JP2017010901A - Control device for amount of air to be supplied - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池搭載車両の燃料電池の暖機運転を行うためのエア供給量の制御装置に関する。 The present invention relates to an air supply amount control device for performing a warm-up operation of a fuel cell of a vehicle equipped with a fuel cell.
特許文献1には、燃料電池搭載車両の燃料電池の暖機運転のために、燃料電池に供給するエア供給量を制御する装置が記載されている。このエア供給量の制御装置は、燃料電池に対する要求熱量(暖機運転用の熱量及び暖房用の熱量)と要求出力とから燃料電池の暖機運転時の動作点を決定し、燃料電池をその動作点で動作させるようにエア供給量を制御する。
燃料電池に対する要求出力が低い場合は、要求出力に必要とされるエア供給量が少なくて良い。そのため、車両の消費電力が小さい状態(例えば車両の補機しか動作しない状態)では、エアコンプレッサが低回転に制御され、エア供給量が大きく絞られる。ここで、エア供給量を過度に絞る場合、例えばエアコンプレッサを間欠運転させる。燃料電池システムの始動直後であって暖機運転が行われるような寒い環境下においてエアコンプレッサを間欠運転させる場合、停止中にエアが流れなくなり、生成水が凍結するおそれがある。また、エアコンプレッサを過度に低回転とすると、例えばサージングが発生し、エアコンプレッサの動作を不安定にするおそれがある。 When the required output for the fuel cell is low, the amount of air supply required for the required output may be small. Therefore, in a state where the power consumption of the vehicle is small (for example, a state where only the auxiliary machine of the vehicle operates), the air compressor is controlled to a low rotation, and the air supply amount is greatly reduced. Here, when excessively reducing the air supply amount, for example, the air compressor is intermittently operated. When the air compressor is intermittently operated in a cold environment where the warm-up operation is performed immediately after the start of the fuel cell system, the air may not flow during the stop and the generated water may freeze. Further, if the air compressor is set to an excessively low rotation, for example, surging occurs, and the operation of the air compressor may be unstable.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、エアコンプレッサを含むエア供給系と燃料電池とを含む燃料電池システムを搭載した車両の前記燃料電池を暖機運転させるように前記燃料電池へのエアの供給量を制御する制御装置が提供される。この制御装置は、前記車両の前記エアコンプレッサを含む補機の消費電力を算出し、前記消費電力を前記燃料電池が発電可能な暖機運転用の動作点において前記燃料電池を発電させるために必要な第1エア供給量を算出するエア供給量算出部と、前記エア供給系より前記燃料電池に連続的にエアを供給可能な最低エア供給量である第2エア供給量と、前記第1エア供給量とを比較する比較部と、前記第1エア供給量と前記第2エア供給量とのうち少なくない方のエア供給量を前記燃料電池に供給するように前記エア供給系を制御するエア供給制御部と、を備える。この形態によれば、暖機運転時に、燃料電池に対する要求出力が低い場合であっても、第1エア供給量と第2エア供給量とのうち少なくない方のエア供給量を燃料電池に供給するようにエア供給系が制御されるので、燃料電池には連続的にエアが供給される。その結果、燃料電池内の生成水が凍結することを抑制できる。また、第2エア供給量以上のエア供給量があるので、エアコンプレッサの動作は不安定にならない。 (1) According to one aspect of the present invention, air is supplied to the fuel cell so as to warm up the fuel cell of a vehicle equipped with a fuel cell system including an air supply system including an air compressor and a fuel cell. A control device for controlling the supply amount is provided. The control device calculates power consumption of an auxiliary machine including the air compressor of the vehicle and is necessary for generating the fuel cell at an operating point for warm-up operation where the fuel cell can generate the power consumption. An air supply amount calculation unit that calculates a first air supply amount, a second air supply amount that is a minimum air supply amount that can continuously supply air to the fuel cell from the air supply system, and the first air A comparison unit that compares the supply amount; and an air that controls the air supply system so as to supply the fuel cell with an air supply amount that is not less than the first air supply amount and the second air supply amount. A supply control unit. According to this aspect, even when the required output to the fuel cell is low during the warm-up operation, the lesser of the first air supply amount and the second air supply amount is supplied to the fuel cell. Thus, since the air supply system is controlled, air is continuously supplied to the fuel cell. As a result, the generated water in the fuel cell can be prevented from freezing. Further, since there is an air supply amount that is greater than or equal to the second air supply amount, the operation of the air compressor does not become unstable.
