gas, and the map of FIG. As shown in FIG. 18, the density decreases as the temperature of the circulating gas increases, so that the flow rate Qc [g / s] decreases.

ステップS38において、ECU24は、ステップS35と同様に、発電が安定しているか否かを判定する。発電が安定している場合(S38:YES)、今回の処理を終える。発電が安定していない場合(S38:NO)、ステップS39において、ECU24は、目標酸素濃度Cotgtを1段階増加させる(通常の濃度に近づける)。具体的には、エアポンプ60の回転数Napの増加及び背圧弁64の開度θbpの減少の少なくとも一方を1段階行う。   In step S38, the ECU 24 determines whether or not power generation is stable, as in step S35. If the power generation is stable (S38: YES), the current process is terminated. If the power generation is not stable (S38: NO), in step S39, the ECU 24 increases the target oxygen concentration Cotgt by one step (approaches the normal concentration). Specifically, at least one of increasing the rotation speed Nap of the air pump 60 and decreasing the opening θbp of the back pressure valve 64 is performed in one step.

ステップS40において、ECU24は、目標酸素濃度Cotgtが通常のIV特性における目標酸素濃度(通常酸素濃度Conml)以下であるか否かを判定する。目標酸素濃度Cotgtが通常酸素濃度Conml以下である場合(S40:YES)、ステップS38に戻る。目標酸素濃度Cotgtが通常酸素濃度Conml以下でない場合(S40:NO)、ステップS41において、ECU24は、FCユニット18を停止する。すなわち、ECU24は、FC40への水素及び空気の供給を停止し、FC40の発電を停止する。そして、ECU24は、図示しない警告ランプを点灯させ、運転者にFC40が異常であることを通知する。なお、ECU24は、バッテリ20からモータ14に電力を供給し、FC車両10の走行は継続させる。   In step S40, the ECU 24 determines whether or not the target oxygen concentration Cotgt is equal to or lower than the target oxygen concentration (normal oxygen concentration Conml) in the normal IV characteristics. When the target oxygen concentration Cotgt is less than or equal to the normal oxygen concentration Conml (S40: YES), the process returns to step S38. When the target oxygen concentration Cotgt is not equal to or lower than the normal oxygen concentration Conml (S40: NO), the ECU 24 stops the FC unit 18 in step S41. That is, the ECU 24 stops the supply of hydrogen and air to the FC 40 and stops the power generation of the FC 40. Then, the ECU 24 turns on a warning lamp (not shown) to notify the driver that the FC 40 is abnormal. Note that the ECU 24 supplies electric power from the battery 20 to the motor 14 and continues running of the FC vehicle 10.

以上のような第2モードによれば、システム負荷Psysが中負荷である場合に、セル電圧Vcellを一定にした状態で、酸素濃度Co(カソードストイキ比)を調整することにより、基本的にシステム負荷Psysの全てをFC電力Pfcによりまかなうことが可能となる。   According to the second mode as described above, when the system load Psys is a medium load, the system is basically configured by adjusting the oxygen concentration Co (cathode stoichiometric ratio) while keeping the cell voltage Vcell constant. All of the load Psys can be covered by the FC power Pfc.

(2−3−6.第2モードにおける目標FC電流Ifctgtの算出)
図19は、第2モードにおいて目標FC電流Ifctgtを算出するフローチャート(図13のS32の詳細)である。ステップS51において、ECU24は、第2モードにおいて相対的に高効率な発電が可能であるか否かを判定する。具体的には、システム負荷Psysが下限値lim1以上且つ上限値lim2以下であるか否かを判定する。下限値lim1及び上限値lim2については、図20を参照して説明する。
(2-3-6. Calculation of target FC current Ifctgt in the second mode)
FIG. 19 is a flowchart (details of S32 in FIG. 13) for calculating the target FC current Ifctgt in the second mode. In step S51, the ECU 24 determines whether or not relatively efficient power generation is possible in the second mode. Specifically, it is determined whether or not the system load Psys is not less than the lower limit value lim1 and not more than the upper limit value lim2. The lower limit value lim1 and the upper limit value lim2 will be described with reference to FIG.

図20は、第1モード及び第2モードそれぞれについてFC電力PfcとFCユニット18の出力効率E1、E2との関係を示す図である。   FIG. 20 is a diagram illustrating the relationship between the FC power Pfc and the output efficiencies E1 and E2 of the FC unit 18 for each of the first mode and the second mode.

第1モードの出力効率E1は、次の式(1)により求められる。
E1=(Pfcm1−Pap−Ppg)/Eh (1)
The output efficiency E1 of the first mode is obtained by the following equation (1).
E1 = (Pfcm1-Pap-Ppg) / Eh (1)

上記式(1)において、Pfcm1は、所定量(単位量)の水素を用いた場合における通常ストイキ比でのFC電力Pfc(以下「第1モードFC電力Pfcm1」という。)[kW]である。Papは、前記所定量の水素を用いた場合におけるエアポンプ60の電力消費量(以下「エアポンプ消費量Pap」という。)[kW]である。Ppgは、前記所定量の水素を用いた場合におけるパージ弁50から排出される水素のエネルギー(以下「パージ消費量Ppg」という。)[kW]である。Ehは、前記所定量の水素が有するエネルギー(以下「水素エネルギーEh」という。)[kW]である。   In the above formula (1), Pfcm1 is FC power Pfc (hereinafter referred to as “first mode FC power Pfcm1”) [kW] at a normal stoichiometric ratio when a predetermined amount (unit amount) of hydrogen is used. Pap is the power consumption of the air pump 60 when the predetermined amount of hydrogen is used (hereinafter referred to as “air pump consumption Pap”) [kW]. Ppg is the energy of hydrogen discharged from the purge valve 50 when the predetermined amount of hydrogen is used (hereinafter referred to as “purge consumption amount Ppg”) [kW]. Eh is the energy of the predetermined amount of hydrogen (hereinafter referred to as “hydrogen energy Eh”) [kW].

同様に、第2モードの出力効率E2は、次の式(2)により求められる。
E2=(Pfcm2−Pap−Ppg)/Eh (2)
Similarly, the output efficiency E2 of the second mode is obtained by the following equation (2).
E2 = (Pfcm2-Pap-Ppg) / Eh (2)

上記式(2)において、Pfcm2は、前記所定量の水素を用いた場合において酸素濃度Coを変化させた場合のFC電力Pfc(以下「第2モードFC電力Pfcm2」という。)[kW]である。エアポンプ消費量Pap、パージ消費量Ppg及び水素エネルギーEHは、式(1)と同じである。   In the above equation (2), Pfcm2 is FC power Pfc (hereinafter referred to as “second mode FC power Pfcm2”) [kW] when the oxygen concentration Co is changed when the predetermined amount of hydrogen is used. . The air pump consumption Pap, the purge consumption Ppg, and the hydrogen energy EH are the same as in equation (1).

