JP2013218789A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system which can eliminate the effect of an error in the degree of opening of a three-way valve distributing oxidation gas between a fuel cell side and a bypass passage side as much as possible.SOLUTION: It is on the basis of a targeted volumetric flow rate corresponding to the working point of an air compressor consuming regeneration requests from a load side (step S03), a required flow rate of oxidant gas needed for high potential avoidance voltage power generation by a fuel cell (step S02), and an oxidant gas sent to a bypass passage side calculated as a difference between the foregoing that the degree of opening of a three-way valve is determined as a working point which is set so that a sum total of effective sectional areas on the oxidant gas introduction path and the bypass passage sides is above an equal power line and that the thermal load of the air compressor is equal to or less than a designated value (step S04).

Description

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

燃料電池システムを搭載する燃料電池車両では、例えば、長い下り坂を走行しているときには、駆動モーターを回生させてエンジンブレーキ相当のトルクを発生させるとともに、回生により生ずる回生電力を二次電池であるバッテリーに充電させている。しかしながら、バッテリーの充電容量には限界があるため、バッテリーの充電容量を超えてもなおブレーキトルクを確保させようとすると、余剰の回生電力をどこかで消費させる必要がある。このような余剰回生電力をエアコンプレッサーで消費させる技術が知られている。そして、この技術では、エアコンプレッサーで酸化ガスを供給することによって生じ得るドライアップを防止するために、燃料電池に供給される酸化ガスの流量をバイパス弁と背圧弁によって制御している。   In a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system, for example, when traveling on a long downhill, a drive motor is regenerated to generate torque equivalent to engine braking, and regenerative power generated by regeneration is a secondary battery. The battery is charging. However, since the charge capacity of the battery is limited, it is necessary to consume surplus regenerative power somewhere in order to ensure brake torque even when the charge capacity of the battery is exceeded. A technique for consuming such surplus regenerative power with an air compressor is known. In this technique, the flow rate of the oxidant gas supplied to the fuel cell is controlled by a bypass valve and a back pressure valve in order to prevent dry-up that may occur when the oxidant gas is supplied by an air compressor.

ところで、背圧弁は、一般的にモーターで弁開度を調整して圧力を調整する弁であるため、そのシール性は低くなる。特許文献１の技術では、回生時にエアコンプレッサーから供給される酸化ガスが燃料電池内に流入しないように、バイパス弁の弁開度を制御している。しかしながら、余剰回生電力の増大に伴ってコンプレッサーから供給される酸化ガスの流量が増大すると、シール性の低い背圧弁から酸化ガスが漏れ出してしまい、燃料電池内に必要以上に酸化ガスが流入してしまうことも考えられる。この場合には、燃料電池内が乾燥し、ドライアップになるおそれがある。   By the way, the back pressure valve is generally a valve that adjusts the pressure by adjusting the valve opening degree with a motor, so that the sealing performance is low. In the technique of Patent Document 1, the opening degree of the bypass valve is controlled so that the oxidizing gas supplied from the air compressor does not flow into the fuel cell during regeneration. However, if the flow rate of the oxidizing gas supplied from the compressor increases with an increase in surplus regenerative power, the oxidizing gas leaks from the back pressure valve with low sealing performance, and the oxidizing gas flows into the fuel cell more than necessary. It is also possible that In this case, there is a possibility that the inside of the fuel cell is dried and dry up.

そこで下記特許文献１では、燃料電池内の乾燥を抑制することができる燃料電池システムが提案されている。下記特許文献１に記載されている燃料電池システムは、燃料電池と、酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路に設けられるコンプレッサーと、酸化オフガスを排出する酸化オフガス排出流路と、酸化オフガス排出流路に設けられる背圧弁と、を備える。燃料電池システムは更に、酸化ガス供給流路のコンプレッサーの下流側から分岐し、燃料電池をバイパスして酸化オフガス排出流路に合流するバイパス流路と、バイパス流路に設けられ、酸化ガス供給流路から酸化オフガス排出流路に合流させる酸化ガスの流量を調整する調整弁と、酸化ガス供給流路のうちのバイパス流路への分岐点よりも下流側または酸化オフガス排出流路のうちのバイパス流路との合流点よりも上流側のいずれか一方に設けられる遮断弁と、燃料電池の電力で駆動する駆動部による回生動作時に、コンプレッサーを駆動させ、調整弁を開弁させ、遮断弁を閉弁させる制御手段と、を備える。   Therefore, in the following Patent Document 1, a fuel cell system capable of suppressing drying in the fuel cell is proposed. The fuel cell system described in Patent Document 1 below includes a fuel cell, an oxidizing gas supply channel that supplies oxidizing gas to the fuel cell, a compressor that is provided in the oxidizing gas supply channel, and an oxidation that discharges oxidation off-gas. An off-gas discharge passage and a back pressure valve provided in the oxidation off-gas discharge passage. The fuel cell system further includes a bypass channel that branches from the downstream side of the compressor of the oxidizing gas supply channel, bypasses the fuel cell and merges with the oxidizing off-gas discharge channel, and the bypass channel. A regulating valve that adjusts the flow rate of the oxidizing gas to be merged from the passage to the oxidizing off-gas discharge channel, and a bypass downstream of the branch point to the bypass channel in the oxidizing gas supply channel or in the oxidizing off-gas discharge channel During the regenerative operation by the shutoff valve provided upstream of the junction with the flow path and the drive unit driven by the power of the fuel cell, the compressor is driven, the regulating valve is opened, and the shutoff valve is opened. Control means for closing the valve.