(2)上記形態の制御装置において、前記エア供給量算出部は、前記車両に搭載された二次電池が電力を受け入れ可能な場合、前記補機の消費電力と、前記二次電池の受け入れ可能な電力との和を発電可能な暖機運転用の動作点において前記燃料電池を運転させるために必要なエア供給量を前記第1エア供給量として算出しても良い。この形態によれば、補機の消費電力が予め定められた値以下の場合には、補機の消費電力を発電可能な動作点において前記燃料電池を運転させるために必要な第1エア供給量が極めて小さくなる可能性がある。かかる場合であっても、補機の消費電力と、二次電池の受け入れ可能な電力との和の電力を発電可能な動作点において燃料電池を運転させるために必要なエア供給量を第1エア供給量として、第1エア供給量と第2エア供給量のうちの大きいエア供給量を前記燃料電池に供給するように前記エアコンプレッサを制御するので、燃料電池内の生成水が凍結することを、抑制できる。また、補機で消費されない余剰電力は、二次電池に充電できるため、燃料電池システムの効率を低下させずに済む。 (2) In the control device of the above aspect, when the secondary battery mounted on the vehicle can accept power, the air supply amount calculation unit can accept power consumption of the auxiliary machine and the secondary battery. An air supply amount necessary for operating the fuel cell at an operating point for warm-up operation capable of generating a sum of the electric power and the power may be calculated as the first air supply amount. According to this aspect, when the power consumption of the auxiliary machine is equal to or less than a predetermined value, the first air supply amount necessary for operating the fuel cell at the operating point where the power consumption of the auxiliary machine can be generated. Can be very small. Even in such a case, the air supply amount necessary for operating the fuel cell at the operating point where the sum of the power consumption of the auxiliary machine and the power acceptable by the secondary battery can be generated is the first air. As the supply amount, the air compressor is controlled so as to supply a large air supply amount of the first air supply amount and the second air supply amount to the fuel cell, so that the generated water in the fuel cell is frozen. Can be suppressed. Further, since the surplus power that is not consumed by the auxiliary device can be charged to the secondary battery, it is not necessary to reduce the efficiency of the fuel cell system.
(3)上記形態の制御装置において、前記エア供給量算出部は、(i)前記補機の消費電力が予め定められた閾値未満の場合には、前記補機の消費電力と、前記二次電池の受け入れ可能な電力との和を発電可能な暖機運転用の動作点において前記燃料電池を発電させるために必要なエア供給量を前記第1エア供給量として算出し、(ii)前記補機の消費電力が前記閾値以上の場合には、前記補機の消費電力を発電可能な暖機運転用の動作点において前記燃料電池を発電させるために必要なエア供給量を前記第1エア供給量として算出しても良い。補機の消費電力が予め定められた値以上の場合には、二次電池への充電を行わなくても、効率の低下を少なく出来る。 (3) In the control device according to the above aspect, the air supply amount calculation unit may: (i) when the power consumption of the auxiliary machine is less than a predetermined threshold, the power consumption of the auxiliary machine and the secondary Calculating the air supply amount necessary for generating power to the fuel cell as the first air supply amount at the operating point for warm-up operation capable of generating the sum of the battery's acceptable power and (ii) the supplement When the power consumption of the machine is greater than or equal to the threshold value, the first air supply is used to supply the air supply amount necessary for power generation of the fuel cell at the operating point for warm-up operation where the power consumption of the auxiliary machine can be generated. It may be calculated as a quantity. When the power consumption of the auxiliary machine is greater than or equal to a predetermined value, it is possible to reduce the reduction in efficiency without charging the secondary battery.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、エア供給量の制御装置の他、燃料電池システム、燃料電池を搭載した移動体、車両、燃料電池におけるエア供給量制御方法等の形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various modes. For example, in addition to an air supply amount control device, the present invention can be realized in the form of a fuel cell system, a mobile body equipped with a fuel cell, a vehicle, an air supply amount control method in a fuel cell, and the like.