図20に示すように、FC電力Pfcがゼロに近い領域では、FC電力Pfcが増加すると、出力効率E1、E2のいずれも高くなり、その後、徐々に低くなる。これは、以下に述べるようなFC40自体の発電効率が影響している。   As shown in FIG. 20, in the region where the FC power Pfc is close to zero, when the FC power Pfc increases, both the output efficiencies E1 and E2 increase, and then gradually decrease. This is influenced by the power generation efficiency of the FC 40 itself as described below.

図21は、第1モード及び第2モードそれぞれについてFC電力PfcとFC40自体の発電効率Efc1、Efc2[%]との関係を示す図である。第1モードの発電効率Efc1は、第1モードFC電力Pfcm1を水素エネルギーEhで割ったものである(Efc1=Pfcm1/Eh)。第2モードの発電効率Efc2は、第2モードFC電力Pfcm2を水素エネルギーEhで割ったものである(Efc2=Pfcm2/Eh)。   FIG. 21 is a diagram illustrating the relationship between the FC power Pfc and the power generation efficiencies Efc1 and Efc2 [%] of the FC 40 itself for each of the first mode and the second mode. The power generation efficiency Efc1 in the first mode is obtained by dividing the first mode FC power Pfcm1 by the hydrogen energy Eh (Efc1 = Pfcm1 / Eh). The power generation efficiency Efc2 in the second mode is obtained by dividing the second mode FC power Pfcm2 by the hydrogen energy Eh (Efc2 = Pfcm2 / Eh).

図21に示すように、第1モードにおけるFC40自体での発電効率Efc1は、FC電力Pfcが大きくなるほど、低くなる。これは、第1モードではFC電圧Vfcを可変とするが、セル電圧Vcellが低いとき(すなわち、FC電力Pfcが高いとき)の方が、各FCセルの放熱量が高くなるためである。一方、第2モードにおけるFC40自体での発電効率Efc2は、FC電力Pfcによっては変化しない(図21では一定である。)。これは、第2モードではFC電圧Vfcを一定とするため、各FCセルの放熱量が一定になるためである。   As shown in FIG. 21, the power generation efficiency Efc1 of the FC 40 itself in the first mode decreases as the FC power Pfc increases. This is because the FC voltage Vfc is variable in the first mode, but when the cell voltage Vcell is low (that is, when the FC power Pfc is high), the heat radiation amount of each FC cell is high. On the other hand, the power generation efficiency Efc2 in the FC 40 itself in the second mode does not change depending on the FC power Pfc (it is constant in FIG. 21). This is because in the second mode, the FC voltage Vfc is constant, so that the heat radiation amount of each FC cell is constant.

FC40自体の発電効率Efc1、Efc2は、上記のような特性を有するため、FCユニット18全体としては、図20の出力効率E1、E2のようになる。   Since the power generation efficiencies Efc1 and Efc2 of the FC 40 itself have the above characteristics, the FC unit 18 as a whole has the output efficiencies E1 and E2 of FIG.

図20に示すように、FC電力Pfcが同一である場合、基本的に、第1モードの出力効率E1の方が第2モードの出力効率E2よりも高くなる。また、図20において、P1は、セル電圧Vcellが電位v3(=0.9V)である場合に対応するFC電力Pfcであり、P2は、セル電圧Vcellが電位v2(=0.8V)である場合に対応するFC電力Pfcである。   As shown in FIG. 20, when the FC power Pfc is the same, the output efficiency E1 in the first mode is basically higher than the output efficiency E2 in the second mode. In FIG. 20, P1 is FC power Pfc corresponding to the case where the cell voltage Vcell is the potential v3 (= 0.9V), and P2 is the cell voltage Vcell being the potential v2 (= 0.8V). This is the FC power Pfc corresponding to the case.

上記のように、第1モードでは、FC電圧Vfc(セル電圧Vcell)を可変としてFC電流Ifc及びFC電力Pfcを制御する。このため、第1モードについては、FC電力P1からFC電力P2までの間は、セル電圧Vcellが電位v2と電位v3との間で変化した場合に対応する。一方、第2モードでは、FC電圧Vfc(セル電圧Vcell)を固定としつつ、目標酸素濃度Cotgtを可変とすることにより、FC電流Ifc及びFC電力Pfcを制御する。このため、第2モードについては、FC電力P1からFC電力P2までの間は、セル電圧Vcellが電位v2のまま一定(FC電圧Vfcが電位v2×セル数のまま一定)である。   As described above, in the first mode, the FC current Ifc and the FC power Pfc are controlled by making the FC voltage Vfc (cell voltage Vcell) variable. Therefore, the first mode corresponds to the case where the cell voltage Vcell changes between the potential v2 and the potential v3 between the FC power P1 and the FC power P2. On the other hand, in the second mode, the FC current Ifc and the FC power Pfc are controlled by making the target oxygen concentration Cotgt variable while fixing the FC voltage Vfc (cell voltage Vcell). Therefore, in the second mode, the cell voltage Vcell remains constant at the potential v2 between the FC power P1 and the FC power P2 (the FC voltage Vfc remains constant at the potential v2 × the number of cells).

次に、下限値lim1及び上限値lim2について説明する。上記のように、下限値lim1及び上限値lim2は、第2モードで用いられるものであり、図20に示すように、出力効率E2における効率最高領域Rhieffを挟んで設定される。効率最高領域Rhieffは、最高値(以下「最高効率実現出力Phieff」又は「最高値Phieff」という。)及びその近傍の値を含む領域である。   Next, the lower limit value lim1 and the upper limit value lim2 will be described. As described above, the lower limit value lim1 and the upper limit value lim2 are used in the second mode, and are set across the maximum efficiency region Rhieff in the output efficiency E2, as shown in FIG. The maximum efficiency region Rhieff is a region including a maximum value (hereinafter referred to as “maximum efficiency realizing output Phieff” or “maximum value Phieff”) and a value in the vicinity thereof.

