JP2017091682A - Fuel battery system control method and fuel battery system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery system control method and a fuel battery system that can prevent increase of warming time and overdischarge and overcharge of a battery.SOLUTION: In a fuel battery system control method to be executed when warming is performed in a fuel battery system which includes a fuel battery, a compressor for supplying air to an air supply path connected to the fuel battery, and a bypass valve for adjusting the flow rate of supply air from the air supply path to the fuel battery, the opening degree of the bypass valve is controlled based on a target air flow rate which is a target value of the supply air flow rate of the fuel battery determined based on a target voltage and an actual voltage of the fuel battery, and a compressor flow rate which is the flow rate of air supplied from the compressor to the air supply passage.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は燃料電池システム制御方法及び燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system control method and a fuel cell system.

車両に搭載される燃料電池は、氷点下などの使用環境において、燃料電池を起動してから最適な温度域に到達させるために暖機を行う。   A fuel cell mounted on a vehicle warms up in order to reach an optimal temperature range after starting the fuel cell in a usage environment such as below freezing.

上記暖機では、たとえば低温時に通常発電に比して電力損失が大きい低効率発電（低ストイキ運転とも言う）を行うことで、燃料電池の自己発熱量を増大させ、燃料電池を迅速に昇温する。この低効率発電は、例えば、燃料電池への水素や空気の供給流量を意図的に不足状態とするなどして行う。   In the warm-up, for example, low-efficiency power generation (also referred to as low-stoichiometric operation) with a large power loss at low temperatures compared to normal power generation increases the self-heating amount of the fuel cell and quickly raises the fuel cell temperature. To do. This low-efficiency power generation is performed, for example, by intentionally setting the supply flow rate of hydrogen or air to the fuel cell to be insufficient.

ここで、低効率発電中に燃料電池の運転動作点（電流、電圧）を変更するにあたり、電圧や電流の変化量が大きいと、燃料電池へのガス供給量を調整する補機（例えば、コンプレッサ）の制御値が不安定になり、補機損変動が発生する。そこで、特許文献１には、運転動作点を変更するにあたり、単位時間あたりの電流変化量又は電圧変化量を制限する燃料電池システムが開示されている。   Here, when changing the operating point (current, voltage) of the fuel cell during low-efficiency power generation, if the amount of change in voltage or current is large, an auxiliary device (for example, a compressor) that adjusts the gas supply amount to the fuel cell ) Control value becomes unstable, and accessory loss fluctuations occur. Therefore, Patent Document 1 discloses a fuel cell system that limits the amount of current change or voltage change per unit time when changing the operating point.

特許第４９３６１２６号Patent No. 4936126

しかしながら、特許文献１の技術では、運転動作点の変更時において本来要求される電流変化量又は電圧変化量よりもこれらが低くなるように制限しているので、暖機により時間がかかることとなる。また、電流変化量又は電圧変化量が低くなることで、目標発電量に対する追従性が低下するので、システムの電力収支バランスが損なわれ、バッテリの過放電及び過充電の発生が懸念される。   However, in the technique of Patent Document 1, since the current change amount or the voltage change amount that is originally required when the operation point is changed is limited to be lower, it takes time to warm up. . Moreover, since the followability with respect to the target power generation amount is reduced due to the decrease in the current change amount or the voltage change amount, the balance of power balance of the system is impaired, and there is a concern that the battery may be overdischarged and overcharged.

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、暖機時間の増大、及びバッテリの過放電や過充電を防止し得る燃料電池システム制御方法及び燃焼電池システムを提供することにある。   The present invention has been made paying attention to such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system control method and a combustion cell system capable of preventing an increase in warm-up time and battery overdischarge and overcharge. It is to provide.

本発明のある態様によれば、燃料電池と、燃料電池に接続する空気供給路に空気を供給するコンプレッサと、空気供給路から燃料電池に供給される供給空気流量を調節するバイパス弁と、を有する燃料電池システムで暖機時に実行される燃料電池システム制御方法が提供される。そして、この燃料電池システム制御方法では、燃料電池の目標電圧と実電圧とに基づいて決定される燃料電池の供給空気流量の目標値である目標空気流量と、コンプレッサから空気供給路に供給される空気の流量であるコンプレッサ流量と、に基づいてバイパス弁の開度を制御する。   According to an aspect of the present invention, a fuel cell, a compressor for supplying air to an air supply path connected to the fuel cell, and a bypass valve for adjusting a flow rate of supply air supplied from the air supply path to the fuel cell, A fuel cell system control method that is executed when the fuel cell system has a warm-up is provided. In this fuel cell system control method, the target air flow rate, which is the target value of the fuel cell supply air flow rate determined based on the target voltage and the actual voltage of the fuel cell, and the compressor is supplied to the air supply path. The opening degree of the bypass valve is controlled based on the compressor flow rate, which is the air flow rate.

これにより、燃料電池の暖機運転時において、バイパス弁の開度を調節するだけで、コンプレッサの出力を制御することなく、燃料電池の目標電圧とスタック電圧に応じたスタック空気流量を実現することができる。したがって、暖機運転時におけるコンプレッサの制御値の不安定性を生じることなく、燃料電池の実電圧を速やかに目標電圧に近づけることができる。すなわち、コンプレッサの制御値の不安定性に起因する暖機時間の増大やバッテリの過放電及び過充電といった問題を回避することができる。   As a result, the stack air flow rate corresponding to the target voltage and stack voltage of the fuel cell can be realized without adjusting the output of the compressor only by adjusting the opening of the bypass valve during the warm-up operation of the fuel cell. Can do. Therefore, the actual voltage of the fuel cell can be quickly brought close to the target voltage without causing instability of the control value of the compressor during the warm-up operation. That is, problems such as an increase in warm-up time and battery overdischarge and overcharge due to instability of the control value of the compressor can be avoided.

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図２は、燃料電池スタックの温度及び供給空気流量に応じた燃料電池スタックのＩＶ特性の変動について説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the variation of the IV characteristic of the fuel cell stack according to the temperature of the fuel cell stack and the supply air flow rate. 図３は、燃料電池スタックに供給される供給空気流量の目標値を求める流れを示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a flow for obtaining a target value of the supply air flow rate supplied to the fuel cell stack. 図４は、コンプレッサ流量の目標値を算出する流れを説明するブロック図である。FIG. 4 is a block diagram illustrating a flow for calculating the target value of the compressor flow rate. 図５は、バイパス弁の開度の目標値を算出する流れを示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing a flow of calculating a target value of the opening degree of the bypass valve. 図６は、一実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。FIG. 6 is a time chart for explaining the flow of the fuel cell system control method according to the embodiment. 図７は、一実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。FIG. 7 is a time chart illustrating the flow of the fuel cell system control method according to the embodiment. 図８は、一実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。FIG. 8 is a time chart illustrating the flow of the fuel cell system control method according to the embodiment.

以下、図面等を参照して本発明の各実施形態について説明する。   Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

（第１実施形態）
燃料電池セルは電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（空気）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。 (First embodiment)
In a fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (air) ) To generate electricity. The electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.

アノード電極 ： ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ …(２)
この（１）及び（２）の電極反応によって燃料電池セルは１ボルト程度の起電力を生じる。 Anode electrode: 2H 2 → 4H + + 4e − (1)
Cathode electrode: 4H + + 4e − + O 2 → 2H 2 O (2)
The fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).

燃料電池を車両用電力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。   When a fuel cell is used as a vehicle power source, the required power is large, so that it is used as a fuel cell stack 1 in which several hundred fuel cells are stacked. Then, the fuel cell system 100 that supplies the anode gas and the cathode gas to the fuel cell stack 1 is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成図である。なお、当図においては図面の簡略化のため、アノードガスの給排装置等は省略している。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 100 according to the first embodiment of the present invention. In the drawing, an anode gas supply / discharge device and the like are omitted for the sake of simplification.

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、スタック冷却装置４と、電力システム５と、コントローラ６と、を備える。   The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, a cathode gas supply / discharge device 2, a stack cooling device 4, a power system 5, and a controller 6.