燃料電池システムの構成:
図1は、燃料電池搭載車両(「車両」とも呼ぶ。)に用いられる燃料電池システム10を模式的に示す説明図である。燃料電池システム10は、燃料電池100と、燃料ガス供給系200と、エア供給系300と、排ガス系400と、冷却系500と、負荷回路600と、制御装置700と、を備える。
Configuration of fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a
燃料ガス供給系200は、燃料ガスタンク210と、燃料ガス供給管220と、燃料ガス排気管230と、燃料ガス還流管240と、主止弁250と、レギュレーター260と、気液分離器280と、水素ポンプ290と、を備える。燃料ガスタンク210は、燃料ガスを貯蔵する。本実施形態では、燃料ガスとして、水素を用いている。燃料ガスタンク210と、燃料電池100とは、燃料ガス供給管220で接続されている。燃料ガス供給管220上には、燃料ガスタンク210側から、主止弁250と、レギュレーター260とが設けられている。主止弁250は、燃料ガスタンク210からの燃料ガスの供給をオン、オフする。レギュレーター260は、燃料電池100に供給される燃料ガスの圧力を調整する。
The fuel
燃料ガス排気管230は、燃料電池100からの燃料排ガスを排出する。燃料ガス還流管240は、燃料ガス排気管230と、燃料ガス供給管220に接続されている。燃料ガス排気管230と燃料ガス還流管240との間には、気液分離器280が設けられている。燃料排ガスには、消費されなかった水素と、燃料電池100を通って移動してきた窒素などの不純物と、水が含まれている。気液分離器280は、燃料排ガス中の水と、ガス(水素と窒素などの不純物)とを分離する。また、燃料ガス還流管240には、水素ポンプ290が設けられている。燃料電池システムは、燃料ガス還流管240及び水素ポンプ290を用いて燃料排ガスを燃料電池100に供給することで、燃料排ガス中の水素を発電に利用する。本実施形態では、水素ポンプ290を用いているが、代わりにエジェクタを用いても良い。
The fuel
エア供給系300は、エアクリーナ310と、エアコンプレッサ320と、酸化剤ガス供給管330と、分流弁340と、大気圧センサ350と、外気温センサ360と、エアフローメータ370と、供給ガス温度センサ380と、供給ガス圧力センサ390と、を備える。本実施形態の燃料電池100は、酸化剤ガスとして、空気(空気中の酸素)を用いる。エアクリーナ310は、空気を取り込む時に、空気中の塵埃を除去する。エアコンプレッサ320は、空気を圧縮し、酸化剤ガス供給管330を通して空気を燃料電池100に送る。分流弁340は、酸化剤ガスバイパス管450に接続され、空気を燃料電池100と、酸化剤ガスバイパス管450とに分流する。分流弁340の分流比は、[燃料電池へのエアの供給量]/[エアコンプレッサ320のエア供給量]で定義される。この分流比は、0でない最小値と1以下の最大値の範囲で制御装置700により調整可能である。大気圧センサ350は、大気圧を測定する。外気温センサ360は、取り込む前の空気の温度を取得する。エアフローメータ370は、取り込んだ空気の量を測定する。この量は、空気を酸化剤ガスバイパス管450に分流しなければ、燃料電池100に供給される空気の供給量(エアの供給量)とほぼ同じである。なお、空気の供給量は、エアコンプレッサ320の回転数により変わる。供給ガス温度センサ380は、燃料電池100に供給される空気の温度を測定し、供給ガス圧力センサ390は、燃料電池100に供給される空気の圧力を測定する。
The
排ガス系400は、排ガス管410と、調圧弁420と、燃料ガス排出管430と、排気排水弁440と、酸化剤ガスバイパス管450と、サイレンサー470とを備える。排ガス管410は、燃料電池100の酸化剤排ガスを排出する。排ガス管410には、調圧弁420が設けられている。調圧弁420は、燃料電池100中の空気の圧力を調整する。燃料ガス排出管430は、気液分離器280と、排ガス管410とを接続している。燃料ガス排出管430上には、排気排水弁440が設けられている。制御装置700は、燃料排ガス中の窒素濃度が高くなったとき、あるいは、気液分離器280中の水の量が多くなったときには、排気排水弁440を開けて、水とガスを排出する。排出されるガスは、窒素などの不純物と水素とを含む。本実施形態では、燃料ガス排出管430は、排ガス管410に接続されており、排出されるガス中の水素は、酸化剤排ガスにより、希釈される。酸化剤ガスバイパス管450は、酸化剤ガス供給管330と、排ガス管410とを接続する。酸化剤ガスバイパス管450と酸化剤ガス供給管330との接続部には、分流弁340が設けられている。制御装置700は、排気排水弁440を開けて、水とガス(窒素などの不純物と水素)を排出するときに、分流弁340を開けて酸化剤ガスバイパス管450に空気を流し、水素を希釈する。また、制御装置700は、水素を含むガスを排出するときには、分流弁340を開けて酸化剤ガスバイパス管450に空気を流し、水素を希釈する。また、制御装置700は、燃料電池100に要求される電力が少ない場合には、燃料電池100の発電量を下げるために、分流弁340を開けて酸化剤ガスバイパス管450に空気を流しても良い。サイレンサー470は、排ガス管410の下流部に設けられており、排気音を減少させる。
The