特開２０１０−１４６７４９号公報JP 2010-146749 A

上述した従来の燃料電池システムによれば、駆動部による回生動作が行われた場合に、コンプレッサーを駆動させることで回生電力を消費させることができ、調整弁を開弁させることでコンプレッサーから吐出される酸化ガスを、バイパス流路を介して酸化オフガス排出流路に排出させることができ、遮断弁を閉弁させることで燃料電池内への酸化ガスの流入を遮断することができる。従って、回生動作を継続させつつ、ドライアップを防止することができるものである。   According to the above-described conventional fuel cell system, when the regenerative operation by the drive unit is performed, the regenerative electric power can be consumed by driving the compressor, and the discharge is discharged from the compressor by opening the adjustment valve. The oxidizing gas can be discharged to the oxidizing off-gas discharge channel via the bypass channel, and the inflow of the oxidizing gas into the fuel cell can be blocked by closing the shutoff valve. Therefore, dry-up can be prevented while continuing the regenerative operation.

しかしながら、上述した従来の技術では、酸化ガスを燃料電池に供給する流量と、酸化ガスをバイパス流路へ供給する流量とを調整する調整弁の具体的な制御方法が明らかになっていない。この調整弁として用いられる三方弁の誤差により、流量比が変化してしまうことから、正確な制御が必要になる。   However, in the above-described conventional technology, a specific control method of the regulating valve that adjusts the flow rate of supplying the oxidizing gas to the fuel cell and the flow rate of supplying the oxidizing gas to the bypass channel has not been clarified. Since the flow rate ratio changes due to the error of the three-way valve used as the regulating valve, accurate control is required.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池を備える燃料電池システムであって、酸化ガスを燃料電池側とバイパス流路側とに振り分ける三方弁の開度誤差による影響を極力排除可能な燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is a fuel cell system including a fuel cell, in which an opening error of a three-way valve that distributes oxidizing gas into a fuel cell side and a bypass channel side. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can eliminate the influence of the above as much as possible.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する複数の単セルからなるセルスタックを有する燃料電池と、燃料電池の発電によって駆動される負荷と、燃料電池に酸化剤ガスを送り込むための酸化剤ガス導入路と、燃料電池において発電反応に寄与した後の酸化剤オフガスを排出するための酸化剤ガス排出路と、酸化剤ガス導入路の燃料電池よりも上流側から分岐するバイパス流路と、酸化剤導入路とバイパス流路とが繋がれる部分に設けられた三方弁とを有する酸化剤ガス供給手段と、酸化剤ガス導入路に酸化剤ガスを送り込みエアコンプレッサーと、を備える。三方弁の開度は、負荷側からの回生要求を消費するエアコンプレッサーの動作点に対応する狙いの体積流量と、前記燃料電池の高電位回避電圧発電に必要とされる酸化剤ガスの必要流量と、それらの差分として求められる前記バイパス流路側に流す酸化剤ガスの流量と、に基づいて、前記酸化剤ガス導入路側と前記バイパス流路側の合計の有効断面積が、等パワーラインよりも上で且つ、エアコンプレッサーの熱負荷が所定値以下となるように設定される動作点として決定される。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is driven by a fuel cell having a cell stack composed of a plurality of single cells that generate power upon receipt of fuel gas and oxidant gas, and power generation by the fuel cell. Load, an oxidant gas introduction path for sending oxidant gas into the fuel cell, an oxidant gas discharge path for discharging the oxidant off-gas after contributing to the power generation reaction in the fuel cell, and an oxidant gas An oxidant gas supply means having a bypass flow path branched from the upstream side of the fuel cell of the introduction path, and a three-way valve provided in a portion where the oxidant introduction path and the bypass flow path are connected, and oxidant gas introduction An oxidant gas is fed into the road, and an air compressor is provided. The opening of the three-way valve is the target volumetric flow rate corresponding to the operating point of the air compressor that consumes the regeneration request from the load side, and the required flow rate of oxidant gas required for high potential avoidance voltage power generation of the fuel cell And the total effective sectional area of the oxidant gas introduction path side and the bypass flow path side is higher than the equal power line based on the flow rate of the oxidant gas flowing to the bypass flow path side obtained as a difference between them. And it is determined as an operating point set so that the heat load of an air compressor may become below a predetermined value.

本発明によれば、三方弁の開度に誤差が発生しても、有効断面積の変動を抑制することができる。   According to the present invention, even if an error occurs in the opening degree of the three-way valve, fluctuations in the effective cross-sectional area can be suppressed.

また本発明に係る燃料電池システムでは、三方弁の動作点は、バルブの有効径を満たし、エアコンプレッサーの圧力比が小さく且つその体積流量が大きくなる点であることも好ましい。   In the fuel cell system according to the present invention, it is also preferable that the operating point of the three-way valve is that the effective diameter of the valve is satisfied, the pressure ratio of the air compressor is small, and the volume flow rate is large.

この好ましい態様では、三方弁の開度に誤差が発生しても、有効断面積の変動をより確実に抑制することができる。   In this preferable aspect, even if an error occurs in the opening degree of the three-way valve, it is possible to more reliably suppress the variation in the effective sectional area.