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両を駆動するために必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２と、を備える。   The fuel cell stack 1 is formed by stacking a plurality of fuel cells 10 and receives the supply of anode gas and cathode gas to generate electric power necessary for driving the vehicle. The fuel cell stack 1 includes an anode electrode side output terminal 11 and a cathode electrode side output terminal 12 as terminals for taking out electric power.

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガス（空気）を供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、第１エアフローセンサ２４と、コンプレッサ２５と、第２エアフローセンサ２６と、カソード圧力センサ２７と、カソード調圧弁２８と、バイパス通路２９と、バイパス弁３０と、を備える。   The cathode gas supply / discharge device 2 supplies cathode gas (air) to the fuel cell stack 1 and discharges cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the outside air. The cathode gas supply / discharge device 2 includes a cathode gas supply passage 21, a cathode gas discharge passage 22, a filter 23, a first air flow sensor 24, a compressor 25, a second air flow sensor 26, a cathode pressure sensor 27, A cathode pressure regulating valve 28, a bypass passage 29, and a bypass valve 30 are provided.

カソードガス供給通路２１は、コンプレッサ２５からカソードガスが供給される空気供給路である。このカソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。   The cathode gas supply passage 21 is an air supply passage through which the cathode gas is supplied from the compressor 25. The cathode gas supply passage 21 has one end connected to the filter 23 and the other end connected to the cathode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.

カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、電極反応で使用されなかった酸素やカソードガス中に含まれる窒素、そして電極反応によって生じた水蒸気等の混合ガスである。   The cathode gas discharge passage 22 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 1 flows. One end of the cathode gas discharge passage 22 is connected to the cathode gas outlet hole of the fuel cell stack 1, and the other end is an open end. The cathode off gas is a mixed gas such as oxygen not used in the electrode reaction, nitrogen contained in the cathode gas, and water vapor generated by the electrode reaction.

また、このカソードガス排出通路２２には、図示しないアノード給排装置から排出されたアノードオフガスが合流する。これにより、カソードガス排出通路２２内のカソードオフガスがアノードオフガスと混合されることで、アノードオフガスの水素濃度を低下させて外部に放出することができる。   In addition, anode off gas discharged from an anode supply / discharge device (not shown) joins the cathode gas discharge passage 22. As a result, the cathode offgas in the cathode gas discharge passage 22 is mixed with the anode offgas, so that the hydrogen concentration of the anode offgas can be reduced and released to the outside.

フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込む空気中の異物を取り除く。   The filter 23 removes foreign substances in the air taken into the cathode gas supply passage 21.

第１エアフローセンサ２４は、カソードガス供給通路２１においてフィルタ２３の下流に設けられる。第１エアフローセンサ２４は、コンプレッサ２５により供給される空気の流量（以下「コンプレッサ流量」とも記載する）を検出する。   The first air flow sensor 24 is provided downstream of the filter 23 in the cathode gas supply passage 21. The first air flow sensor 24 detects the flow rate of air supplied by the compressor 25 (hereinafter also referred to as “compressor flow rate”).

コンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１において第１エアフローセンサ２４の下流に設けられる。コンプレッサ２５は、フィルタ２３を介して空気をカソードガス供給通路２１に供給する。なお、コンプレッサ２５の出力は、コントローラ６により制御される。   The compressor 25 is provided downstream of the first air flow sensor 24 in the cathode gas supply passage 21. The compressor 25 supplies air to the cathode gas supply passage 21 through the filter 23. Note that the output of the compressor 25 is controlled by the controller 6.

第２エアフローセンサ２６は、カソードガス供給通路２１においてバイパス通路２９との接続部より下流に設けられる。第２エアフローセンサ２６は、コンプレッサ２５からカソードガス供給通路２１に供給される空気のうち、燃料電池スタック１に供給される空気の流量（以下「スタック空気流量」とも記載する）を検出する。なお、スタック空気流量は、コンプレッサ流量からバイパス流量を引いた流量である。   The second airflow sensor 26 is provided in the cathode gas supply passage 21 downstream from the connection portion with the bypass passage 29. The second air flow sensor 26 detects the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 1 out of the air supplied from the compressor 25 to the cathode gas supply passage 21 (hereinafter also referred to as “stack air flow rate”). The stack air flow rate is a flow rate obtained by subtracting the bypass flow rate from the compressor flow rate.

カソード圧力センサ２７は、カソードガス供給通路２１において第２エアフローセンサ２６の下流に設けられる。カソード圧力センサ２７は、カソードガス入口側近傍の空気の圧力を検出する。本実施形態では、これを「コンプレッサ吐出圧力」して用いる。   The cathode pressure sensor 27 is provided downstream of the second airflow sensor 26 in the cathode gas supply passage 21. The cathode pressure sensor 27 detects the pressure of air near the cathode gas inlet side. In the present embodiment, this is used as “compressor discharge pressure”.

カソード調圧弁２８は、カソードガス排出通路２２において燃料電池スタック１の下流に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を所望の圧力に調節する。なお、カソード調圧弁２８を設けずに、オリフィス等の絞りを設けるようにしても良い。   The cathode pressure regulating valve 28 is provided downstream of the fuel cell stack 1 in the cathode gas discharge passage 22. The cathode pressure regulating valve 28 is controlled to be opened and closed by the controller 6 and adjusts the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 1 to a desired pressure. It should be noted that a restriction such as an orifice may be provided without providing the cathode pressure regulating valve 28.

バイパス通路２９は、コンプレッサ２５から吐出された空気の一部を、必要に応じて燃料電池スタック１を経由させずに直接カソードガス排出通路２２に排出することができるように設けられた通路である。バイパス通路２９は、一端がカソードガス供給通路２１におけるコンプレッサ２５の下流に接続され、他端がカソード調圧弁２８よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。   The bypass passage 29 is a passage provided so that a part of the air discharged from the compressor 25 can be directly discharged to the cathode gas discharge passage 22 without passing through the fuel cell stack 1 as necessary. . One end of the bypass passage 29 is connected downstream of the compressor 25 in the cathode gas supply passage 21, and the other end is connected to the cathode gas discharge passage 22 downstream of the cathode pressure regulating valve 28.

バイパス弁３０は、バイパス通路２９に設けられる。バイパス弁３０は、コントローラ６によって開閉制御されて、バイパス通路２９を流れる空気の流量（以下「バイパス流量」とも記載する）を調節する。すなわち、このバイパス弁３０によれば、コンプレッサ２５からカソードガス供給通路２１に供給された空気の内、燃料電池スタック１に供給される空気の流量（スタック空気流量）を調節することができる。   The bypass valve 30 is provided in the bypass passage 29. The bypass valve 30 is controlled to be opened and closed by the controller 6 to adjust the flow rate of air flowing through the bypass passage 29 (hereinafter also referred to as “bypass flow rate”). That is, according to the bypass valve 30, the flow rate of air supplied to the fuel cell stack 1 (stack air flow rate) among the air supplied from the compressor 25 to the cathode gas supply passage 21 can be adjusted.

スタック冷却装置４は、不凍液等である冷却水によって燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に調整する温度調整装置である。スタック冷却装置４は、循環通路４１と、ラジエータ４２と、冷却水バイパス通路４３と、三方弁４４と、冷却水循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、入口水温センサ４７と、出口水温センサ４８と、を備える。   The stack cooling device 4 is a temperature adjusting device that cools the fuel cell stack 1 with cooling water such as antifreeze and adjusts the fuel cell stack 1 to a temperature suitable for power generation. The stack cooling device 4 includes a circulation passage 41, a radiator 42, a cooling water bypass passage 43, a three-way valve 44, a cooling water circulation pump 45, a PTC heater 46, an inlet water temperature sensor 47, an outlet water temperature sensor 48, Is provided.