冷却系500は、冷却水供給管510と、冷却水排出管515と、ラジエータ管520と、ウォーターポンプ525と、ラジエータ530と、バイパス管540と、三方弁545と、温度センサ550と、を備える。冷却水供給管510は、燃料電池100に冷却水を供給するための管であり、冷却水供給管510にはウォーターポンプ525が配置されている。冷却水排出管515は、燃料電池100から冷却水を排出するための管である。冷却水排出管515の下流部は、三方弁545を介して、ラジエータ管520と、バイパス管540と、に接続されている。ラジエータ管520には、ラジエータ530が設けられている。ラジエータ530には、ラジエータファン535が設けられている。ラジエータファン535は、ラジエータ530に風を送り、ラジエータ530からの放熱を促進する。ラジエータ管520の下流部と、バイパス管540の下流部とは、冷却水供給管510に接続されている。温度センサ550は、燃料電池100から排出される冷却水の温度を測定する。
The
負荷回路600は、燃料電池昇圧コンバーター605と、インバーター610と、主駆動モーター620と、DC/DCコンバーター630と、補機640と、二次電池650と、を備える。燃料電池昇圧コンバーター605は、燃料電池100が発生させる電圧を、主駆動モーター620を駆動できる電圧に昇圧する。インバーター610は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、主駆動モーター620に供給する。主駆動モーター620は、燃料電池搭載車両を駆動する駆動モーターである。また、主駆動モーター620は、燃料電池搭載車両の減速時には、回生モーターとして機能する。DC/DCコンバーター630は、燃料電池100の電圧を制御する。また、燃料電池100の電圧を変換して二次電池650に供給し、あるいは、二次電池650の電圧を変換してインバーター610に供給する。二次電池650は、燃料電池100からの電力や、主駆動モーター620による回生により得られた電力を充電するとともに、主駆動モーター620や補機640を駆動するための電源として機能する。補機640は、燃料電池システム10内の各部に配置されている各モーター(例えば、ポンプ類などの動力となるモーター、但し、主駆動モーター620を除く)や、これらのモーターを駆動するためのインバーター類、更には各種の車載補機(例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど)を総称するものである。したがって、図1及び説明では、独立して記載しているが、水素ポンプ290、エアコンプレッサ320、ウォーターポンプ525、ラジエータファン535を駆動するモーター(図示せず)等も補機640に含まれる。
The
制御装置700は、エア供給量算出部710と、比較部720と、エア供給制御部730と、を備える。エア供給量算出部710は、燃料電池100を運転させるために必要なエア供給量を算出する。比較部720は、暖機運転時に、エアコンプレッサ320の能力により定められた燃料電池100に連続的にエアを供給可能な最低エア供給量である第2エア供給量A2と、エア供給量算出部710が算出した第1エア供給量A1とを比較する。エア供給制御部730は、エアコンプレッサ320を含むエア供給系300の動作を制御する。
The
第1の実施形態:
図2は、第1の実施形態における燃料電池100の電流−電圧特性を示す説明図である。曲線IV1は、暖機運転をしない通常運転時における電流−電圧特性(I−V特性)を示し、曲線IV2は、暖機運転時におけるI−V特性を示す。曲線IV2を、暖機運転特性曲線IV2とも呼ぶ。通常運転時では、燃料電池100は、曲線IV1上の動作点、例えば動作点A(電流I1、電圧V1)で動作する。この動作点Aでは、水素から得られるエネルギー(「水素エネルギー」あるいは「水素の燃焼エンタルピー」と呼ぶ。)は、VH×I1であり、そのうちV1×I1が電気エネルギーとして主駆動モーター620や補機640に使用され、残りの(VH−V1)×I1は熱となる。ここでVHは、水素の燃焼エンタルピー(ΔH=−286kJ/mol)から算出される。VHは、具体的には燃焼エンタルピーをファラデー定数と反応電子数(この反応では「2」)で割ることにより算出され、通常、開放電圧であるOCVよりも高い値である。
First embodiment:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing current-voltage characteristics of the
暖機運転の場合、制御装置700は、例えば曲線IV2上の動作点B(電流I2、電圧V2)で燃料電池100動作させる。動作点Bは、補機640の消費電力を燃料電池100が発電可能な暖機運転用の動作点である。制御装置700は、DC−DCコンバーター630を用いて、燃料電池100の電圧をV2に制御し、制御装置700のエア供給制御部730は燃料電池100へのエア供給量を制御することで、燃料電池100の電流をI2に制御する。このときの水素エネルギー(−ΔH)は、VH×I2であり、そのうちのQ0(=(VH−V2)×I2)が燃料電池100を暖機するための熱として使用され、Q1(=V2×I2)が補機640や主駆動モーター620を動作させる電気エネルギーとして使用される。
In the warm-up operation, the
図3は、燃料電池100への要求発電量とエア供給量との関係を示す説明図である。燃料電池100への要求発電量が増加すれば、エア供給量も増加する。燃料電池100への要求発電量が同じであれば、暖機運転におけるエア供給量の方が、通常運転におけるエア供給量よりもエア供給量が少ない。エア供給量を制限することで、燃料電池100の効率を悪くして、燃料電池100を発熱させることが可能である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the required power generation amount to the