本発明によれば、酸化ガスを燃料電池側とバイパス流路側とに振り分ける三方弁の開度誤差による影響を極力排除可能な燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can eliminate the influence by the opening degree error of the three-way valve which distributes oxidizing gas into the fuel cell side and a bypass flow path side as much as possible can be provided.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図１に示す燃料電池システムの運転制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation control of the fuel cell system shown in FIG. 体積流量と圧力比との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a volume flow rate and a pressure ratio. 図１の三方弁として用いられるバルブの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the valve | bulb used as a three-way valve of FIG. バルブ開度と有効断面積との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a valve opening degree and an effective area.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＳは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができる。   First, a fuel cell system FS mounted on a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a system configuration of a fuel cell system FS that functions as an in-vehicle power supply system for a fuel cell vehicle. The fuel cell system FS can be mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle (FCHV), an electric vehicle, or a hybrid vehicle.

燃料電池システムＦＳは、燃料電池ＦＣと、酸化ガス供給系ＡＳＳと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、駆動系ＨＶＳと、冷却系ＣＳと、を備えている。   The fuel cell system FS includes a fuel cell FC, an oxidizing gas supply system ASS, a fuel gas supply system FSS, a drive system HVS, and a cooling system CS.

酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。駆動系ＨＶＳは、駆動モーターＤＭａに電力を供給して駆動する系であって、ハイブリッドシステムを構成する系である。冷却系ＣＳは、燃料電池ＦＣを冷却するための系である。駆動モーターＤＭａは、車輪９２，９２を駆動するモーターである。   The oxidizing gas supply system ASS is a system for supplying air as an oxidizing gas to the fuel cell FC. The fuel gas supply system FSS is a system for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell FC. The drive system HVS is a system that drives by supplying electric power to the drive motor DMa, and constitutes a hybrid system. The cooling system CS is a system for cooling the fuel cell FC. The drive motor DMa is a motor that drives the wheels 92 and 92.

燃料電池系ＦＣＳについて説明する。燃料電池系ＦＣＳが含む燃料電池ＦＣは、多数のセルＣＥ（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ （２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ （３） The fuel cell system FCS will be described. The fuel cell FC included in the fuel cell system FCS is configured as a solid polymer electrolyte type cell stack formed by stacking a number of cells CE (a single battery (a power generator) including an anode, a cathode, and an electrolyte) in series. Has been. In a normal operation, the fuel cell FC undergoes an oxidation reaction of formula (1) at the anode and a reduction reaction of formula (2) at the cathode. The fuel cell FC as a whole undergoes an electromotive reaction of the formula (3).
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

更に、燃料電池系ＦＣＳは、燃料電池ＦＣと燃料ガス供給系ＦＳＳとを繋ぐ領域に、水素ポンプＨＰａと、排気排水弁ＥＶｃと、を有している。   Further, the fuel cell system FCS has a hydrogen pump HPa and an exhaust drainage valve EVc in a region connecting the fuel cell FC and the fuel gas supply system FSS.

燃料電池ＦＣに供給された燃料ガスは、燃料電池ＦＣの内部で起電反応に寄与し、オフガスとして燃料電池ＦＣから排出される。燃料電池ＦＣから排出された燃料オフガスは、一部は水素ポンプＨＰａによって還流され、燃料ガス供給系ＦＳＳから供給される燃料ガスと共に燃料電池ＦＣに再供給される。また、燃料オフガスの一部は排気排水弁ＥＶｃの作動によって、燃料オフガス流路ＦＳ２を通って、酸化オフガスと共に排出される。   The fuel gas supplied to the fuel cell FC contributes to the electromotive reaction inside the fuel cell FC, and is discharged from the fuel cell FC as off-gas. Part of the fuel off-gas discharged from the fuel cell FC is recirculated by the hydrogen pump HPa and re-supplied to the fuel cell FC together with the fuel gas supplied from the fuel gas supply system FSS. Further, part of the fuel off-gas is discharged together with the oxidation off-gas through the fuel off-gas flow path FS2 by the operation of the exhaust drain valve EVc.

排気排水弁ＥＶｃは、コントローラーＥＣＵからの指令によって作動することにより、循環流路内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁ＥＶｃの開弁により、循環流路内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。   The exhaust / drain valve EVc is a valve for discharging the fuel off-gas containing impurities in the circulation flow path and moisture to the outside by operating according to a command from the controller ECU. By opening the exhaust / drain valve EVc, the concentration of impurities in the fuel off-gas in the circulation flow path can be lowered, and the hydrogen concentration in the fuel off-gas circulating in the circulation system can be increased.

排気排水弁ＥＶｃを介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路ＡＳ２を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図１に明示せず）によって希釈されマフラー（図１に明示せず）に供給される。   The fuel off-gas discharged through the exhaust / drain valve EVc is mixed with the oxidant off-gas flowing through the oxidant off-gas passage AS2, diluted by a diluter (not explicitly shown in FIG. 1), and sent to the muffler (not explicitly shown in FIG. 1). Supplied.

続いて、燃料ガス供給系ＦＳＳについて説明する。燃料ガス供給系ＦＳＳは、高圧水素タンクＦＳ１と、電磁弁ＤＶａとを有している。   Next, the fuel gas supply system FSS will be described. The fuel gas supply system FSS has a high-pressure hydrogen tank FS1 and a solenoid valve DVa.

高圧水素タンクＦＳ１は、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。   The high-pressure hydrogen tank FS1 stores high-pressure (for example, 35 MPa to 70 MPa) hydrogen gas.