循環通路４１は、冷却水が循環するループ状通路として構成される。循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口部に接続される。   The circulation passage 41 is configured as a loop passage through which cooling water circulates. One end of the circulation passage 41 is connected to the cooling water inlet of the fuel cell stack 1 and the other end is connected to the cooling water outlet of the fuel cell stack 1.

ラジエータ４２は、循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の熱を外部に放熱する熱交換器である。   The radiator 42 is provided in the circulation passage 41. The radiator 42 is a heat exchanger that radiates heat of the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 to the outside.

冷却水バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を流す通路である。冷却水バイパス通路４３の一端はラジエータ４２の上流の循環通路４１に接続され、他端はラジエータ４２の下流の循環通路４１に設けられた三方弁４４に接続される。   The cooling water bypass passage 43 is a passage through which the cooling water flows by bypassing the radiator 42. One end of the cooling water bypass passage 43 is connected to the circulation passage 41 upstream of the radiator 42, and the other end is connected to a three-way valve 44 provided in the circulation passage 41 downstream of the radiator 42.

三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水温度が所定温度よりも高い場合、三方弁４４は、燃料電池スタック１から排出された冷却水がラジエータ４２を通じて再び燃料電池スタック１に供給されるように切り換えられる。これに対して、冷却水温度が所定温度よりも低い場合、三方弁４４は、燃料電池スタック１から排出された冷却水が冷却水バイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように切り換えられる。   The three-way valve 44 switches the cooling water circulation path according to the temperature of the cooling water. Specifically, when the cooling water temperature is higher than a predetermined temperature, the three-way valve 44 is switched so that the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 is supplied again to the fuel cell stack 1 through the radiator 42. On the other hand, when the coolant temperature is lower than the predetermined temperature, the three-way valve 44 causes the coolant discharged from the fuel cell stack 1 to flow through the coolant bypass passage 43 and be supplied to the fuel cell stack 1 again. Can be switched to.

冷却水循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流の循環通路４１に設けられ、冷却水を循環させる。   The cooling water circulation pump 45 is provided in the circulation passage 41 downstream of the three-way valve 44 and circulates the cooling water.

ＰＴＣヒータ４６は、冷却水バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水温度を上昇させる。   The PTC heater 46 is provided in the cooling water bypass passage 43. The PTC heater 46 is energized when the fuel cell stack 1 is warmed up to raise the coolant temperature.

入口水温センサ４７は燃料電池スタック１の冷却水入口部近傍の循環通路４１に設けられ、出口水温センサ４８は燃料電池スタック１の冷却水出口部近傍の循環通路４１に設けられる。入口水温センサ４７は燃料電池スタック１に流入する冷却水温度を検出し、出口水温センサ４８は燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。入口水温センサ４７によって検出された入口水温と出口水温センサ４８によって検出された出口水温とから算出される平均水温は、燃料電池スタック１の内部温度、いわゆるスタック温度として使用される。   The inlet water temperature sensor 47 is provided in the circulation passage 41 near the cooling water inlet portion of the fuel cell stack 1, and the outlet water temperature sensor 48 is provided in the circulation passage 41 near the cooling water outlet portion of the fuel cell stack 1. The inlet water temperature sensor 47 detects the temperature of the cooling water flowing into the fuel cell stack 1, and the outlet water temperature sensor 48 detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 1. The average water temperature calculated from the inlet water temperature detected by the inlet water temperature sensor 47 and the outlet water temperature detected by the outlet water temperature sensor 48 is used as the internal temperature of the fuel cell stack 1, that is, the so-called stack temperature.

電力システム５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、補機類５７と、を有している。   The power system 5 includes a current sensor 51, a voltage sensor 52, a voltage sensor 52, a travel motor 53, an inverter 54, a battery 55, a DC / DC converter 56, and auxiliary machinery 57. Yes.

電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出され、バッテリ５５、走行モータ５３、及びコンプレッサ２５などの補機類５７に供給される電流（以下「スタック電流」とも記載する）を検出する。   The current sensor 51 detects a current (hereinafter also referred to as “stack current”) that is taken out from the fuel cell stack 1 and supplied to the auxiliary devices 57 such as the battery 55, the traveling motor 53, and the compressor 25.

電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間の端子間電圧（以下「スタック電圧」とも記載する）を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出し、燃料電池１０の総電圧を出力電圧として検出している。なお、燃料電池１０の複数枚ごとの電圧（セル群電圧）を検出するようにしても良い。   The voltage sensor 52 detects an inter-terminal voltage (hereinafter also referred to as “stack voltage”) between the anode electrode side output terminal 11 and the cathode electrode side output terminal 12. The voltage sensor 52 detects the voltage of each fuel cell 10 constituting the fuel cell stack 1 and detects the total voltage of the fuel cell 10 as an output voltage. In addition, you may make it detect the voltage (cell group voltage) for every several sheets of the fuel cell 10. FIG.

走行モータ５３は、車両を駆動するための駆動源である。走行モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。   The travel motor 53 is a drive source for driving the vehicle. The travel motor 53 is a three-phase AC synchronous motor in which a permanent magnet is embedded in a rotor and a stator coil is wound around a stator. The travel motor 53 functions as an electric motor that is driven to rotate by receiving electric power supplied from the fuel cell stack 1 and the battery 55, and power generation that generates electromotive force at both ends of the stator coil during deceleration of the vehicle in which the rotor is rotated by external force. Function as a machine.

インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数のスイッチング素子から構成される。インバータ５４のスイッチング素子は、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ５４は、走行モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ５３に供給する。一方で、走行モータ５３を発電機として機能させるときは、走行モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。   The inverter 54 includes a plurality of switching elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). The switching element of the inverter 54 is controlled to be opened / closed by the controller 6, whereby DC power is converted to AC power or AC power is converted to DC power. When the drive motor 53 functions as an electric motor, the inverter 54 converts the combined DC power of the power generated by the fuel cell stack 1 and the output power of the battery 55 into three-phase AC power and supplies the three-phase AC power to the drive motor 53. On the other hand, when the traveling motor 53 functions as a generator, the regenerative power (three-phase alternating current power) of the traveling motor 53 is converted into direct current power and supplied to the battery 55.

バッテリ５５は、充放電が可能な二次電池である。バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ５３の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じて補機類５７及び走行モータ５３に供給される。   The battery 55 is a secondary battery that can be charged and discharged. The battery 55 charges the surplus power generated by the fuel cell stack 1 (output current × output voltage) and the regenerative power of the traveling motor 53. The electric power charged in the battery 55 is supplied to the auxiliary machinery 57 and the traveling motor 53 as necessary.

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、複数のスイッチング素子とリアクトルとを含み、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の直流電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御されると共に、バッテリ５５の充放電が制御される。   The DC / DC converter 56 is a bidirectional DC voltage converter that includes a plurality of switching elements and a reactor, and steps up and down the output voltage of the fuel cell stack 1. By controlling the output voltage of the fuel cell stack 1 by the DC / DC converter 56, the output current of the fuel cell stack 1, and thus the generated power, are controlled, and the charging / discharging of the battery 55 is controlled.

補機類５７は、コンプレッサ２５、ＰＴＣヒータ４６、及び冷却水循環ポンプ４５等の走行モータ５３以外の電気機器である。   The auxiliary machinery 57 is an electrical device other than the traveling motor 53 such as the compressor 25, the PTC heater 46, and the cooling water circulation pump 45.