図4は、第1の実施形態における暖機運転時の動作フローチャートである。このフローチャートは、例えば、燃料電池搭載車両のスタータースイッチ(図示せず)が押され、燃料電池システムが起動した後、定期的に実行される。ステップS100では、制御装置700は、外気温センサ360(図1)を用いて外気温Toを測定する。ステップS105では、外気温Toが予め定められた閾値Tothよりも高いか否かを判断する。この閾値温度Tothは、暖機運転が必要か否かを判定するために設定された値であり、例えば0℃に設定される。外気温Toが閾値Tothよりも高ければ、ステップS190に移行し、外気温Toが閾値Toth以下であれば、ステップS110に移行する。ステップS110では、制御装置700は、燃料電池100から排出される冷却水の温度T1を測定する。ステップS115では、制御装置700は、冷却水の温度T1が予め定められた閾値温度Tth未満か否か、を判断する。この閾値温度Tthは、暖機運転が必要か否かを判定するために設定された値であり、例えば70℃〜80℃の間の値に設定される。冷却水の温度T1が閾値温度Tth未満の場合には、暖機運転を行うために、ステップS120に移行する。一方、冷却水の温度T1が閾値温度Tth以上の場合には、制御装置700は、ステップS190に移行し、暖機運転を行わない運転(通常運転)を行う。外気温Toが低くても、冷却水の温度T1が閾値温度Tth以上であれば、燃料電池100は暖まっており、暖機運転は不要である。なお、制御装置700は、外気温Toと冷却水の温度T1の何れか一方のみで暖機運転を行うか否かを判断しても良い。
FIG. 4 is an operation flowchart during the warm-up operation in the first embodiment. This flowchart is periodically executed after, for example, a starter switch (not shown) of a vehicle equipped with a fuel cell is pressed and the fuel cell system is activated. In step S100,
ステップS120では、制御装置700は、エアコンプレッサ320以外の補機の消費電力P1を決定する。エアコンプレッサ320以外の補機とは、例えば、ウォーターポンプ525、ラジエータファン535を駆動するモーター等である。ステップS140では、制御装置700は、補機640の消費電力を発電可能な暖機運転要の発電量Q1を算出する。
In step S120,
図5は、エアコンプレッサ320以外の補機の消費電力P1と、エアコンプレッサ320の消費電力P2と、発電量Q1との関係を示す説明図である。左軸の消費電力P2は、エアコンプレッサ320の消費電力である。エアコンプレッサ320以外の補機の消費電力P1が増加する場合、燃料電池100に供給するエアの量も増加するので、エアコンプレッサ320の消費電力P2も増加する。このように、エアコンプレッサ320の消費電力P2は、エアコンプレッサ320以外の補機の消費電力P1に対応づけられている。エアコンプレッサ320以外の補機の消費電力P1とエアコンプレッサ320の消費電力P2の和は、補機640の消費電力であり、燃料電池100に要求される発電量Q1に等しい。消費電力P1とP2と発電量Q2の関係は、予め実験等によって求めておき、制御装置700の記憶装置(図示せず)に格納しておくことが好ましい。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship among power consumption P1 of auxiliary equipment other than the
図4のステップS160では、制御装置700のエア供給量算出部710は、燃料電池100の暖機運転特性(図3)上で、発電量Q1を発電するのに必要なエアの供給量である第1エア供給量A1を算出する。
In step S160 of FIG. 4, the air supply
ステップS170では、制御装置700は、エアコンプレッサ320から燃料電池100に連続的にエアを供給可能な最低エア供給量である第2エア供給量A2を算出する。なお、この第2エア供給量A2は、エア供給系300の構成により定まるので、ステップS170によって算出するのでは無く、予め実験等により測定しておき、制御装置700の記憶装置(図示せず)に格納されていても良い。本実施形態では、第2エア供給量A2は、分流弁340(図1)の分流比の最小値にエアコンプレッサ320の連続運転時の最低エア流量を乗じた値となる。
In step S <b> 170, the
ステップS180では、制御装置700の比較部720は、第1エア供給量A1と第2エア供給量A2とを比較する。そして、エア供給制御部730は、第1エア供給量A1と第2エア供給量A2とのうちの少なくない方のエア供給量を、エアコンプレッサ320を用いて燃料電池100に供給する。
In step S180, the