下限値lim1及び上限値lim2は、例えば、次のような方法により設定可能である。すなわち、図22に示すように、最高値Phieffに対応する出力効率E2から所定値ΔX%下がった値を実現するFC電力Pfcを下限値lim1及び上限値lim2とする。ここでの所定値ΔXは、例えば、車両10を実際に走行させながら、所定値Δを変化させ、燃費が最もよい値を選択することができる。なお、下限値lim1と上限値lim2を個別に設定することも可能である。   The lower limit value lim1 and the upper limit value lim2 can be set by the following method, for example. That is, as shown in FIG. 22, the FC power Pfc that realizes a value that is a predetermined value ΔX% lower than the output efficiency E2 corresponding to the maximum value Phieff is set to the lower limit value lim1 and the upper limit value lim2. Here, the predetermined value ΔX can be selected, for example, by changing the predetermined value Δ while actually driving the vehicle 10 and by selecting the value with the best fuel consumption. Note that the lower limit value lim1 and the upper limit value lim2 can be set individually.

図19に戻り、システム負荷Psysが下限値lim1以上且つ上限値lim2以下である場合(S51:YES)、ステップS52において、ECU24は、要求負荷としてのシステム負荷Psysをそのまま目標FC出力Pfctgtに設定する(Pfctgt←Psys)。   Returning to FIG. 19, when the system load Psys is not less than the lower limit value lim1 and not more than the upper limit value lim2 (S51: YES), in step S52, the ECU 24 sets the system load Psys as the required load as the target FC output Pfctgt. (Pfctgt ← Psys).

システム負荷Psysが下限値lim1以上且つ上限値lim2以下でない場合(S51:NO)、第2モードにおいて相対的に効率的な発電を行うことができない(図20)。そこで、ステップS53において、ECU24は、最高効率実現出力Phieffを仮目標FC出力Pfctgt_tに設定する(Pfctgt_t←Phieff)。   When the system load Psys is not lower than the lower limit value lim1 and lower than the upper limit value lim2 (S51: NO), relatively efficient power generation cannot be performed in the second mode (FIG. 20). Therefore, in step S53, the ECU 24 sets the maximum efficiency achievement output Phieff to the temporary target FC output Pfctgt_t (Pfctgt_t ← Phieff).

ステップS54において、ECU24は、回生平均電力Pregaveとバッテリ20のSOCとに応じて回生平均補正係数α(以下「係数α」ともいう。)を設定する。回生平均電力Pregaveは、所定期間(例えば、1分〜30分の間で設定された値)における回生電力Pregの移動平均[kW/min]であり、回生履歴を示す。係数αは、仮目標FC出力Pfctgt_tを回生電力の見込みに応じて補正するための係数である。   In step S54, the ECU 24 sets a regenerative average correction coefficient α (hereinafter also referred to as “coefficient α”) according to the regenerative average power Pregave and the SOC of the battery 20. The regenerative average power Pregave is a moving average [kW / min] of the regenerative power Preg in a predetermined period (for example, a value set between 1 minute and 30 minutes), and indicates a regeneration history. The coefficient α is a coefficient for correcting the temporary target FC output Pfctgt_t according to the likelihood of regenerative power.

図23は、バッテリ20のSOCと係数αの関係を回生平均電力Pregave毎に示す図である。図23において、実線で示す特性は、回生平均電力Pregaveが通常である場合のSOCと係数αの関係を示す特性であり、一点鎖線で示す特性は、回生平均電力Pregaveが通常より少ない場合のSOCと係数αの関係を示す特性であり、二点鎖線は、回生平均電力Pregaveが通常より多い場合のSOCと係数αの関係を示す特性である。また、基準値Srefは、SOCの目標値である。   FIG. 23 is a diagram illustrating the relationship between the SOC of the battery 20 and the coefficient α for each regenerative average power Pregave. In FIG. 23, the characteristic indicated by the solid line is a characteristic indicating the relationship between the SOC and the coefficient α when the regenerative average power Pregave is normal, and the characteristic indicated by the alternate long and short dash line is the SOC when the regenerative average power Pregave is less than normal. The two-dot chain line is a characteristic indicating the relationship between the SOC and the coefficient α when the regenerative average power Pregave is higher than usual. The reference value Sref is a target value for the SOC.

図23からわかるように、バッテリSOCが基準値Srefを上回っている状態において回生平均電力Pregaveが少ないときは、SOCが基準値Srefから離れても、係数αを1に近い値とする。一方、バッテリSOCが基準値Srefを上回っている状態において回生平均電力Pregaveが多いときは、SOCが基準値Srefから離れると、係数αを1から大きく遠ざける。このような係数αを仮目標FC出力Pfctgt_tに乗算することにより、SOCを基準値Sref又はその近傍に維持し易くなる。   As can be seen from FIG. 23, when the regenerative average power Pregave is small in a state where the battery SOC exceeds the reference value Sref, the coefficient α is set to a value close to 1 even if the SOC is away from the reference value Sref. On the other hand, when the regenerative average power Pregave is large in a state where the battery SOC exceeds the reference value Sref, the coefficient α is greatly increased from 1 when the SOC is away from the reference value Sref. By multiplying the temporary target FC output Pfctgt_t by such a coefficient α, it becomes easy to maintain the SOC at or near the reference value Sref.

加えて、本実施形態では、係数αを1のまま変化させない領域(不感帯)を設ける。例えば、回生平均電力Pregaveが通常である場合、バッテリSOCがS1〜S2の間が不感帯である。   In addition, in the present embodiment, a region (dead zone) where the coefficient α remains unchanged at 1 is provided. For example, when the regenerative average power Pregave is normal, the battery SOC is a dead zone between S1 and S2.

係数αの選択に際しては、ECU24は、まず、回生平均電力Pregaveに応じてSOCと係数αの特性を選択する。次いで、SOCに応じて係数αを選択する。なお、回生平均電力Pregave、SOC及び係数αの関係は、例えば、実験値又はシミュレーション値を用いることができ、事前にECU24の記憶部(図示せず)に記憶しておく。   In selecting the coefficient α, the ECU 24 first selects the characteristics of the SOC and the coefficient α in accordance with the regenerative average power Pregave. Next, the coefficient α is selected according to the SOC. Note that the relationship between the regenerative average power Pregave, the SOC, and the coefficient α can be, for example, an experimental value or a simulation value, and is stored in advance in a storage unit (not shown) of the ECU 24.

図19に戻り、ステップS55において、ECU24は、仮目標FC出力Pfctgt_tに係数αを乗算して目標FC出力Pfctgtとする。   Returning to FIG. 19, in step S55, the ECU 24 multiplies the temporary target FC output Pfctgt_t by the coefficient α to obtain the target FC output Pfctgt.