湿潤状態検出装置６０は、電流センサ５１による出力電流の検出値及び電圧センサ５２による出力電圧の検出値に基づいて、燃料電池スタック１の高周波数帯（例えば、数十ＫＨｚ以上）の内部インピーダンス値であるＨＦＲ（High Frequency Resistance）値を取得する。そして、湿潤状態検出装置６０は、この検出したＨＦＲ値と燃料電池の電解質膜の湿潤度との関係を示すマップに基づいて、燃料電池スタック１を構成する燃料電池セルの電解質膜の湿潤状態を検出する。このマップにおいて、ＨＦＲ値と電解質膜の湿潤度（保水量）は、ＨＦＲ値が大きくなるほど電解質膜の湿潤度が小さくなる関係にあり、ＨＦＲ値が定まれば保水量が一意に定まることとなる。   The wet state detection device 60 is based on the detected value of the output current by the current sensor 51 and the detected value of the output voltage by the voltage sensor 52, and the internal impedance value in the high frequency band (for example, several tens KHz or more) of the fuel cell stack 1. The HFR (High Frequency Resistance) value is acquired. The wet state detection device 60 determines the wet state of the electrolyte membranes of the fuel cells constituting the fuel cell stack 1 based on the map indicating the relationship between the detected HFR value and the wetness of the electrolyte membrane of the fuel cell. To detect. In this map, the HFR value and the wetness (water retention amount) of the electrolyte membrane are in a relationship in which the wetness of the electrolyte membrane decreases as the HFR value increases. If the HFR value is determined, the water retention amount is uniquely determined. .

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。本実施形態では、コントローラ６は、供給空気量流量設定装置として機能する。   The controller 6 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). In this embodiment, the controller 6 functions as a supply air amount flow rate setting device.

コントローラ６は、燃料電池システム１００に設けられた各種センサからの入力信号と、燃料電池システム１００に設けられた各制御部品等に対する指令値とに基づいて、燃料電池スタック１を発電させる。   The controller 6 generates power in the fuel cell stack 1 based on input signals from various sensors provided in the fuel cell system 100 and command values for each control component provided in the fuel cell system 100.

具体的に、コントローラ６には、第１エアフローセンサ２４、第２エアフローセンサ２６、カソード圧力センサ２７、入口水温センサ４７、出口水温センサ４８、電流センサ５１、及び電圧センサ５２からの信号が入力される。   Specifically, the controller 6 receives signals from the first air flow sensor 24, the second air flow sensor 26, the cathode pressure sensor 27, the inlet water temperature sensor 47, the outlet water temperature sensor 48, the current sensor 51, and the voltage sensor 52. The

また、コントローラ６は、上記各種センサからの入力信号に基づいて、コンプレッサ２５の出力、カソード調圧弁２８の開度、バイパス弁３０の開度、三方弁４４の開度、冷却水循環ポンプ４５の回転速度、及びＰＴＣヒータ４６の出力を制御する。   The controller 6 also outputs the output of the compressor 25, the opening of the cathode pressure regulating valve 28, the opening of the bypass valve 30, the opening of the three-way valve 44, and the rotation of the cooling water circulation pump 45 based on the input signals from the various sensors. The speed and the output of the PTC heater 46 are controlled.

特に、コントローラ６は、上述した入口水温センサ４７と出口水温センサ４８のそれぞれの検出値の平均値として得られるスタック温度を調節するために、三方弁４４の開度、冷却水循環ポンプ４５の出力、及びＰＴＣヒータ４６の出力を制御する。特に、暖機時においては燃料電池スタック１の温度を速やかに昇温するように、冷却水循環ポンプ４５の回転速度を可変範囲の上限値に設定すると共に、ＰＴＣヒータ４６の出力、すなわち発熱量を可変範囲の上限値に設定する。   In particular, the controller 6 adjusts the stack temperature obtained as the average value of the detected values of the inlet water temperature sensor 47 and the outlet water temperature sensor 48 described above, the opening of the three-way valve 44, the output of the cooling water circulation pump 45, And the output of the PTC heater 46 is controlled. In particular, at the time of warm-up, the rotational speed of the coolant circulation pump 45 is set to the upper limit value of the variable range so that the temperature of the fuel cell stack 1 is quickly raised, and the output of the PTC heater 46, that is, the heat generation amount, is set. Set to the upper limit of the variable range.

また、コントローラ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して補機類５７に加えてインバータ５４を介して走行モータ５３にも燃料電池スタック１で発電した発電電力を供給する。   The controller 6 controls the DC / DC converter 56 to supply the generated power generated by the fuel cell stack 1 to the traveling motor 53 via the inverter 54 in addition to the auxiliary machinery 57.

そして、本実施形態においては、コントローラ６は、暖機時において、燃料電池スタック１の目標電圧（以下では、「目標スタック電圧」とも記載する）と、電圧センサ５２により検出された燃料電池スタック１の実電圧（以下では、「スタック実電圧」とも記載する）に基づいて、バイパス弁３０開度を制御する。なお、暖機時におけるバイパス弁３０の制御については、後に詳細に説明する。   In the present embodiment, the controller 6 detects the target voltage of the fuel cell stack 1 (hereinafter also referred to as “target stack voltage”) and the fuel cell stack 1 detected by the voltage sensor 52 during warm-up. Of the bypass valve 30 is controlled based on the actual voltage (hereinafter also referred to as “stack actual voltage”). The control of the bypass valve 30 during warm-up will be described in detail later.

以下では、燃料電池スタック１の暖機運転について説明する。   Hereinafter, the warm-up operation of the fuel cell stack 1 will be described.

そして、本実施形態ではコントローラ６は、スタック温度が発電に適した温度よりも低い場合に暖機フラグをセットする。暖機フラグが設定されている場合には、コントローラ６は燃料電池スタック１の温度が、発電に適した発電温度まで暖機運転を行う。   In this embodiment, the controller 6 sets the warm-up flag when the stack temperature is lower than the temperature suitable for power generation. When the warm-up flag is set, the controller 6 performs the warm-up operation until the temperature of the fuel cell stack 1 reaches the power generation temperature suitable for power generation.

暖機運転では、コントローラ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して燃料電池スタック１から補機類５７へ電力を供給することで、補機類５７の駆動に必要な電力を燃料電池スタック１で発電させる。これにより、燃料電池スタック１の発電に伴う発熱によって燃料電池スタック１自体が暖機される。   In the warm-up operation, the controller 6 controls the DC / DC converter 56 to supply electric power from the fuel cell stack 1 to the auxiliary devices 57, thereby supplying the electric power necessary for driving the auxiliary devices 57 to the fuel cell stack 1. To generate electricity. Thereby, the fuel cell stack 1 itself is warmed up by the heat generated by the power generation of the fuel cell stack 1.

特に、発電に伴う発熱を高める観点から、目標スタック電圧を暖機用の固有の値（非暖機時の目標スタック電圧よりも小さい値）に設定する。   In particular, the target stack voltage is set to a unique value for warm-up (a value smaller than the target stack voltage during non-warm-up) from the viewpoint of increasing the heat generated by power generation.

一方、コントローラ６は、暖機時において補機類５７から要求される要求電力に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流の目標値（以下「目標スタック電流」という。）を設定する。   On the other hand, the controller 6 sets a target value (hereinafter referred to as “target stack current”) of the current to be extracted from the fuel cell stack 1 based on the required power required from the auxiliary machinery 57 during warm-up.

ここで、暖機時においては、上記目標スタック電圧や上記目標スタック電流に対して本来想定されるスタック空気流量よりも少ないスタック空気流量を設定し、発電効率を低下させた低効率運転（低ストイキ運転）を行う。なお、本実施形態において「ストイキ比」とは、スタック電流を目標スタック電流にするために理論上必要なスタック空気流量と、実際のスタック空気流量と、の比（＝実際のスタック空気流量／理論上必要なスタック空気流量）である。   Here, at the time of warm-up, the stack air flow rate that is lower than the stack air flow rate originally assumed for the target stack voltage and the target stack current is set to reduce the power generation efficiency (low stoichiometric operation). Drive). In the present embodiment, the “stoichiometric ratio” is the ratio of the stack air flow rate theoretically required to make the stack current the target stack current and the actual stack air flow rate (= actual stack air flow rate / theoretical). Required stack air flow).

この暖機時に行われる低ストイキ運転についてより詳細に説明する。   The low stoichiometric operation performed during the warm-up will be described in detail.