図6は、発電量Q1とエア供給量との関係を示す説明図である。図6の破線のグラフは、第1エア供給量A1を示し、実線のグラフは、燃料電池へのエア供給量を示す。第1エア供給量A1は、発電量Q1の増加に応じて増加する。実線のグラフで示すように、エア供給制御部730は、第1エア供給量A1よりも第2エア供給量A2の方が少ない場合には、第1エア供給量A1のエアを供給するようにエア供給系300を制御する。なお、エア供給量がA2よりも大きい領域では、実線のグラフと破線のグラフは重なっている。一方、第2エア供給量A2よりも第1エア供給量A1の方が少ない場合には、第2エア供給量A2のエアを供給するようにエア供給系300を制御する。第2エア供給量A2のエアを流す場合であっても、補機640に流す電流を増加させなければ、燃料電池100の発電量は増加しない。なお、制御装置700は、第2エア供給量A2のエアを流す場合、燃料電池100の発電量を増加させて、エアコンプレッサ320以外の補機に電流を消費させても良い。また、制御装置700は、第2エア供給量A2のエアを流す場合、第1エア供給量A1を超えるエアについては、分流弁340を制御して、酸化剤ガスバイパス管450にバイパスさせて燃料電池100に供給するエアの量を第1エア供給量A1としてもよい。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the power generation amount Q1 and the air supply amount. The broken line graph in FIG. 6 shows the first air supply amount A1, and the solid line graph shows the air supply amount to the fuel cell. The first air supply amount A1 increases as the power generation amount Q1 increases. As shown by the solid line graph, the air
以上、本実施形態によれば、制御装置700は、第1エア供給量A1と第2エア供給量A2とのうち少なくない方のエア供給量を供給するようにエア供給系300を制御するので、エアコンプレッサ320が間欠運転により停止することを防止できる。その結果、燃料電池100には連続的にエアが供給されるので、生成水が十分に排出されずに生成水が凍結することを抑制できる。また、エア供給系300は、第2エア供給量A2以上のエア供給量を供給するので、エアコンプレッサ320の動作は不安定にならない。
As described above, according to the present embodiment, the
本実施形態において、始動直後から車両を自走させる場合については説明しなかったが、主駆動モーター620を駆動するための電力は、補機640の消費電力よりも大きく、主駆動モーター620を駆動するための電力を発生させるためのエア供給量は、第1エア供給量A1、第2エア供給量A2よりも大きい。そのため、エア供給制御部730は、主駆動モーター620を駆動するための電力を発生させるためのエア供給量を流すようにエア供給系300を制御すれば良い。
In the present embodiment, the case where the vehicle is allowed to self-run immediately after start-up has not been described. However, the power for driving the
第2の実施形態:
図7は、第2の実施形態における暖機運転時の動作フローチャートである。図4に示す第1の実施形態との違いは、ステップS130とS135とS150とを追加した点である。以下、第1の実施形態と異なる点について説明する。
Second embodiment:
FIG. 7 is an operation flowchart during warm-up operation according to the second embodiment. The difference from the first embodiment shown in FIG. 4 is that steps S130, S135, and S150 are added. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
ステップS130は、ステップS120の後に実行されるステップであり、制御装置700は、二次電池650に電力を充電するときの充電速度Win[W]を決定する。充電速度Winは、二次電池650の温度を用いて設定し、二次電池650の温度が常温時よりも低いと、常温時よりも低い値に設定される。この理由は、二次電池650の温度が低いときに速い充電速度を設定して充電すると、二次電池650を劣化させるおそれがあるからである。なお、制御装置700は、充電速度Winを決定するときに現在のSOCを考慮しても良い。SOCは、満充電状態を100%、完全放電した状態を0%として、二次電池650にどれくらいの電力が充電されているかを示すものである。SOCは、高すぎると二次電池650の劣化を早めるおそれがあり、また、回生時に回生電力を充電できない場合がある。一方、SOCが低すぎると二次電池650の電力を使用したいときに使用できない場合がある。そのため、SOCは、所定の許容範囲、例えば30%〜70%の範囲内に収まるように制御される。二次電池650の現在のSOCが許容範囲の上限に近い場合には、許容範囲の上限を超えないようにするために、制御部700は、二次電池650への充電速度Winを小さく設定することが好ましい。ステップS135では、制御装置700は、二次電池650への充電速度が予め定められた閾値Winth未満か否かを判断する。予め定められた閾値Winthより小さい場合には、ステップS140に移行し、閾値Winth以上の場合には、ステップS150に移行する。