電磁弁ＤＶａは、燃料ガスの燃料電池ＦＣに対する供給圧力を調整しつつ、燃料ガスの燃料電池ＦＣへの供給・停止を調整する弁である。燃料ガスは、電磁弁ＤＶａにより、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池ＦＣに供給される。   The electromagnetic valve DVa is a valve that adjusts the supply / stop of the fuel gas to the fuel cell FC while adjusting the supply pressure of the fuel gas to the fuel cell FC. The fuel gas is decompressed to about 200 kPa, for example, by the electromagnetic valve DVa and supplied to the fuel cell FC.

続いて、酸化ガス供給系ＡＳＳについて説明する。酸化ガス供給系ＡＳＳは、エアコンプレッサー６２と、三方弁ＴＶａと、統合弁ＤＶｂとを備えている。酸化ガス供給系ＡＳＳは、燃料電池ＦＣのカソードに供給される酸化ガスとしての空気が流れる酸化ガス流路ＡＳ１と、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス流路ＡＳ２とを有している。   Next, the oxidizing gas supply system ASS will be described. The oxidizing gas supply system ASS includes an air compressor 62, a three-way valve TVa, and an integrated valve DVb. The oxidant gas supply system ASS has an oxidant gas passage AS1 through which air as an oxidant gas supplied to the cathode of the fuel cell FC flows, and an oxidant offgas passage AS2 through which the oxidant offgas discharged from the fuel cell FC flows. ing.

エアコンプレッサー６２と、三方弁ＴＶａとは、酸化ガス流路ＡＳ１の入口側から燃料電池ＦＣに向かって順に配置されている。統合弁ＤＶｂは、酸化オフガス流路ＡＳ２に配置されている。統合弁ＤＶｂは、背圧調整弁として機能する。   The air compressor 62 and the three-way valve TVa are sequentially arranged from the inlet side of the oxidizing gas flow path AS1 toward the fuel cell FC. The integrated valve DVb is disposed in the oxidation off gas flow path AS2. The integrated valve DVb functions as a back pressure adjustment valve.

三方弁ＴＶａは、酸化ガス流路ＡＳ１を燃料電池ＦＣ側に流す空気と、酸化ガス流路ＡＳ１と酸化オフガス流路ＡＳ２とを繋ぐバイパス流路６９へ流す空気とを調整するための弁である。燃料電池ＦＣ側に多くの空気が必要とされる場合は、燃料電池ＦＣ側に多くの空気を流すように開度を調整し、燃料電池ＦＣ側に多くの空気が必要とされない場合は、バイパス流路６９側へ多くの空気を流すように開度を調整する。燃料電池ＦＣと統合弁ＤＶｂとの間には、圧力センサＰｔが設けられている。   The three-way valve TVa is a valve for adjusting the air flowing through the oxidizing gas passage AS1 to the fuel cell FC side and the air flowing through the bypass passage 69 connecting the oxidizing gas passage AS1 and the oxidizing off-gas passage AS2. . If a large amount of air is required on the fuel cell FC side, adjust the opening so that a large amount of air flows on the fuel cell FC side. If a large amount of air is not required on the fuel cell FC side, bypass it. The opening degree is adjusted so that a large amount of air flows to the flow path 69 side. A pressure sensor Pt is provided between the fuel cell FC and the integrated valve DVb.

続いて、駆動系ＨＶＳについて説明する。駆動系ＨＶＳは、燃料電池昇圧部と、パワーコントロールユニットと、二次電池ＢＴａと、を備える。燃料電池昇圧部は、燃料電池昇圧コンバーター（出力供給部）と、リレーとを有している。燃料電池昇圧コンバーターは、燃料電池ＦＣが発電した直流電力を昇圧してパワーコントロールユニットに供給する。この昇圧コンバーターによる電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。   Next, the drive system HVS will be described. The drive system HVS includes a fuel cell booster, a power control unit, and a secondary battery BTa. The fuel cell boosting unit includes a fuel cell boosting converter (output supply unit) and a relay. The fuel cell boost converter boosts DC power generated by the fuel cell FC and supplies the boosted DC power to the power control unit. The voltage conversion control by the boost converter controls the operating point (output terminal voltage, output current) of the fuel cell FC.

パワーコントロールユニットは、バッテリー昇圧コンバーターと、トラクションインバーターと、を有している。燃料電池昇圧コンバーターから供給された電力は、バッテリー昇圧コンバーター及びトラクションインバーターに供給される。   The power control unit has a battery boost converter and a traction inverter. The electric power supplied from the fuel cell boost converter is supplied to the battery boost converter and the traction inverter.

バッテリー昇圧コンバーターは、二次電池ＢＴａから供給される直流電力を昇圧してトラクションインバーターに出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、回生制動により駆動モーターＤＭａが回収した回生電力を降圧して二次電池ＢＴａに充電する機能を有する。   The battery boost converter steps down the DC power supplied from the secondary battery BTa and outputs it to the traction inverter, the DC power generated by the fuel cell FC, and the regenerative power recovered by the drive motor DMa by regenerative braking. And has a function of charging the secondary battery BTa.

二次電池ＢＴａは、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池ＢＴａとしては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。二次電池ＢＴａには、充電率を測定するＳＯＣセンサＴｇが設けられている。   The secondary battery BTa functions as a surplus power storage source, a regenerative energy storage source during regenerative braking, and an energy buffer during load fluctuations associated with acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle. As the secondary battery BTa, for example, a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is suitable. The secondary battery BTa is provided with an SOC sensor Tg for measuring the charging rate.