図２は、燃料電池スタック１の温度及びスタック空気流量に応じた燃料電池スタック１のＩＶ特性の変動について説明する図である。図２において、燃料電池スタック１の非暖機時における通常運転状態のＩＶ特性を基準ＩＶ特性Ｃ１として示す。また、燃料電池スタック１が、発電に適した温度よりも低い低温状態である場合におけるＩＶ特性を低温時ＩＶ特性Ｃ２として示す。さらに、燃料電池スタック１の低温状態においてスタック空気流量を低下させた低ストイキ運転時におけるＩＶ特性を、低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３として示す。   FIG. 2 is a diagram for explaining the variation in the IV characteristics of the fuel cell stack 1 according to the temperature of the fuel cell stack 1 and the flow rate of the stack air. In FIG. 2, the IV characteristic in the normal operation state when the fuel cell stack 1 is not warmed up is shown as the reference IV characteristic C1. In addition, an IV characteristic in the case where the fuel cell stack 1 is in a low temperature state lower than a temperature suitable for power generation is shown as a low temperature IV characteristic C2. Further, an IV characteristic at the time of low stoichiometric operation in which the stack air flow rate is reduced in the low temperature state of the fuel cell stack 1 is shown as an IV characteristic C3 at the time of low stoichiometric operation.

図２に示すように、燃料電池スタック１のＩＶ特性は燃料電池スタック１の温度やスタック空気流量に応じて変化する。具体的には、スタック温度が高い場合ほど、同じ値のスタック電流を燃料電池から取り出したときのスタック電圧は高くなる（発電効率が高くなる）。また、スタック空気流量が高いほど、同じ値のスタック電流を燃料電池スタック１から取り出したときのスタック電圧は高くなる（発電効率が高くなる）。すなわち、燃料電池スタック１が低温状態であるときやスタック空気流量が低いときほど、燃料電池スタック１の発電効率は低下することとなる。   As shown in FIG. 2, the IV characteristics of the fuel cell stack 1 vary according to the temperature of the fuel cell stack 1 and the stack air flow rate. Specifically, the higher the stack temperature, the higher the stack voltage when the same stack current value is extracted from the fuel cell (the power generation efficiency increases). Further, the higher the stack air flow rate, the higher the stack voltage when the same stack current value is extracted from the fuel cell stack 1 (the higher the power generation efficiency). That is, the power generation efficiency of the fuel cell stack 1 decreases as the fuel cell stack 1 is in a low temperature state or the stack air flow rate is lower.

ここで、図２に示す低温時ＩＶ特性Ｃ２を参照すれば理解されるように、燃料電池スタック１の暖機運転時においては、スタック温度は、燃料電池スタック１の発電温度よりも低いので、基準ＩＶ特性よりも効率が低くなっている。   Here, as understood with reference to the low-temperature IV characteristic C2 shown in FIG. 2, during the warm-up operation of the fuel cell stack 1, the stack temperature is lower than the power generation temperature of the fuel cell stack 1, Efficiency is lower than the standard IV characteristic.

一方で、暖機時には、意図的にスタック空気流量を本来必要とされる値よりも低下させる低ストイキ運転を行うことにより、ＩＶ特性がより低下して低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３をとることとなる。   On the other hand, at the time of warm-up, by performing a low stoichiometric operation that intentionally lowers the stack air flow rate to a value that is originally required, the IV characteristic is further lowered and the low stoichiometric operation IV characteristic C3 is taken. Become.

ここで、低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３は、発電効率としては他の特性と比較して低い。しかしながら、発電の損失により発生する熱量は、理論特性電圧と実際の出力電圧との差によって与えられるので、低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３では、基準ＩＶ特性Ｃ１や低温時ＩＶ特性Ｃ２と比較して得られる損失熱が大きい。したがって、燃料電池スタック１を低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３にしたがい作動させることで暖機時間を短縮することができる。   Here, the low stoichiometric operation IV characteristic C3 is lower in power generation efficiency than other characteristics. However, since the amount of heat generated due to the loss of power generation is given by the difference between the theoretical characteristic voltage and the actual output voltage, the low stoichiometric operation IV characteristic C3 is compared with the reference IV characteristic C1 and the low temperature IV characteristic C2. Large heat loss is obtained. Therefore, the warm-up time can be shortened by operating the fuel cell stack 1 according to the IV characteristic C3 during the low stoichiometric operation.

さらに、従来、暖機時においては、暖機速度を向上させて燃料電池スタック１の内部温度を上昇させるにあたり、燃料電池スタック１の動作点を通常の動作点（Ｉ１、Ｖ１）よりも熱損失の大きい動作点（Ｉ２、Ｖ２）にシフトしていた。   Further, conventionally, during warm-up, when the warm-up speed is increased and the internal temperature of the fuel cell stack 1 is increased, the operating point of the fuel cell stack 1 is lost more than the normal operating point (I1, V1). The operating point was shifted to a large operating point (I2, V2).

この運転点をシフトさせるにあたり、目標スタック電圧として、通常の運転状態（非暖機時）の目標スタック電圧よりも低い暖機用の目標スタック電圧に設定し、これに合せてスタック空気流量の目標値（以下では「目標スタック空気流量」とも記載する）を設定し、この目標スタック空気流量に基づいてコンプレッサ２５の出力（消費電力）を定めていた。   When shifting this operating point, the target stack voltage is set to a target stack voltage for warm-up that is lower than the target stack voltage in the normal operation state (during non-warm-up), and the target stack air flow rate is set accordingly. A value (hereinafter also referred to as “target stack air flow rate”) was set, and the output (power consumption) of the compressor 25 was determined based on this target stack air flow rate.

しかし、コンプレッサ２５の消費電力は、スタック電流の目標値（以下では、「目標スタック電流」とも記載する）の決定に影響する制御パラメータでもある。したがって、このように決定された目標スタック電流に基づき、燃料電池スタック１の電流を制御すると、これに応じてスタック電圧が変化することになる。したがって、運転点の変更に係る制御を行うにあたり、制御ループが構成されることとなり、コンプレッサ２５の制御値の不安定性を招くこととなる。   However, the power consumption of the compressor 25 is also a control parameter that affects the determination of the target value of the stack current (hereinafter also referred to as “target stack current”). Therefore, when the current of the fuel cell stack 1 is controlled based on the target stack current determined in this way, the stack voltage changes accordingly. Therefore, when performing control related to the change of the operating point, a control loop is formed, resulting in instability of the control value of the compressor 25.

これに対して、特許第４９３６１２６号の特許公報に記載の方法では、運転点の変更における電流変化量や電圧変化量を制限して、制御値の不安定性を解消している。しかしながら、この方法では、上述したように、本来、目標とされる運転点への変更までに時間がかかり、暖機時間の増大や目標発電量に対する追従性の低下によるバッテリの過放電及び過充電の発生が懸念される。   On the other hand, in the method described in Japanese Patent No. 4936126, the instability of the control value is eliminated by limiting the current change amount and the voltage change amount in changing the operating point. However, in this method, as described above, it takes time to change to the originally targeted operating point, and overdischarge and overcharge of the battery due to an increase in warm-up time and a decrease in followability to the target power generation amount. There is concern about the occurrence of

そこで、本発明者らは、目標スタック電圧と実スタック電圧（実電圧）に基づいて決定される目標スタック空気流量（目標空気流量）及びコンプレッサ流量に基づいて、バイパス弁３０の開度を制御し、スタック空気流量を調節するという思想に想到した。これにより、目標スタック空気流量に応じたコンプレッサ２５の出力変更を行う必要がなくなるので、電流変化量や電圧変化量を制限することなく運転点の変更を行っても、上述したコンプレッサ２５の制御値の不安定性の問題が生じない。   Therefore, the inventors control the opening degree of the bypass valve 30 based on the target stack air flow (target air flow) determined based on the target stack voltage and the actual stack voltage (actual voltage) and the compressor flow. I came up with the idea of adjusting the stack air flow. This eliminates the need to change the output of the compressor 25 in accordance with the target stack air flow rate. Therefore, even if the operating point is changed without limiting the current change amount or the voltage change amount, the control value of the compressor 25 described above. Instability problems do not occur.