ステップS52又はステップS55の後は、ステップS56において、ECU24は、目標FC出力Pfctgtに応じて目標FC電流Ifctgtを設定する。   After step S52 or step S55, in step S56, the ECU 24 sets the target FC current Ifctgt according to the target FC output Pfctgt.

(2−3−7.第3モード)
上記のように、第3モードは、主として、システム負荷Psysが相対的に低いときに用いられるものであり、目標セル電圧Vcelltgt(=目標FC電圧Vfctgt/セル数)を、酸化還元領域R3外の電位{本実施形態では、電位v3(=0.9V)}に固定し、FC電流Ifcを一定とする。FC電力Pfcの不足分は、バッテリ20からアシストし、FC電力Pfcの余剰分は、バッテリ20に充電する。目標酸素濃度Cotgtは、通常酸素濃度Conmlに固定(或いは、酸素を豊潤な状態に維持)される。
(2-3-7. Third mode)
As described above, the third mode is mainly used when the system load Psys is relatively low, and the target cell voltage Vcelltgt (= target FC voltage Vfctgt / number of cells) is set outside the redox region R3. The potential {in this embodiment, the potential v3 (= 0.9V)} is fixed, and the FC current Ifc is constant. The shortage of the FC power Pfc is assisted from the battery 20, and the surplus of the FC power Pfc is charged to the battery 20. The target oxygen concentration Cotgt is normally fixed to the oxygen concentration Conml (or oxygen is maintained in a rich state).

すなわち、図10に示すように、第3モードでは、FC40の電流−電圧特性(IV特性)が通常のもの(図10中、実線で表されるもの)とした状態で、セル電圧Vcellを電位v3に固定する(FC電圧Vfcを電位v3×セル数とする。)。FC40の電流−電圧特性(IV特性)が通常のものとするため、ECU24は、目標酸素濃度Cotgtとして通常酸素濃度Conmlを設定し、この目標酸素濃度Cotgtに応じてエアポンプ60の回転数Nap、ウォータポンプ80の回転数Nwp、背圧弁64の開度θbp及び循環弁66の開度θcを設定する。また、セル電圧Vcellを電位v3に固定するため、ECU24は、FC電圧Vfcが電位v3×セル数となるように、2次電圧V2をDC/DCコンバータ22により昇圧する。   That is, as shown in FIG. 10, in the third mode, the cell voltage Vcell is set to the potential while the current-voltage characteristic (IV characteristic) of the FC 40 is normal (represented by a solid line in FIG. 10). It is fixed at v3 (FC voltage Vfc is set to potential v3 × number of cells). Since the current-voltage characteristic (IV characteristic) of the FC 40 is assumed to be normal, the ECU 24 sets the normal oxygen concentration Conml as the target oxygen concentration Cogt, and the rotation speed Nap and water of the air pump 60 according to the target oxygen concentration Cogt. The rotational speed Nwp of the pump 80, the opening degree θbp of the back pressure valve 64, and the opening degree θc of the circulation valve 66 are set. Further, in order to fix the cell voltage Vcell to the potential v3, the ECU 24 boosts the secondary voltage V2 by the DC / DC converter 22 so that the FC voltage Vfc is equal to the potential v3 × the number of cells.

以上のような第3モードによれば、システム負荷Psysが低負荷である場合、システム負荷PsysをFC電力Pfcとバッテリ電力Pbatによりまかなうことが可能となる。   According to the third mode as described above, when the system load Psys is a low load, the system load Psys can be covered by the FC power Pfc and the battery power Pbat.

[2−4.FC発電制御]
上記のように、FC発電制御(図5のS4)として、ECU24は、FCスタック40の周辺機器、すなわち、エアポンプ60、背圧弁64、循環弁66及びウォータポンプ80を制御する。具体的には、ECU24は、エネルギマネジメント(図5のS3)で算出したこれらの機器の指令値(例えば、図13のS34)を用いてこれらの機器を制御する。
[2-4. FC power generation control]
As described above, as the FC power generation control (S4 in FIG. 5), the ECU 24 controls peripheral devices of the FC stack 40, that is, the air pump 60, the back pressure valve 64, the circulation valve 66, and the water pump 80. Specifically, the ECU 24 controls these devices using command values (for example, S34 in FIG. 13) of these devices calculated by energy management (S3 in FIG. 5).

[2−5.モータ14のトルク制御]
図24には、モータ14のトルク制御のフローチャートが示されている。ステップS61において、ECU24は、回転数センサ152からモータ回転数Nmを読み込む。ステップS62において、ECU24は、開度センサ150からアクセルペダル154の開度θpを読み込む。
[2-5. Torque control of motor 14]
FIG. 24 shows a flowchart of torque control of the motor 14. In step S61, the ECU 24 reads the motor rotational speed Nm from the rotational speed sensor 152. In step S <b> 62, the ECU 24 reads the opening degree θp of the accelerator pedal 154 from the opening degree sensor 150.

ステップS63において、ECU24は、モータ回転数Nmと開度θpに基づいてモータ14の仮目標トルクTtgt_p[N・m]を算出する。具体的には、図示しない記憶手段に回転数Nmと開度θpと仮目標トルクTtgt_pを関連付けたマップを記憶しておき、当該マップと、回転数Nm及び開度θpとに基づいて仮目標トルクTtgt_pを算出する。   In step S63, the ECU 24 calculates a temporary target torque Ttgt_p [N · m] of the motor 14 based on the motor rotational speed Nm and the opening degree θp. Specifically, a map that associates the rotational speed Nm, the opening degree θp, and the temporary target torque Ttgt_p is stored in a storage unit (not shown), and the temporary target torque is based on the map, the rotational speed Nm, and the opening degree θp. Ttgt_p is calculated.

ステップS64において、ECU24は、FCシステム12からモータ14に供給可能な電力の限界値(限界供給電力Ps_lim)[W]に等しいモータ14の限界出力(モータ限界出力Pm_lim)[W]を算出する。具体的には、限界供給電力Ps_lim及びモータ限界出力Pm_limは、FCスタック40からのFC電力Pfcとバッテリ20から供給可能な電力の限界値(限界出力Pbat_lim)[W]との和から補機の消費電力Paを引いたものである(Pm_lim=Ps_lim←Pfc+Pbat_lim−Pa)。   In step S64, the ECU 24 calculates a limit output (motor limit output Pm_lim) [W] of the motor 14 equal to a limit value (limit supply power Ps_lim) [W] of power that can be supplied from the FC system 12 to the motor 14. Specifically, the limit supply power Ps_lim and the motor limit output Pm_lim are calculated from the sum of the FC power Pfc from the FC stack 40 and the limit value of the power that can be supplied from the battery 20 (limit output Pbat_lim) [W]. The power consumption Pa is subtracted (Pm_lim = Ps_lim ← Pfc + Pbat_lim−Pa).