トラクションインバーターは、駆動モーターＤＭａに繋がれている。トラクションインバーターは、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバーターである。トラクションインバーターは、コントローラーＥＣＵからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又は二次電池ＢＴａから出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、駆動モーターＤＭａの回転トルクを制御する。駆動モーターＤＭａは、例えば、三相交流モーターであり、燃料電池車両の動力源を構成する。   The traction inverter is connected to the drive motor DMa. The traction inverter is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method. The traction inverter converts the DC voltage output from the fuel cell FC or the secondary battery BTa into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from the controller ECU, and controls the rotational torque of the drive motor DMa. The drive motor DMa is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a power source of the fuel cell vehicle.

続いて、冷却系ＣＳについて説明する。冷却系ＣＳは、メインラジエーターＲＭａと、ウォーターポンプＷＰａとを有している。   Subsequently, the cooling system CS will be described. The cooling system CS has a main radiator RMa and a water pump WPa.

メインラジエーターＲＭａには、メインラジエーターファンが設けられている。メインラジエーターＲＭａは、燃料電池ＦＣを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。   The main radiator RMa is provided with a main radiator fan. The main radiator RMa radiates and cools the coolant for cooling the fuel cell FC.

ウォーターポンプＷＰａは、冷却液を燃料電池ＦＣとメインラジエーターＲＭａとの間で循環させるためのポンプである。ウォーターポンプＷＰａが作動することで、冷却液はメインラジエーターＲＭａから燃料電池ＦＣへと冷却液往路を通って流れる。   The water pump WPa is a pump for circulating the coolant between the fuel cell FC and the main radiator RMa. By operating the water pump WPa, the coolant flows from the main radiator RMa to the fuel cell FC through the coolant forward path.

この燃料電池システムＦＳは統合的な制御手段としてのコントローラーＥＣＵ（出力供給部）を備えている。コントローラーＥＣＵは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラーＥＣＵは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＳの運転を開始する。その後、コントローラーＥＣＵは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＳ全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。   The fuel cell system FS includes a controller ECU (output supply unit) as an integrated control means. The controller ECU is a computer system including a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and controls each part of the fuel cell system FS. For example, when the controller ECU receives the start signal IG output from the ignition switch, the controller ECU starts the operation of the fuel cell system FS. Thereafter, the controller ECU obtains the required power of the entire fuel cell system FS based on the accelerator opening signal ACC output from the accelerator sensor, the vehicle speed signal VC output from the vehicle speed sensor, and the like. The required power of the entire fuel cell system FS is the total value of the vehicle travel power and the auxiliary power.

ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサー、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。   Here, auxiliary electric power includes electric power consumed by in-vehicle auxiliary equipment (humidifier, air compressor, hydrogen pump, cooling water circulation pump, etc.), and equipment required for vehicle travel (transmission, wheel control device, steering) Power consumed by devices, suspension devices, etc.), power consumed by devices (air conditioners, lighting equipment, audio, etc.) disposed in the passenger space, and the like.

そして、コントローラーＥＣＵは、燃料電池ＦＣと二次電池ＢＴａとのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラーＥＣＵは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ＡＳＳ及び燃料ガス供給系ＦＳＳを制御するとともに、ＦＣ昇圧部ＦＤＣを制御して、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。   Then, the controller ECU determines the distribution of output power between the fuel cell FC and the secondary battery BTa. The controller ECU controls the oxidizing gas supply system ASS and the fuel gas supply system FSS so that the power generation amount of the fuel cell FC matches the target power, and also controls the FC booster FDC to operate the fuel cell FC. (Output voltage, output current) is controlled.

コントローラーＥＣＵは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバーターに出力し、駆動モーターＤＭａの出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラーＥＣＵは、冷却系ＣＳを制御して燃料電池ＦＣが適切な温度になるように制御する。   The controller ECU outputs, for example, each of the U-phase, V-phase, and W-phase AC voltage command values to the traction inverter as a switching command so that a target torque corresponding to the accelerator opening is obtained, and the drive motor DMa Controls output torque and rotation speed. Further, the controller ECU controls the cooling system CS so that the fuel cell FC reaches an appropriate temperature.

続いて、図２を参照しながら、回生要求時のバルブ開度設定のフローについて説明する。図２は、回生要求時のバルブ開度設定の手順を示すフローチャートである。ステップＳ０１では、車両側（負荷である駆動モータＤＭａ側）から回生要求が入り、指定の電力を消費するように要求される。   Next, the flow of setting the valve opening at the time of regeneration request will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for setting the valve opening when the regeneration is requested. In step S01, a regeneration request is input from the vehicle side (the drive motor DMa side which is a load), and the specified power is required to be consumed.

ステップＳ０２では、ステップＳ０１の回生要求に応じて、燃料電池ＦＣ側の酸化ガス流量を決定する。具体的には、高電位回避電圧要求値が入り、その要求値に応じた発電量が燃料電池ＦＣに対して要求され、その要求に応じた動作電圧・電流が決定され、燃料電池ＦＣ側に必要とされる酸化剤ガス流量が決定される。   In step S02, the oxidizing gas flow rate on the fuel cell FC side is determined in response to the regeneration request in step S01. Specifically, the high potential avoidance voltage request value is entered, and the amount of power generation according to the request value is required for the fuel cell FC, the operating voltage / current according to the request is determined, and the fuel cell FC side The required oxidant gas flow rate is determined.

ステップＳ０３では、エアコンプレッサー６２の動作点が決定される。この決定にあたっては、大気圧及び吸気温度が取得される。ステップＳ０１の回生要求における必要消費電力から、体積流量及び圧力比のマップ（図３参照）より動作点を決定する。   In step S03, the operating point of the air compressor 62 is determined. In this determination, the atmospheric pressure and the intake air temperature are acquired. From the required power consumption in the regeneration request in step S01, the operating point is determined from the volume flow rate and pressure ratio map (see FIG. 3).