以下では、図３〜図５のブロック図、及び図６のタイムチャートを用いて本実施形態の具体的制御について説明する。なお、図３〜図５で示されるブロックの機能は、コントローラ６により実現される。   Below, the specific control of this embodiment is demonstrated using the block diagrams of FIGS. 3-5, and the time chart of FIG. The functions of the blocks shown in FIGS. 3 to 5 are realized by the controller 6.

図３は、目標スタック空気流量を求める流れを示すブロック図である。図示のように、当ブロックは、電圧差算出部Ｂ１００と、暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１と、暖機時目標スタック空気流量算出部Ｂ１０２と、非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３と、を有している。   FIG. 3 is a block diagram showing a flow for obtaining the target stack air flow rate. As illustrated, this block includes a voltage difference calculation unit B100, a warm-up target stoichiometric ratio calculation unit B101, a warm-up target stack air flow rate calculation unit B102, and a non-warm-up target stoichiometric ratio calculation unit B103. ,have.

図示のように、電圧差算出部Ｂ１００には、既に述べた暖機用の固有の値として定められた暖機時目標スタック電圧と、実スタック電圧と、が入力される。そして、電圧差算出部Ｂ１００は、この目標スタック電圧から実スタック電圧を減算して得られる電圧差を暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１に出力する。   As shown in the figure, the warm-up target stack voltage and the actual stack voltage determined as the unique values for warm-up described above are input to the voltage difference calculation unit B100. Then, the voltage difference calculation unit B100 outputs a voltage difference obtained by subtracting the actual stack voltage from the target stack voltage to the warm-up target stoichiometric ratio calculation unit B101.

暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１には、電圧差算出部Ｂ１００で演算された電圧差とスタック温度が入力される。   The voltage difference calculated by the voltage difference calculation unit B100 and the stack temperature are input to the warm-up time target stoichiometric ratio calculation unit B101.

そして、暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１は、上記電圧差、スタック温度、及び目標ストイキ比の関係を示すマップを記憶している。このマップは、図２で説明した燃料電池スタック１のＩＶ特性におけるスタック流量やスタック温度に対する感度を考慮して予め設定される。当該マップでは、電圧差が大きくなると目標ストイキ比が低下するとともに、スタック温度が高くなると、電圧差あたりの目標ストイキ比が低下する関係にある。   The warm-up time target stoichiometric ratio calculation unit B101 stores a map indicating the relationship between the voltage difference, the stack temperature, and the target stoichiometric ratio. This map is set in advance in consideration of the sensitivity to the stack flow rate and the stack temperature in the IV characteristics of the fuel cell stack 1 described in FIG. In this map, the target stoichiometric ratio decreases as the voltage difference increases, and the target stoichiometric ratio per voltage difference decreases as the stack temperature increases.

このマップにおいて電圧差が大きい場合は、暖機運転の開始時などが想定され、スタック電圧を暖機時目標スタック電圧へ低下させるにあたり、燃料電池スタック１を低効率発電とすべく目標ストイキ比を低下させている。さらに、このマップでは、スタック温度が高くなると、ＩＶ特性が向上することを考慮し、スタック温度の上昇に伴いストイキ比を１に近づけるべく目標ストイキ比を低下させるようにしている。   When the voltage difference is large in this map, it is assumed that the warm-up operation is started, and the target stoichiometric ratio is set so that the fuel cell stack 1 has low efficiency power generation when the stack voltage is lowered to the target stack voltage during warm-up. It is decreasing. Further, in this map, considering that the IV characteristic is improved when the stack temperature is increased, the target stoichiometric ratio is lowered so that the stoichiometric ratio approaches 1 as the stack temperature increases.

暖機時目標スタック空気流量算出部Ｂ１０２には、暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１で算出された目標ストイキ比と、補機類５７等による要求電力や暖機時における発電よる発熱量に応じて定められる目標スタック電流と、が入力される。   The warm-up target stack air flow rate calculation unit B102 is responsive to the target stoichiometric ratio calculated by the warm-up target stoichiometric ratio calculation unit B101, the power required by the auxiliary machinery 57, and the amount of heat generated by power generation during warm-up. And a target stack current determined in the following manner.

そして、暖機時目標スタック空気流量算出部Ｂ１０２は、目標ストイキ比と目標スタック電流に基づいて、暖機時におけるスタック空気流量の目標値である暖機時目標スタック空気流量を算出して出力する。   Then, the warm-up target stack air flow rate calculation unit B102 calculates and outputs a warm-up target stack air flow rate that is a target value of the stack air flow rate during warm-up based on the target stoichiometric ratio and the target stack current. .

一方で、非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３には、上述した目標スタック電流が入力される。非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３は、目標スタック電流と目標ストイキ比の関係を示すマップを記憶している。このマップでは、目標スタック電流が大きくなるほど目標ストイキ比が低下する関係にある。そして、非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３は、このマップに基づき、目標スタック電流から非暖機時における目標ストイキ比を算出して出力する。   On the other hand, the target stack current described above is input to the non-warm-up target stoichiometric ratio calculation unit B103. The non-warm-up time target stoichiometric ratio calculation unit B103 stores a map indicating the relationship between the target stack current and the target stoichiometric ratio. In this map, the target stoichiometric ratio decreases as the target stack current increases. Based on this map, the non-warm-up target stoichiometric ratio calculation unit B103 calculates and outputs the target stoichiometric ratio at the non-warm-up time based on the target stack current.

そして、燃料電池スタック１の暖機フラグがＯＮである場合、すなわち燃料電池スタック１が暖機中である場合には、目標スタック空気流量として、暖機時目標スタック空気流量算出部Ｂ１０２で算出された暖機時目標スタック空気流量が選択される。一方で、燃料電池スタック１の暖機フラグがＯＦＦである場合、すなわち燃料電池スタック１が暖機中ではない場合には、目標スタック空気流量として、非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３で算出された目標ストイキ比に基づく非暖機時目標スタック空気流量が選択される。   When the warm-up flag of the fuel cell stack 1 is ON, that is, when the fuel cell stack 1 is warming up, the target stack air flow rate is calculated by the target stack air flow rate calculation unit B102 during warm-up. The warm-up target stack air flow rate is selected. On the other hand, when the warm-up flag of the fuel cell stack 1 is OFF, that is, when the fuel cell stack 1 is not warming up, the target stoichiometric ratio calculation unit B103 calculates the target stack air flow rate. A non-warm-up target stack air flow based on the target stoichiometric ratio is selected.

図４は、目標コンプレッサ流量を算出する流れを説明するブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram illustrating a flow for calculating the target compressor flow rate.

当該ブロックには、ミニマムセレクト部Ｂ２０１と、マックスセレクト部Ｂ２０２と、が含まれている。   The block includes a minimum selection unit B201 and a maximum selection unit B202.

本実施形態では、目標コンプレッサ流量として、非暖機時に設定される非暖機時目標コンプレッサ流量と、暖機時の基本目標値となる暖機時基本目標コンプレッサ流量と、燃料電池スタック１内の保水量を考慮して定められる保水量制限目標コンプレッサ流量と、バイパス通路２９を通過することが許容される流量を考慮して定められるバイパス制限目標コンプレッサ流量と、が定められている。   In the present embodiment, as the target compressor flow rate, the non-warm-up target compressor flow rate set during non-warm-up, the warm-up basic target compressor flow rate that is the basic target value during warm-up, and the fuel cell stack 1 A water retention limit target compressor flow rate determined in consideration of the water retention amount and a bypass limit target compressor flow rate determined in consideration of a flow rate allowed to pass through the bypass passage 29 are determined.