ステップS65において、ECU24は、モータ14のトルク制限値Tlim[N・m]を算出する。具体的には、モータ限界出力Pm_limを車速Vで除したものをトルク制限値Tlimとする(Tlim←Pm_lim/V)。   In step S65, the ECU 24 calculates a torque limit value Tlim [N · m] of the motor 14. More specifically, the torque limit value Tlim is obtained by dividing the motor limit output Pm_lim by the vehicle speed V (Tlim ← Pm_lim / V).

一方、ステップS64において、ECU24は、モータ14が回生中であると判定した場合には、限界供給回生電力Ps_reglimを算出する。限界供給回生電力Ps_reglimは、バッテリ20に充電可能な電力の限界値(限界充電Pbat_chglim)とFCスタック40からのFC電力Pfcとの和から補機の消費電力Paを引いたものである(Ps_reglim=Pbat_chglim+Pfc−Pa)。回生中である場合、ステップS65において、ECU24は、モータ14の回生トルク制限値Treglim[N・m]を算出する。具体的には、限界供給回生電力Ps_reglimを車速Vsで除したものをトルク制限値Tlimとする(Tlim←Ps_reglim/Vs)。   On the other hand, when it is determined in step S64 that the motor 14 is regenerating, the ECU 24 calculates the limit supply regenerative power Ps_reglim. The limit supply regenerative power Ps_reglim is obtained by subtracting the power consumption Pa of the auxiliary machine from the sum of the limit value of power that can be charged to the battery 20 (limit charge Pbat_chglim) and the FC power Pfc from the FC stack 40 (Ps_reglim = Pbat_chglim + Pfc−Pa). If regeneration is in progress, the ECU 24 calculates the regenerative torque limit value Treglim [N · m] of the motor 14 in step S65. Specifically, a value obtained by dividing the limit supply regenerative power Ps_reglim by the vehicle speed Vs is set as a torque limit value Tlim (Tlim ← Ps_reglim / Vs).

ステップS66において、ECU24は、目標トルクTtgt[N・m]を算出する。具体的には、ECU24は、仮目標トルクTtgt_pに対してトルク制限値Tlimによる制限を加えたものを目標トルクTtgtとする。例えば、仮目標トルクTtgt_pがトルク制限値Tlim以下である場合(Ttgt_p≦Tlim)、仮目標トルクTtgt_pをそのまま目標トルクTtgtとする(Ttgt←Ttgt_p)。一方、仮目標トルクTtgt_pがトルク制限値Tlimを超える場合(Ttgt_p>Tlim)、トルク制限値Tlimを目標トルクTtgtとする(Ttgt←Tlim)。   In step S66, the ECU 24 calculates a target torque Ttgt [N · m]. Specifically, the ECU 24 sets the provisional target torque Ttgt_p, which is limited by the torque limit value Tlim, as the target torque Ttgt. For example, when the temporary target torque Ttgt_p is equal to or less than the torque limit value Tlim (Ttgt_p ≦ Tlim), the temporary target torque Ttgt_p is set as the target torque Ttgt as it is (Ttgt ← Ttgt_p). On the other hand, when the temporary target torque Ttgt_p exceeds the torque limit value Tlim (Ttgt_p> Tlim), the torque limit value Tlim is set as the target torque Ttgt (Ttgt ← Tlim).

そして、算出した目標トルクTtgtを用いてモータ14を制御する。   Then, the motor 14 is controlled using the calculated target torque Ttgt.

3.各種制御の例
図25には、本実施形態に係る各種制御と比較例に係る各種制御を用いた場合のタイムチャートの例が示されている。図25の「FC電流Ifc」、「カソードストイキ比」、「FCユニットの出力効率」については、実線で示されるものが本実施形態に係るものであり、破線で示されるものが比較例に係るものである。破線で示される比較例は、第1〜第3モード(但し、第2モードでは図19のステップS52、S56のみを用いたもの)と同様の制御(すなわち、第2モードにおいて下限値lim1及び上限値lim2を用いない制御)を用いる。
3. Examples of Various Controls FIG. 25 shows an example of a time chart when various controls according to the present embodiment and various controls according to a comparative example are used. As for “FC current Ifc”, “cathode stoichiometric ratio”, and “output efficiency of FC unit” in FIG. 25, the solid line indicates the present embodiment, and the broken line indicates the comparative example. Is. The comparative example indicated by the broken line is the same control as the first to third modes (however, only the steps S52 and S56 of FIG. 19 are used in the second mode) (that is, the lower limit value lim1 and the upper limit in the second mode). Control without using the value lim2).

時点t1から時点t2までは、システム負荷Psysが閾値P1未満であるため(図11のS23:NO)、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、第3モードが選択される。時点t2から時点t4までは、システム負荷Psysが閾値P1以上閾値P2未満となるため(図11のS23:YES)、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、第2モードが選択される。   From the time point t1 to the time point t2, the system load Psys is less than the threshold value P1 (S23: NO in FIG. 11), so the third mode is selected in both the present embodiment and the comparative example. From the time point t2 to the time point t4, the system load Psys is greater than or equal to the threshold value P1 and less than the threshold value P2 (S23 in FIG. 11: YES), so the second mode is selected in both the present embodiment and the comparative example.

より具体的には、時点t2から時点t3までは、システム負荷Psysが下限値lim1以上且つ上限値lim2以下であるため(図19のS51:YES)、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、システム負荷Psysがそのまま目標FC出力Pfctgtとされ(S52)、この目標FC出力Pfctgtに応じた目標FC電流Ifctgtが設定される(S56)。   More specifically, since the system load Psys is not less than the lower limit value lim1 and not more than the upper limit value lim2 from the time point t2 to the time point t3 (S51: YES in FIG. 19), in both the present embodiment and the comparative example, The system load Psys is set as the target FC output Pfctgt as it is (S52), and the target FC current Ifctgt corresponding to the target FC output Pfctgt is set (S56).

時点t3から時点t4までは、システム負荷Psysが下限値lim1未満であるため(図19のS51:NO)、本実施形態では、第2モードにおいて相対的に高効率の発電が行われる(S53〜S56)。一方、比較例では、相対的に低効率の発電が行われる(S52、S56)(図20参照)。   From the time point t3 to the time point t4, the system load Psys is less than the lower limit lim1 (S51: NO in FIG. 19). Therefore, in the present embodiment, relatively high-efficiency power generation is performed in the second mode (S53- S56). On the other hand, in the comparative example, relatively low-efficiency power generation is performed (S52, S56) (see FIG. 20).