図３に示すマップは、体積流量を横軸に、圧力比を縦軸に、それぞれ取ったグラフである。動作点は、等パワーラインＬａと、エアコンプレッサーＡＣＰの吐出温限界ラインＬｂと、三方弁ＴＶａの有効面積最大ラインＬｃとで囲まれた領域ＡＲａ内から選択される。最も好ましい動作点ＤＰａは、三方弁ＴＶａの有効径を満たし、エアコンプレッサー６２の圧力比が小さく且つその体積流量が大きくなる点として定義される。ステップＳ０３により、狙いのＡＣＰ出口圧及び狙いの体積流量が決定される。   The map shown in FIG. 3 is a graph in which the volume flow rate is taken on the horizontal axis and the pressure ratio is taken on the vertical axis. The operating point is selected from an area ARa surrounded by the equal power line La, the discharge temperature limit line Lb of the air compressor ACP, and the effective area maximum line Lc of the three-way valve TVa. The most preferable operating point DPa is defined as a point where the effective diameter of the three-way valve TVa is satisfied, the pressure ratio of the air compressor 62 is small, and the volume flow rate is large. In step S03, the target ACP outlet pressure and the target volume flow rate are determined.

ステップＳ０４では、燃料電池ＦＣ側に送り込む空気の体積流量と、酸化オフガス流路ＡＳ２に向かわせる空気の体積流量との分流比を決定する。まず、ステップＳ０３で求めた狙いの体積流量から、ステップＳ０２で求めた必要流量を減じ、バイパス側流量を求める。分流比は、ステップＳ０２で求めた必要流量と、このバイパス側流量との比として求められる。   In step S04, a diversion ratio between the volumetric flow rate of the air sent to the fuel cell FC side and the volumetric flow rate of the air directed to the oxidizing off-gas flow path AS2 is determined. First, the required flow rate obtained in step S02 is subtracted from the target volume flow rate obtained in step S03 to obtain a bypass side flow rate. The diversion ratio is obtained as a ratio between the required flow rate obtained in step S02 and the bypass side flow rate.

ステップＳ０５では、バルブ開度を決定する。これは、三方弁ＴＶａの燃料電池ＦＣ側の開口断面積と、三方弁ＴＶａのバイパス側の開口断面積との和である有効断面積が狙いの体積流量となり、狙いのエアコンプレッサー出口圧となるように決定される。   In step S05, the valve opening is determined. The effective sectional area, which is the sum of the opening sectional area on the fuel cell FC side of the three-way valve TVa and the opening sectional area on the bypass side of the three-way valve TVa, is the target volume flow rate, which is the target air compressor outlet pressure. To be determined.

ステップＳ０６では、三方弁ＴＶａ及びエアコンプレッサー６２を動作させる。この場合、三方弁ＴＶａは開側から、統合弁ＤＶｂは閉側から動作させる。尚、狙いの消費電力にならない場合や、狙いの発電量にならない場合は、フィードバックして補正する。ステップＳ０７では、回生要求が停止した時点で動作を解除し、通常運転に戻る。   In step S06, the three-way valve TVa and the air compressor 62 are operated. In this case, the three-way valve TVa is operated from the open side, and the integrated valve DVb is operated from the closed side. When the target power consumption is not reached or when the target power generation amount is not reached, feedback is used for correction. In step S07, the operation is canceled when the regeneration request is stopped, and the normal operation is resumed.

図４に、三方弁ＴＶａの概略構成を示す。三方弁ＴＶａは、モーター１０と、弁体１１と、バルブ本体１２と、を備える。モーター１０の動作によって弁体１１が上下に動き、円環状部材１１ａも上下に動く。エアコンプレッサー６２から送り込まれる空気は流路１２３に入る。本実施形態の場合、流路１２１は酸化オフガス流路ＡＳ２に繋がっており、流路１２２は燃料電池ＦＣに繋がっている。   FIG. 4 shows a schematic configuration of the three-way valve TVa. The three-way valve TVa includes a motor 10, a valve body 11, and a valve body 12. The valve element 11 moves up and down by the operation of the motor 10, and the annular member 11a also moves up and down. The air sent from the air compressor 62 enters the flow path 123. In the present embodiment, the flow path 121 is connected to the oxidant off-gas flow path AS2, and the flow path 122 is connected to the fuel cell FC.

流路１２１側には、弁座１２１ａが形成され、流路１２２側には、弁座１２２ａが形成されている。流路１２１にはオリフィスＳａが形成され、流路１２２にはオリフィスＳｄが形成される。弁体１１ａと弁座１２１ａとの間ではカーテンＳｂが形成され、弁体１１ａと弁座１２２ａとの間ではカーテンＳｃが形成される。これらの関係を図５に示す。   A valve seat 121a is formed on the flow path 121 side, and a valve seat 122a is formed on the flow path 122 side. An orifice Sa is formed in the flow path 121, and an orifice Sd is formed in the flow path 122. A curtain Sb is formed between the valve body 11a and the valve seat 121a, and a curtain Sc is formed between the valve body 11a and the valve seat 122a. These relationships are shown in FIG.