そして、ミニマムセレクト部Ｂ２０１には、暖機時基本目標コンプレッサ流量と、保水量制限目標コンプレッサ流量と、バイパス制限目標コンプレッサ流量と、が入力される。ミニマムセレクト部Ｂ２０１は、これらの値の最小値を暖機時目標コンプレッサ流量として選択する。すなわち、暖機時においては目標コンプレッサ流量として、基本的には暖機時基本目標コンプレッサ流量を設定するものの、燃料電池スタック１内の保水量が多すぎる場合やバイパス通路２９を通過可能な流量を超える可能性がある場合には、これらを考慮して目標コンプレッサ流量が暖機時基本目標コンプレッサ流量以外の値に設定される。   Then, the warm-up basic target compressor flow rate, the water retention amount restriction target compressor flow rate, and the bypass restriction target compressor flow rate are input to the minimum selection unit B201. The minimum selection unit B201 selects the minimum value of these values as the warm-up target compressor flow rate. That is, while the warm-up basic target compressor flow rate is basically set as the target compressor flow rate, the flow rate that can pass through the bypass passage 29 when the water retention amount in the fuel cell stack 1 is too large is set. When there is a possibility of exceeding, the target compressor flow rate is set to a value other than the warm-up basic target compressor flow rate in consideration of these.

そして、燃料電池スタック１の暖機フラグがＯＮである場合には、ミニマムセレクト部Ｂ２０１から出力された暖機時目標コンプレッサ流量が、マックスセレクト部Ｂ２０２に出力される。一方で、燃料電池スタック１の暖機フラグがＯＦＦである場合には、非暖機時目標コンプレッサ流量が、目標コンプレッサ流量の候補値としてマックスセレクト部Ｂ２０２に出力される。   When the warm-up flag of the fuel cell stack 1 is ON, the warm-up target compressor flow rate output from the minimum select unit B201 is output to the maximum select unit B202. On the other hand, when the warm-up flag of the fuel cell stack 1 is OFF, the non-warm-up target compressor flow rate is output to the max select unit B202 as a target compressor flow rate candidate value.

さらに、マックスセレクト部Ｂ２０２は、上記目標コンプレッサ流量の候補値と、燃料電池スタック１の希釈要求に基づく希釈要求目標流量と、が入力される。ここで、希釈要求目標流量とは、カソードガス排出通路２２に排出されるアノードオフガスを所定の水素濃度まで希釈するために、バイパス通路２９を介してカソードガス排出通路２２に供給する空気量を確保する観点から定められる目標流量である。すなわち、燃料電池システム１００の要求として、コンプレッサ流量は、この希釈要求目標流量を下回らないように設定する必要がある。   Further, the maximum selector B202 receives the target compressor flow rate candidate value and the dilution request target flow rate based on the dilution request of the fuel cell stack 1. Here, the target flow required for dilution is to secure the amount of air supplied to the cathode gas discharge passage 22 via the bypass passage 29 in order to dilute the anode off gas discharged to the cathode gas discharge passage 22 to a predetermined hydrogen concentration. This is the target flow rate determined from the viewpoint of That is, as a request of the fuel cell system 100, it is necessary to set the compressor flow rate so as not to fall below this dilution request target flow rate.

したがって、マックスセレクト部Ｂ２０２は、上記目標コンプレッサ流量の候補値と希釈要求目標流量の内の大きい方の値を、目標コンプレッサ流量として出力する。これにより、暖機時における目標のコンプレッサ流量と希釈要求による目標のコンプレッサ流量の双方が確保されることとなる。   Therefore, the max select unit B202 outputs the larger value of the target compressor flow rate candidate value and the dilution request target flow rate as the target compressor flow rate. As a result, both the target compressor flow rate during warm-up and the target compressor flow rate due to the dilution request are ensured.

したがって、コンプレッサ２５の出力は、コンプレッサ流量が上記算出された目標コンプレッサ流量に近づくように制御されることとなる。   Therefore, the output of the compressor 25 is controlled so that the compressor flow rate approaches the calculated target compressor flow rate.

図５は、バイパス弁３０の開度の目標値（以下では「目標バイパス弁開度」とも記載する）を算出する流れを示すブロック図である。   FIG. 5 is a block diagram showing a flow of calculating a target value of the opening degree of the bypass valve 30 (hereinafter also referred to as “target bypass valve opening degree”).

当該ブロックは、バイパス通路２９の流量の目標値である目標バイパス流量を算出する目標バイパス流量算出部Ｂ３０１と、目標バイパス弁開度を算出する目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２と、を有している。   The block includes a target bypass flow rate calculation unit B301 that calculates a target bypass flow rate that is a target value of the flow rate of the bypass passage 29, and a target bypass valve opening degree calculation unit B302 that calculates a target bypass valve opening amount. Yes.

目標バイパス流量算出部Ｂ３０１には、図３で説明した方法で算出された目標スタック空気流量と、図４で説明した方法で算出された目標コンプレッサ流量と、が入力される。   The target bypass flow rate calculation unit B301 receives the target stack air flow rate calculated by the method described in FIG. 3 and the target compressor flow rate calculated by the method described in FIG.

そして、目標バイパス流量算出部Ｂ３０１は、目標コンプレッサ流量から目標スタック空気流量を減算して目標バイパス流量を算出し、目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２に出力する。   Then, the target bypass flow rate calculation unit B301 calculates the target bypass flow rate by subtracting the target stack air flow rate from the target compressor flow rate, and outputs the target bypass flow rate calculation unit B302.

目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２には、目標バイパス流量と、コンプレッサ２５の吐出圧力（カソード圧力センサ２７で検出される圧力）と、が入力される。   A target bypass flow rate and the discharge pressure of the compressor 25 (pressure detected by the cathode pressure sensor 27) are input to the target bypass valve opening calculation unit B302.

そして、目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２は、上記目標バイパス流量、コンプレッサ吐出圧力、及び目標バイパス弁開度の関係を示すマップを記憶している。当該マップでは、目標バイパス流量が大きくなると目標バイパス弁開度が増加するとともに、コンプレッサ吐出圧力が高くなると目標バイパス弁開度が低下する関係にある。すなわち、このマップによれば、目標バイパス流量が大きくなる場合には、バイパス通路２９により多くの空気を流すべく目標バイパス弁開度がより大きく設定される。   The target bypass valve opening calculation unit B302 stores a map showing the relationship between the target bypass flow rate, the compressor discharge pressure, and the target bypass valve opening. In this map, the target bypass valve opening increases as the target bypass flow rate increases, and the target bypass valve opening decreases as the compressor discharge pressure increases. That is, according to this map, when the target bypass flow rate is increased, the target bypass valve opening is set to be larger so that more air flows through the bypass passage 29.

また、コンプレッサ吐出圧力が高くなると、カソードガス排出通路２２に対するカソードガス供給通路２１側の差圧が大きくなるため、バイパス通路２９により空気が流れ易くなる。したがって、上記マップは、コンプレッサ吐出圧力が高くなるほど目標バイパス弁開度が低下するように設定されている。   Further, when the compressor discharge pressure increases, the differential pressure on the cathode gas supply passage 21 side with respect to the cathode gas discharge passage 22 increases, so that the air easily flows through the bypass passage 29. Therefore, the map is set so that the target bypass valve opening decreases as the compressor discharge pressure increases.

目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２は、上記マップに基づいて算出された目標バイパス弁開度の値を、コントローラ６が有する図示しないバイパス弁フィードバック制御部に出力する。したがって、バイパス弁３０の開度は、上記算出された目標バイパス弁開度に近づくように制御されることとなる。   The target bypass valve opening calculation unit B302 outputs the value of the target bypass valve opening calculated based on the map to a bypass valve feedback control unit (not shown) included in the controller 6. Therefore, the opening degree of the bypass valve 30 is controlled so as to approach the calculated target bypass valve opening degree.

以上説明した各ブロックの機能に基づいて行われる本実施形態に係る燃料電池システム１００の制御方法について説明する。   A control method of the fuel cell system 100 according to the present embodiment performed based on the function of each block described above will be described.

図６は、本実施形態に係る燃料電池システム１００の制御方法の流れを説明するタイムチャートである。なお、本実施形態における各タイムチャートは、通常発電状態（非暖機時の発電状態）から移行する暖機運転における制御を前提としている。   FIG. 6 is a time chart for explaining the flow of the control method of the fuel cell system 100 according to the present embodiment. In addition, each time chart in this embodiment presupposes the control in the warming-up operation which transfers from a normal power generation state (power generation state at the time of non-warm-up).