時点t4から時点t5までは、システム負荷Psysが閾値P1未満であるため(図11のS23:NO)、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、第3モードが選択される。時点t5以降は、システム負荷Psysが閾値P1以上閾値P2未満となるため(図11のS23:YES)、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、第2モードが選択される。   From the time point t4 to the time point t5, the system load Psys is less than the threshold value P1 (S23 in FIG. 11: NO), so the third mode is selected in both the present embodiment and the comparative example. Since the system load Psys is not less than the threshold value P1 and less than the threshold value P2 after the time point t5 (S23: YES in FIG. 11), the second mode is selected in both the present embodiment and the comparative example.

より具体的には、時点t5から時点t6まで及び時点t10から時点t11までは、システム負荷Psysが下限値lim1未満であるため(図19のS51:NO)、本実施形態では、第2モードにおいて相対的に高効率の発電が行われる一方(S53〜S56)、比較例では、相対的に低効率の発電が行われる(S52、S56)。   More specifically, since the system load Psys is less than the lower limit value lim1 from time t5 to time t6 and from time t10 to time t11 (S51: NO in FIG. 19), in the present embodiment, in the second mode While relatively high-efficiency power generation is performed (S53 to S56), in the comparative example, relatively low-efficiency power generation is performed (S52, S56).

時点t6から時点t7まで及び時点t8から時点t10までは、システム負荷Psysが下限値lim1以上且つ上限値lim2以下であるため(図19のS51:YES)、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、システム負荷Psysがそのまま目標FC出力Pfctgtとされ(S52)、この目標FC出力Pfctgtに応じた目標FC電流Ifctgtが設定される(S56)。   Since the system load Psys is not less than the lower limit value lim1 and not more than the upper limit value lim2 from the time point t6 to the time point t7 and from the time point t8 to the time point t10 (S51 in FIG. 19: YES), both the present embodiment and the comparative example The system load Psys is set as the target FC output Pfctgt as it is (S52), and the target FC current Ifctgt according to the target FC output Pfctgt is set (S56).

時点t7から時点t8までは、システム負荷Psysが上限値lim2を上回るため(図19のS51:NO)、本実施形態では、第2モードにおいて相対的に高効率の発電が行われる一方(S53〜S56)、比較例では、相対的に低効率の発電が行われる(S52、S56)。   From the time point t7 to the time point t8, the system load Psys exceeds the upper limit value lim2 (S51: NO in FIG. 19). Therefore, in the present embodiment, relatively high-efficiency power generation is performed in the second mode (S53- (S56) In the comparative example, relatively low-efficiency power generation is performed (S52, S56).

なお、時点t1から時点t9まではバッテリSOCが不感帯にあるため、回生平均補正係数αは1とされる。時点t9から時点t11まではバッテリSOCが不感帯から出るため、係数αは、回生平均電力Pregaveに応じて1とは異なる値とされる。   Note that the regenerative average correction coefficient α is set to 1 because the battery SOC is in the dead zone from time t1 to time t9. Since the battery SOC leaves the dead zone from time t9 to time t11, the coefficient α is set to a value different from 1 depending on the regenerative average power Pregave.

4.本実施形態の効果
以上説明したように、本実施形態によれば、電圧固定・電流可変制御(第2モード)によりFC40の劣化を抑制しつつ、電圧固定・電流可変制御中におけるFCシステム12(FCユニット18)全体の出力効率を向上することが可能となる。
4). Effects of the Present Embodiment As described above, according to the present embodiment, the FC system 12 (during the voltage fixing / current variable control) while suppressing the deterioration of the FC 40 by the voltage fixing / current variable control (second mode). The overall output efficiency of the FC unit 18) can be improved.

すなわち、電圧固定・電流可変制御(第2モード)では、FC電圧Vfcを酸化還元領域R3外の特定電圧値(0.8V×セル数)に固定させるため、FC電圧Vfcが領域R3内に入ることによるFC40の劣化を避けることができる。   That is, in the voltage fixing / current variable control (second mode), the FC voltage Vfc enters the region R3 in order to fix the FC voltage Vfc to a specific voltage value (0.8 V × number of cells) outside the redox region R3. It is possible to avoid the deterioration of FC40 due to the above.

また、本実施形態によれば、システム負荷Psysが下限値lim1以上且つ上限値lim2以下の場合、特定電圧値への固定及びシステム負荷Psysへの追従を続けて実行し、システム負荷Psysが下限値lim1を下回る又は上限値lim2を上回る場合、特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、FC出力Pfcが効率最高領域Rhieff内の値(最高効率実現出力Phieff)になるようにエアポンプ60を制御する。このため、FCユニット18の出力効率E2が過度に悪化する出力領域を下限値lim1及び上限値lim2により設定しておけば、出力効率E2が過度に悪化する領域に対応するシステム負荷Psysがあった場合には、むしろ高い出力効率でFC40を発電させ、その余剰分をバッテリ20に充電することが可能となる。その結果、FCシステム12全体としての発電効率を高めることが可能となる。   Further, according to the present embodiment, when the system load Psys is not less than the lower limit value lim1 and not more than the upper limit value lim2, fixing to the specific voltage value and following the system load Psys are continuously performed, and the system load Psys is the lower limit value. When it is less than lim1 or exceeds the upper limit value lim2, the air pump 60 is controlled so that the FC output Pfc becomes a value within the maximum efficiency range Rhieff (maximum efficiency achievement output Phieff) while continuing to be fixed to a specific voltage value. To do. For this reason, if the output region where the output efficiency E2 of the FC unit 18 is excessively deteriorated is set by the lower limit value lim1 and the upper limit value lim2, there is a system load Psys corresponding to the region where the output efficiency E2 is excessively deteriorated. In this case, it is possible to generate the FC 40 with rather high output efficiency and charge the battery 20 with the surplus. As a result, the power generation efficiency of the FC system 12 as a whole can be increased.

本実施形態において、システム負荷Psysが下限値をlim1を下回る又は上限値lim2を上回る場合、回生平均補正係数αにより補正した目標FC出力Pfctgtを用いて、バッテリSOCが基準値Srefに近づくように、FC出力Pfcをエアポンプ60により調整する。これにより、バッテリSOCを良好に制御することが可能となる。   In the present embodiment, when the system load Psys is lower than the lower limit value lim1 or higher than the upper limit value lim2, the target SOC output Pfctgt corrected by the regenerative average correction coefficient α is used so that the battery SOC approaches the reference value Sref. The FC output Pfc is adjusted by the air pump 60. Thereby, battery SOC can be controlled satisfactorily.