図５は、三方弁ＴＶａの開度と有効断面積との関係を示す図である。図５において開度が大きくなっていく場合に、弁体１１ａは弁座１２２ａから離れ弁座１２１ａに近づくものとして描いている。Ｌｅは、有効断面積を示している。三方弁ＴＶａの開度は、下限開度Ｌｆから上限開度Ｌｇの間となるように制御される。狙いの動作点としては、動作点ＤＰｂが好ましい。動作点ＤＰｂを超えると、有効断面積が最大ではなくなり誤差が生じやすいためである。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the opening degree of the three-way valve TVa and the effective sectional area. In FIG. 5, when the opening degree is increased, the valve body 11a is drawn away from the valve seat 122a and approaches the valve seat 121a. Le represents an effective cross-sectional area. The opening degree of the three-way valve TVa is controlled to be between the lower limit opening degree Lf and the upper limit opening degree Lg. As the target operating point, the operating point DPb is preferable. This is because if the operating point DPb is exceeded, the effective cross-sectional area is not maximized and an error is likely to occur.

ステップＳ０６におけるフィードバックの態様としては、有効断面積を変化させることによる圧力比の増加と、流量増加による方法で動作点を変化させることが可能だが、有効断面積の誤差による流量比への影響を考慮し、三方弁ＴＶａを動かすことなく、エアコンプレッサー６２の消費電力が予想より少ない場合には、流量を増加させることで対応することが好ましい。また、燃料電池ＦＣへの酸化剤ガスの流量が不足している場合においおいても、全体の流量を増加させることで燃料電池ＦＣへの供給流量を増加させ、三方弁ＴＶａの開度を変化させないことが好ましい。   As a feedback mode in step S06, it is possible to change the operating point by the method of increasing the pressure ratio by changing the effective area and the method of increasing the flow rate. Considering this, when the power consumption of the air compressor 62 is less than expected without moving the three-way valve TVa, it is preferable to respond by increasing the flow rate. Even when the flow rate of the oxidant gas to the fuel cell FC is insufficient, increasing the overall flow rate increases the supply flow rate to the fuel cell FC and changes the opening of the three-way valve TVa. Preferably not.

特に、燃料電池ＦＣのセル電圧が低下した場合などは、酸化剤ガス流量を増加させてセル電圧を維持することが好ましい。これは、三方弁ＴＶａの開度を変化させて、有効断面積が低下すると、吐出圧力が低下して、狙いの消費電力を消費できないためである。また、動力のフィードバック制御を行う幅を持たせるために、等パワーラインＬａ上で動作させる点よりも若干流量の少ない点を動作点として選択することが好ましい。   In particular, when the cell voltage of the fuel cell FC decreases, it is preferable to maintain the cell voltage by increasing the oxidant gas flow rate. This is because if the opening of the three-way valve TVa is changed and the effective sectional area is reduced, the discharge pressure is reduced and the target power consumption cannot be consumed. Further, in order to provide a range for performing power feedback control, it is preferable to select a point having a slightly lower flow rate as an operating point than a point operating on the equal power line La.

燃料電池ＦＣの発電量が多いなど、開度の変更を行う場合は、エアコンプレッサーＡＣＰの圧力を維持しながら有効断面積を変更することが好ましい。また、車両ごとに三方弁ＴＶａの開度を変更した場合は、補正項として学習させることが好ましい。   When changing the opening degree, for example, when the amount of power generated by the fuel cell FC is large, it is preferable to change the effective cross-sectional area while maintaining the pressure of the air compressor ACP. Moreover, when the opening degree of the three-way valve TVa is changed for each vehicle, it is preferable to learn as a correction term.

三方弁ＴＶａは、弁体１１ａが弁座１２１ａにはりついている閉状態では、圧力と受圧面積から決まる力よりも、モータートルクが十分にある場合に開くことが可能となる。そのため、エアコンプレッサー６２の吐出圧が高い状態では、モータートルクが不足して開かない場合がある。特にエンジンブレーキ（回生動作）で使用するエアコンプレッサー６２の圧力は通常よりも高く、モーター１０のトルク設計はこの点を考慮しないものである。もし考慮すれば、モーター１０の体格が大きくなりすぎてしまう。吐出圧力を決めている要素は、エア流量と両バルブの有効断面積の合計である。   The three-way valve TVa can be opened when the motor torque is sufficiently higher than the force determined from the pressure and the pressure receiving area in the closed state where the valve body 11a is stuck to the valve seat 121a. Therefore, when the discharge pressure of the air compressor 62 is high, the motor torque may not be sufficient to open. In particular, the pressure of the air compressor 62 used for engine braking (regenerative operation) is higher than usual, and the torque design of the motor 10 does not consider this point. If considered, the physique of the motor 10 becomes too large. The factors that determine the discharge pressure are the sum of the air flow rate and the effective cross-sectional area of both valves.

そのため、バルブの開タイミングとしては、三方弁ＴＶａを先に開き、統合弁ＤＶｂを閉側に動作させて吐出圧力を増加させる。この場合において、エンジンブレーキ可能タイミング動作を早く行うためには、三方弁ＴＶａと統合弁ＤＶｂの有効断面積の合計が、一定以上となるようにしながら、三方弁ＴＶａを開側に動かし、現在の流量で想定される吐出圧が一定値以下となるようにする。エンジンブレーキを停止する場合には、三方弁ＴＶａが閉となってから、燃料電池ＦＣの出力を引くことを許容する。これは、バイパス流路である酸化オフガス流路ＡＳ２側が開いていると、燃料電池ＦＣに空気が供給されないためである。   Therefore, as the valve opening timing, the three-way valve TVa is opened first, and the integrated valve DVb is operated to the closed side to increase the discharge pressure. In this case, in order to perform the engine brake possible timing operation quickly, the three-way valve TVa is moved to the open side while keeping the total effective sectional area of the three-way valve TVa and the integrated valve DVb to be a certain value or more. The discharge pressure assumed for the flow rate is set to a certain value or less. When stopping the engine brake, it is allowed to draw the output of the fuel cell FC after the three-way valve TVa is closed. This is because air is not supplied to the fuel cell FC when the side of the oxidation off-gas channel AS2 that is a bypass channel is open.