Step S <b> 130 is a step executed after step S <b> 120, and
ステップS150では、制御装置700は、燃料電池100に要求する発電量Q2[W]を算出する。この発電量Q2は、補機640の消費電力Q1と、二次電池650に充電させる充電速度Winとの和に等しい。このように、燃料電池100の発電した電力Q2の一部を二次電池650に充電することで、燃料電池システム10の効率の低下を抑制できる。
In step S150,
以上、本実施形態によれば、二次電池650が電力を受け入れ可能な場合、制御装置700は、二次電池650に受け入れ可能な電力(充電速度Winに対応する電力)を考慮して燃料電池の発電量Q1を算出して第1エア供給量A1を算出し、第1エア供給量A1と第2エア供給量A2とのうち少なくない方のエア供給量を燃料電池100に供給するようにエア供給系300を制御するので、燃料電池100には連続的にエアが供給され、生成水が十分に排出されずに生成水が凍結することを防止できる。また、発電量の一部Winを二次電池650に充電できるので、燃料電池システム10の効率を低下させにくい。さらに、エア供給系300は、第2エア供給量A2以上のエア供給量を供給するので、エアコンプレッサ320の動作は不安定にならない。
As described above, according to the present embodiment, when the
第3の実施形態:
図8は、第3の実施形態における暖機運転時の動作フローチャートである。図7に示す第2の実施形態との違いは、ステップS122とS124とを備える点である。ステップS122は、第2実施形態のステップS140と同じ動作であるが、ステップS130を実行する前に行う点が異なっている。補機640の消費電力が大きい場合には、第1エア供給量A1が大きくなる。第3の実施形態では、第2の実施形態において、補機640の消費電力が大きい場合には、二次電池650への充電を行わず、補機640の消費電力が小さい場合には、二次電池650への充電を行うものである。
Third embodiment:
FIG. 8 is an operation flowchart during the warm-up operation in the third embodiment. The difference from the second embodiment shown in FIG. 7 is that steps S122 and S124 are provided. Step S122 is the same operation as step S140 of the second embodiment, but differs in that it is performed before step S130 is executed. When the power consumption of the
ステップS124では、制御装置700は、補機640の消費電力Q1が閾値Qth未満か否かを判断する。補機640の消費電力Q1が閾値Qth未満の場合には、ステップS130に移行し、補機640の消費電力Q1が閾値Qth以上の場合には、ステップS160に移行する。この閾値Qthは、予め定められた値である。ステップS124からステップS160に移行した場合、または、ステップS135において二次電池650への充電速度Winが予め定められた閾値Winthよりも小さい場合、第1エア供給量A1を算出するときの燃料電池100の発電量としてQ1が用いられる。一方、ステップS135において二次電池650への充電速度Winが予め定められた閾値Winth以上の場合、第1エア供給量A1を算出するときの燃料電池100の発電量として、第2の実施形態と同様に、二次電池650への充電速度Winを考慮した発電量Q2が用いられる。
In step S124,
第3の実施形態によれば、補機640の消費電力Q1が閾値Qth以上の場合には、二次電池650への充電を行わなくても、燃料電池システムの効率の低下を少なく出来る。
According to the third embodiment, when the power consumption Q1 of the
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。 The embodiments of the present invention have been described above based on some examples. However, the above-described embodiments of the present invention are for facilitating the understanding of the present invention and limit the present invention. It is not a thing. The present invention can be changed and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and it is needless to say that the present invention includes equivalents thereof.