本実施形態において、FCシステム12は、車両10に搭載されるシステムであり、システム負荷Psysが下限値lim1を下回り又は上限値lim2を上回る場合、回生履歴としての平均回生電力Pregaveに基づいてFC出力Pfcをエアポンプ60により調整する。これにより、バッテリSOCを良好に制御することが可能となる。   In the present embodiment, the FC system 12 is a system mounted on the vehicle 10, and when the system load Psys is below the lower limit lim1 or exceeds the upper limit lim2, the FC output is based on the average regenerative power Pregave as the regeneration history. Pfc is adjusted by the air pump 60. Thereby, battery SOC can be controlled satisfactorily.

5.変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
5. Modifications It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted based on the contents described in this specification. For example, the following configuration can be adopted.

[5−1.搭載対象]
上記実施形態では、FCシステム12をFC車両10に搭載したが、これに限らず、電圧固定・電流可変制御(電圧固定・出力可変制御)を適用可能な別の対象に搭載してもよい。例えば、FCシステム12を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ロボットアーム、クレーン又はバランサ等の可動機構に適用することもできる。或いは、FCシステム12を家庭用電力システムに適用してもよい。
[5-1. Installation target]
In the above embodiment, the FC system 12 is mounted on the FC vehicle 10, but is not limited thereto, and may be mounted on another target to which voltage fixing / current variable control (voltage fixing / output variable control) can be applied. For example, the FC system 12 can be used for a moving body such as a ship or an aircraft. Alternatively, it can be applied to a movable mechanism such as a robot arm, a crane, or a balancer. Alternatively, the FC system 12 may be applied to a household power system.

[5−2.FCシステム12の構成]
上記実施形態では、FC40と高電圧バッテリ20を並列に配置し、バッテリ20の手前にDC/DCコンバータ22を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、図26に示すように、FC40とバッテリ20を並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のDC/DCコンバータ22をFC40の手前に配置する構成であってもよい。或いは、図27に示すように、FC40とバッテリ20を並列に配置し、FC40の手前に昇圧式、降圧式又は昇降圧式のDC/DCコンバータ22aを、バッテリ20の手前にDC/DCコンバータ22を配置する構成であってもよい。或いは、図28に示すように、FC40とバッテリ20を直列に配置し、バッテリ20とモータ14の間にDC/DCコンバータ22を配置する構成であってもよい。
[5-2. Configuration of FC system 12]
In the above embodiment, the FC 40 and the high voltage battery 20 are arranged in parallel, and the DC / DC converter 22 is arranged in front of the battery 20, but this is not restrictive. For example, as shown in FIG. 26, the FC 40 and the battery 20 may be arranged in parallel, and the step-up, step-down or step-up / step-down DC / DC converter 22 may be arranged in front of the FC 40. Alternatively, as shown in FIG. 27, the FC 40 and the battery 20 are arranged in parallel. The structure to arrange | position may be sufficient. Alternatively, as shown in FIG. 28, the FC 40 and the battery 20 may be arranged in series, and the DC / DC converter 22 may be arranged between the battery 20 and the motor 14.

[5−3.ストイキ比]
上記実施形態では、ストイキ比を調整する手段又は方法として、目標酸素濃度Cotgtを調整するものを用いたが、これに限らず、目標水素濃度を調整することも可能である。また、目標濃度の代わりに、目標流量又は目標濃度と目標流量の両方を用いることもできる。
[5-3. Stoichi ratio]
In the above embodiment, the means or method for adjusting the stoichiometric ratio is one that adjusts the target oxygen concentration Cotgt. However, the present invention is not limited to this, and the target hydrogen concentration can also be adjusted. Further, instead of the target concentration, the target flow rate or both the target concentration and the target flow rate can be used.

上記実施形態では、酸素を含む空気を供給するエアポンプ60を備える構成を例示したが、これに代えて又は加えて、水素を供給する水素ポンプを備える構成としてもよい。   In the said embodiment, although the structure provided with the air pump 60 which supplies the air containing oxygen was illustrated, it is good also as a structure provided with the hydrogen pump which supplies hydrogen instead of or in addition to this.

[5−4.電力供給モード]
上記実施形態では、電力供給モードとして、第1〜第3モードを用いたが、少なくとも第2モードさえ用いれば、本発明を適用可能である。
[5-4. Power supply mode]
In the above embodiment, the first to third modes are used as the power supply mode, but the present invention can be applied as long as at least the second mode is used.

上記実施形態では、第2モードにおける目標FC電圧Vfctgtを電位v2(=0.8V)×セル数に設定したが、これに限らない。第2モードにおける目標FC電圧Vfctgtを、例えば、還元領域R2内又は酸化領域R4内のその他の電位に設定してもよい。   In the above embodiment, the target FC voltage Vfctgt in the second mode is set to the potential v2 (= 0.8 V) × the number of cells, but this is not restrictive. For example, the target FC voltage Vfctgt in the second mode may be set to another potential in the reduction region R2 or the oxidation region R4.

上記実施形態では、第2モードにおいて酸素濃度Coを制御するために、循環弁開度θc、エアポンプ回転数Nap及び背圧弁開度θbpを可変としたが、酸素濃度Coを制御できるものであれば、これに限らない。例えば、エアポンプ回転数Napは一定とし、循環弁開度θcを可変とすることもできる。これにより、エアポンプ60の出力音が一定となるため、当該出力音が可変となることにより乗員に与える違和感を防止することが可能となる。   In the above embodiment, in order to control the oxygen concentration Co in the second mode, the circulation valve opening degree θc, the air pump rotation speed Nap, and the back pressure valve opening degree θbp are made variable. However, as long as the oxygen concentration Co can be controlled. Not limited to this. For example, the air pump rotation speed Nap may be constant, and the circulation valve opening degree θc may be variable. Thereby, since the output sound of the air pump 60 becomes constant, it becomes possible to prevent a sense of discomfort given to the occupant by making the output sound variable.

上記実施形態では、下限値lim1と上限値lim2の両方を用いたが、いずれか一方のみを用いることもできる。   In the above embodiment, both the lower limit value lim1 and the upper limit value lim2 are used, but only one of them can be used.