尚、三方弁ＴＶａの応答性としては、バイパス流路である酸化オフガス流路ＡＳ２側が開く場合を優先することが好ましい。これは、エンジンブレーキ時の応答性を加速の応答性よりも優先させるためである。   In addition, as a response of the three-way valve TVa, it is preferable to give priority to a case where the side of the oxidizing off-gas channel AS2 that is a bypass channel is opened. This is to give priority to responsiveness during engine braking over acceleration responsiveness.

６２ エアコンプレッサー
６９ バイパス流路
９２，９２ 車輪
ＡＳ１ 酸化ガス流路
ＡＳ２ 酸化オフガス流路
ＡＳＳ 酸化ガス供給系
ＢＴａ 二次電池
ＣＥ セル
ＣＳ 冷却系
ＤＭａ 駆動モーター
ＤＶａ 電磁弁
ＤＶｂ 統合弁
ＥＣＵ コントローラー
ＥＶｃ 排気排水弁
ＦＣ 燃料電池
ＦＣＳ 燃料電池系
ＦＤＣ 昇圧部
ＦＳ 燃料電池システム
ＦＳ１ 高圧水素タンク
ＦＳ２ 燃料オフガス流路
ＦＳＳ 燃料ガス供給系
ＨＰａ 水素ポンプ
ＨＶＳ 駆動系
Ｐｔ 圧力センサ
ＲＭａ メインラジエーター
Ｔｄ 温度センサ
Ｔｆ 温度センサ
Ｔｇ センサ
Ｔｈ 温度センサ
ＴＶａ 三方弁
ＷＰａ ウォーターポンプ 62 Air compressor 69 Bypass channel 92, 92 Wheel AS1 Oxidizing gas channel AS2 Oxidizing off gas channel ASS Oxidizing gas supply system BTa Secondary battery CE Cell CS Cooling system DMa Drive motor DVa Electromagnetic valve DVb Integrated valve ECU Controller EVc Exhaust drain valve FC fuel cell FCS fuel cell system FDC boosting unit FS fuel cell system FS1 high pressure hydrogen tank FS2 fuel off gas flow path FSS fuel gas supply system HPa hydrogen pump HVS drive system Pt pressure sensor RMa main radiator Td temperature sensor Tf temperature sensor Tg sensor Th temperature Sensor TVa Three-way valve WPa Water pump

Claims (2)

燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する複数の単セルからなるセルスタックを有する燃料電池と、
前記燃料電池の発電によって駆動される負荷と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを送り込むための酸化剤ガス導入路と、前記燃料電池において発電反応に寄与した後の酸化剤オフガスを排出するための酸化剤ガス排出路と、前記酸化剤ガス導入路の前記燃料電池よりも上流側から分岐するバイパス流路と、前記酸化剤導入路と前記バイパス流路とが繋がれる部分に設けられた三方弁とを有する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス導入路に酸化剤ガスを送り込みエアコンプレッサーと、を備え、
前記三方弁の開度は、
前記負荷側からの回生要求を消費する前記エアコンプレッサーの動作点に対応する狙いの体積流量と、前記燃料電池の高電位回避電圧発電に必要とされる酸化剤ガスの必要流量と、それらの差分として求められる前記バイパス流路側に流す酸化剤ガスの流量と、に基づいて、前記酸化剤ガス導入路側と前記バイパス流路側の合計の有効断面積が、等パワーラインよりも上で且つ、エアコンプレッサーの熱負荷が所定値以下となるように設定される動作点として決定されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell having a cell stack composed of a plurality of single cells that generate power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas;
A load driven by power generation of the fuel cell;
An oxidant gas introduction path for sending oxidant gas into the fuel cell, an oxidant gas discharge path for discharging oxidant off-gas after contributing to a power generation reaction in the fuel cell, and the oxidant gas introduction path An oxidant gas supply means having a bypass flow path branched from the upstream side of the fuel cell, and a three-way valve provided in a portion where the oxidant introduction path and the bypass flow path are connected,
An oxidant gas is fed into the oxidant gas introduction path, and an air compressor is provided.
The opening of the three-way valve is
The target volumetric flow rate corresponding to the operating point of the air compressor that consumes the regeneration request from the load side, the required flow rate of the oxidant gas required for high potential avoidance voltage power generation of the fuel cell, and the difference between them The total effective cross-sectional area of the oxidant gas introduction path side and the bypass flow path side is higher than the equal power line and the air compressor based on the flow rate of the oxidant gas flowing to the bypass flow path side required as The fuel cell system is characterized in that it is determined as an operating point that is set so that the heat load of the fuel cell becomes a predetermined value or less. 前記三方弁の動作点は、前記バルブの有効径を満たし、前記エアコンプレッサーの圧力比が小さく且つその体積流量が大きくなる点であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the operating point of the three-way valve is a point that satisfies an effective diameter of the valve, a pressure ratio of the air compressor is small, and a volume flow rate thereof is large.
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