10…燃料電池システム
100…燃料電池
200…燃料ガス供給系
210…燃料ガスタンク
220…燃料ガス供給管
230…燃料ガス排気管
240…燃料ガス還流管
250…主止弁
260…レギュレーター
280…気液分離器
290…水素ポンプ
300…エア供給系
310…エアクリーナ
320…エアコンプレッサ
330…酸化剤ガス供給管
340…分流弁
350…大気圧センサ
360…外気温センサ
370…エアフローメータ
380…供給ガス温度センサ
390…供給ガス圧力センサ
400…排ガス系
410…排ガス管
420…調圧弁
430…燃料ガス排出管
440…排気排水弁
450…酸化剤ガスバイパス管
470…サイレンサー
500…冷却系
510…冷却水供給管
515…冷却水排出管
520…ラジエータ管
525…ウォーターポンプ
530…ラジエータ
535…ラジエータファン
540…バイパス管
545…三方弁
600…負荷回路
605…燃料電池昇圧コンバーター
610…インバーター
620…主駆動モーター
630…DC/DCコンバーター
640…補機
650…二次電池
700…制御装置
710…エア供給量算出部
720…比較部
730…エア供給制御部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記車両の前記エアコンプレッサを含む補機の消費電力を算出し、前記消費電力を前記燃料電池が発電可能な暖機運転用の動作点において前記燃料電池を発電させるために必要な第1エア供給量を算出するエア供給量算出部と、
前記エア供給系より前記燃料電池に連続的にエアを供給可能な最低エア供給量である第2エア供給量と、前記第1エア供給量とを比較する比較部と、
前記第1エア供給量と前記第2エア供給量とのうち少なくない方のエア供給量を前記燃料電池に供給するように前記エア供給系を制御するエア供給制御部と、
を備える、制御装置。 A control device for controlling the amount of air supplied to the fuel cell so as to warm up the fuel cell of a vehicle equipped with a fuel cell system including an air supply system including an air compressor and a fuel cell,
First air supply necessary for calculating the power consumption of the auxiliary machine including the air compressor of the vehicle and generating the fuel cell at the operating point for warm-up operation where the fuel cell can generate the power consumption An air supply amount calculation unit for calculating the amount;
A comparison unit that compares the first air supply amount with a second air supply amount that is a minimum air supply amount capable of continuously supplying air to the fuel cell from the air supply system;
An air supply control unit for controlling the air supply system so as to supply the fuel cell with an air supply amount which is not less than the first air supply amount and the second air supply amount;
A control device comprising:
前記エア供給量算出部は、前記車両に搭載された二次電池が電力を受け入れ可能な場合、前記補機の消費電力と、前記二次電池の受け入れ可能な電力との和を発電可能な暖機運転用の動作点において前記燃料電池を運転させるために必要なエア供給量を前記第1エア供給量として算出する、制御装置。 The control device according to claim 1,
When the secondary battery mounted on the vehicle is capable of receiving power, the air supply amount calculation unit is a warmer capable of generating the sum of the power consumption of the auxiliary machine and the power that can be received by the secondary battery. A control device that calculates an air supply amount necessary for operating the fuel cell at an operating point for machine operation as the first air supply amount.
前記エア供給量算出部は、
(i)前記補機の消費電力が予め定められた閾値未満の場合には、前記補機の消費電力と、前記二次電池の受け入れ可能な電力との和を発電可能な暖機運転用の動作点において前記燃料電池を発電させるために必要なエア供給量を前記第1エア供給量として算出し、
(ii)前記補機の消費電力が前記閾値以上の場合には、前記補機の消費電力を発電可能な暖機運転用の動作点において前記燃料電池を発電させるために必要なエア供給量を前記第1エア供給量として算出する、制御装置。 The control device according to claim 2,
The air supply amount calculation unit
(I) When the power consumption of the auxiliary machine is less than a predetermined threshold, for warm-up operation capable of generating the sum of the power consumption of the auxiliary machine and the power acceptable by the secondary battery An air supply amount required to generate power at the operating point is calculated as the first air supply amount;
(Ii) When the power consumption of the auxiliary machine is equal to or greater than the threshold value, the air supply amount necessary for generating the fuel cell at the operating point for warm-up operation capable of generating the power consumption of the auxiliary machine is A control device that calculates the first air supply amount.
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