上記実施形態では、システム負荷Psysが下限値lim1を下回り又は上限値lim2を上回る場合、最高効率実現出力Phieffを仮目標FC出力Pfctgt_tとしたが、最高効率実現領域RHieff内の値であれば別の値であってもよい。或いは、少なくとも下限値lim1と上限値lim2の間を仮目標FC出力Pfctgt_tとして設定することも可能である。例えば、システム負荷Psysが下限値lim1を下回る場合、下限値lim1を仮目標FC出力Pfctgt_tとすることも可能である。同様に、システム負荷Psysが上限値lim2を下回る場合、上限値lim2を仮目標FC出力Pfctgt_tとすることも可能である。   In the above embodiment, when the system load Psys falls below the lower limit value lim1 or exceeds the upper limit value lim2, the maximum efficiency realized output Phieff is set as the temporary target FC output Pfctgt_t. It may be a value. Alternatively, at least the range between the lower limit value lim1 and the upper limit value lim2 can be set as the temporary target FC output Pfctgt_t. For example, when the system load Psys is less than the lower limit value lim1, the lower limit value lim1 can be set as the temporary target FC output Pfctgt_t. Similarly, when the system load Psys is less than the upper limit value lim2, the upper limit value lim2 can be set as the temporary target FC output Pfctgt_t.

上記実施形態では、回生平均補正係数αを用いたが、係数αを用いない構成も可能である。   In the above embodiment, the regenerative average correction coefficient α is used. However, a configuration in which the coefficient α is not used is also possible.

10…燃料電池車両 12…燃料電池システム
14…走行用のモータ(負荷) 16…インバータ(負荷)
20…高電圧バッテリ(蓄電装置)
22…DC/DCコンバータ(電圧調整手段)
24…ECU(制御手段) 40…燃料電池スタック
60…エアポンプ(ガス供給手段、負荷) 66…循環弁(ガス供給手段)
80…ウォータポンプ(負荷) 90…エアコンディショナ(負荷)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell vehicle 12 ... Fuel cell system 14 ... Motor for driving | running | working (load) 16 ... Inverter (load)
20 ... High voltage battery (power storage device)
22 ... DC / DC converter (voltage adjusting means)
24 ... ECU (control means) 40 ... Fuel cell stack 60 ... Air pump (gas supply means, load) 66 ... Circulation valve (gas supply means)
80 ... Water pump (load) 90 ... Air conditioner (load)

Claims (3)

触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電する燃料電池と、
前記酸素及び前記水素の少なくとも一方を、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、
前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整手段と、
前記燃料電池の出力電力により駆動される負荷と、
前記燃料電池から前記負荷へ供給される前記出力電力の余剰分を蓄電し、不足分を前記負荷へ供給する蓄電装置と
を備える燃料電池システムであって、更に、
前記負荷の要求出力を検出すると共に、前記燃料電池、前記ガス供給手段及び前記電圧調整手段を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、前記電圧調整手段を制御して前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の特定電圧値に固定させた状態で、前記ガス供給手段を制御して前記燃料電池に供給する前記酸素又は前記水素の濃度を前記負荷の要求出力に追従させるように変動させる電圧固定・出力可変制御を実行するものであり、
前記燃料電池の通常発電状態において前記酸化還元進行電圧範囲に対応する前記燃料電池の出力範囲を酸化還元進行出力範囲と定義するとき、前記電圧固定・出力可変制御は、前記負荷の要求出力が前記酸化還元進行出力範囲内である場合に実行され、
さらに、前記電圧固定・出力可変制御では、
前記燃料電池の出力電圧を前記特定電圧値に固定しつつ前記酸素又は前記水素の濃度を変動させた場合に前記燃料電池システムの出力効率が最高となる前記燃料電池の出力領域である効率最高領域を挟んで定められる前記燃料電池の上限出力値と下限出力値とが設定され、
前記負荷の要求出力が前記下限出力値を上回り且つ前記上限出力値を下回る場合、前記特定電圧値への固定及び前記負荷の要求出力への追従を続けて実行し、
前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回る又は前記上限出力値を上回る場合、前記特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、前記燃料電池の出力が前記効率最高領域内の値になるように前記ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell having a catalyst and generating electricity by reacting oxygen or hydrogen with the catalyst;
Gas supply means for supplying at least one of the oxygen and the hydrogen to the fuel cell;
Voltage adjusting means for adjusting the output voltage of the fuel cell;
A load driven by the output power of the fuel cell;
A fuel cell system comprising: a power storage device that stores a surplus of the output power supplied from the fuel cell to the load and supplies a shortage to the load;
A control means for detecting the required output of the load and for controlling the fuel cell, the gas supply means and the voltage adjustment means;
The control means controls the gas supply means and supplies the fuel cell to the fuel cell in a state where the output voltage of the fuel cell is fixed to a specific voltage value outside the oxidation-reduction progress voltage range by controlling the voltage adjusting means. Performing a voltage fixing / output variable control for varying the oxygen or hydrogen concentration so as to follow the required output of the load,
When the output range of the fuel cell corresponding to the oxidation-reduction progress voltage range in the normal power generation state of the fuel cell is defined as the oxidation-reduction progress output range, the voltage fixing / output variable control is such that the required output of the load is It is executed when it is within the redox progress output range,
Furthermore, in the voltage fixing / output variable control,
The maximum efficiency region, which is the output region of the fuel cell, where the output efficiency of the fuel cell system is maximum when the concentration of the oxygen or the hydrogen is varied while fixing the output voltage of the fuel cell to the specific voltage value. An upper limit output value and a lower limit output value of the fuel cell determined by sandwiching
When the required output of the load exceeds the lower limit output value and falls below the upper limit output value, the fixed output to the specific voltage value and the follow-up to the required output of the load are continuously executed.
When the required output of the load is lower than the lower limit output value or higher than the upper limit output value, the output of the fuel cell becomes a value within the maximum efficiency range while continuously fixing to the specific voltage value. The fuel supply system is characterized by controlling the gas supply means as described above.
請求項1記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回る又は前記上限出力値を上回る場合、前記蓄電装置の残容量が目標値に近づくように、前記燃料電池の出力を前記ガス供給手段により調整する
ことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein
When the required output of the load is less than the lower limit output value or exceeds the upper limit output value, the output of the fuel cell is adjusted by the gas supply means so that the remaining capacity of the power storage device approaches a target value. A fuel cell system.
請求項1又は2記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムは、車両に搭載されるシステムであり、
前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回り又は前記上限出力値を上回る場合、回生履歴に基づいて前記燃料電池の出力を前記ガス供給手段により調整する
ことを特徴とする燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The fuel cell system is a system mounted on a vehicle,
When the required output of the load falls below the lower limit output value or exceeds the upper limit output value, the output of the fuel cell is adjusted by the gas supply means based on the regeneration history.
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