図６においては、通常発電状態から暖機開始期間（時刻ｔ０〜時刻ｔ１）を介して暖機状態に移行する時系列を示している。ここで、図６（Ａ）〜図６（Ｈ）は、それぞれ、コンプレッサ流量、バイパス弁開度、ストイキ比、スタック空気流量、スタック電圧、スタック電流、及びＨＦＲの時系列変化を示している。なお、本実施形態で「ＮＥＴ電力」とは、燃料電池スタック１の全発電電力（Ｇｒｏｓｓ電力）から、補機類５７等の燃料電池スタック１の負荷で消費される電力を差し引いた余剰電力を意味する。すなわち、この余剰電力が正の値であれば、当該余剰電力はバッテリ５５へ供給され、余剰電力が負の値、すなわち電力が不足している場合にはバッテリ５５により不足分の電力が補われる。   FIG. 6 shows a time series in which the normal power generation state shifts to the warm-up state via the warm-up start period (time t0 to time t1). Here, FIGS. 6A to 6H show time-series changes in the compressor flow rate, the bypass valve opening, the stoichiometric ratio, the stack air flow rate, the stack voltage, the stack current, and the HFR, respectively. In the present embodiment, “NET power” means the surplus power obtained by subtracting the power consumed by the load of the fuel cell stack 1 such as the auxiliary machinery 57 from the total generated power (Gross power) of the fuel cell stack 1. means. That is, if the surplus power is a positive value, the surplus power is supplied to the battery 55, and if the surplus power is a negative value, that is, if the power is insufficient, the battery 55 supplements the insufficient power. .

先ず、暖機状態に移行する暖機開始期間（時刻ｔ０〜時刻ｔ１）において、暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔが設定され、この暖機時スタック目標電圧とスタック電圧との電圧差、及びスタック温度に基づいて目標ストイキ比が決定し、ストイキ比がこの目標ストイキ比に近づくように制御されることとなる。   First, in the warm-up start period (time t0 to time t1) in which the warm-up state is entered, the warm-up stack target voltage Vst is set, the voltage difference between the warm-up stack target voltage and the stack voltage, and the stack temperature. Based on this, the target stoichiometric ratio is determined, and the stoichiometric ratio is controlled so as to approach the target stoichiometric ratio.

本実施形態では、暖機開始期間突入時（時刻ｔ０）において、図６（Ｅ）に示すように目標電圧として、通常発電状態の目標スタック電圧よりも低い暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔが設定される。そして、これに応じて図６（Ｃ）に示すように、ストイキ比の目標値として第１目標ストイキ比ＳＲｃ１が設定される。また、同時に、図６（Ｆ）に示すように、目標電流として、通常発電状態よりも高い暖機時目標スタック電流Ｉｔが設定される。   In the present embodiment, when the warm-up start period starts (time t0), as shown in FIG. 6E, the warm-up stack target voltage Vst lower than the target stack voltage in the normal power generation state is set as the target voltage. The Accordingly, as shown in FIG. 6C, the first target stoichiometric ratio SRc1 is set as the target value of the stoichiometric ratio. At the same time, as shown in FIG. 6 (F), a target stack current It at the time of warming higher than that in the normal power generation state is set as the target current.

さらに、時刻ｔ０において、上記第１目標ストイキ比ＳＲｃ１及び暖機時目標スタック電流Ｉｔに応じて、スタック空気流量の暖機時の目標値である第１暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ１が設定される。   Further, at time t0, a first warm-up target stack air flow rate Fst1, which is a target value at the time of warm-up of the stack air flow, is set according to the first target stoichiometric ratio SRc1 and the warm-up target stack current It. The

さらに、時刻ｔ０において図６（Ａ）に示すように、コンプレッサ流量の目標値が、通常発電状態におけるコンプレッサ流量よりも高い第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１に設定されている。   Further, at time t0, as shown in FIG. 6A, the target value of the compressor flow rate is set to the first warm-up target compressor flow rate Fct1 that is higher than the compressor flow rate in the normal power generation state.

このように第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１が通常発電状態におけるコンプレッサ流量よりも高い値に設定している理由は、コンプレッサ２５の消費電力を向上させて燃料電池スタック１の発電量を増やし、当該発電にともなう発熱量を増加させるためである。また、スタック温度が低い等の事情により燃料電池スタック１の目標発熱量がより高くなる場合には、第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１をより高い値に設定することもできる。さらに、本実施形態では、図６（Ｈ）に示すようにＨＦＲが比較的低く保水量に余裕がある状態であるので、上述のように時刻ｔ０でコンプレッサ流量を増加させたとしても、燃料電池スタック１内の電解質膜の過乾燥が引き起こされない上に、逆に保水量が増加しすぎることによるフラッディングも防止される。   The reason why the first warm-up target compressor flow rate Fct1 is set to a value higher than the compressor flow rate in the normal power generation state is that the power consumption of the compressor 25 is improved and the power generation amount of the fuel cell stack 1 is increased. This is to increase the amount of heat generated by the power generation. In addition, when the target heat generation amount of the fuel cell stack 1 becomes higher due to circumstances such as a low stack temperature, the first warm-up target compressor flow rate Fct1 can be set to a higher value. Furthermore, in this embodiment, as shown in FIG. 6 (H), the HFR is relatively low and there is a sufficient amount of water retention, so even if the compressor flow rate is increased at time t0 as described above, the fuel cell Overdrying of the electrolyte membrane in the stack 1 is not caused, and on the contrary, flooding due to an excessive increase in the water retention amount is also prevented.

なお、燃料電池スタック１内の保水量があまり高くない場合には、通常発電状態と暖機状態において目標コンプレッサ流量を変更しないようにしても良い。   When the water retention amount in the fuel cell stack 1 is not so high, the target compressor flow rate may not be changed in the normal power generation state and the warm-up state.

そして、本実施形態では、目標値を第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１と設定したコンプレッサ流量に対して、スタック空気流量が第１暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ１をとるように、第１目標バイパス弁開度Ｖｏ１を設定している（図６（Ｂ）参照）。より具体的には、第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１から第１暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ１を減算した値、及びコンプレッサ吐出圧力を考慮して、目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２のマップから第１目標バイパス弁開度Ｖｏ１を算出し、これをバイパス弁３０の開度の目標値として設定している（図５参照）。この結果、図６（Ｂ）に示すように、バイパス弁３０は、時刻ｔ０から漸次開度が大きくなるように制御されている。   In the present embodiment, the first target value is set such that the stack air flow rate takes the first warm-up target stack air flow rate Fst1 with respect to the compressor flow rate set as the first warm-up target compressor flow rate Fct1. The bypass valve opening degree Vo1 is set (see FIG. 6B). More specifically, a map of the target bypass valve opening calculation unit B302 in consideration of a value obtained by subtracting the first warm-up target stack air flow rate Fst1 from the first warm-up target compressor flow rate Fct1 and the compressor discharge pressure. From this, the first target bypass valve opening Vo1 is calculated and set as the target value of the opening of the bypass valve 30 (see FIG. 5). As a result, as shown in FIG. 6B, the bypass valve 30 is controlled so that the opening degree gradually increases from time t0.

したがって、暖機が開始される時刻ｔ０以降は、バイパス弁３０の開度を大きくすることで、図６（Ｄ）に示すように、コンプレッサ流量を調節すること無くスタック空気流量（ストイキ比）を調節することができる。これにより、スタック空気流量の調節にコンプレッサ２５の出力を変更した場合に生じる消費電力変化を考慮することなく、バイパス弁３０の開度調整のみをもって行うことができるので、ＮＥＴ電力がゼロとなる状態を容易に維持することができる。すなわち、システムの電力収支バランスを保つことが容易となる。   Therefore, after the time t0 when the warm-up is started, by increasing the opening degree of the bypass valve 30, as shown in FIG. 6 (D), the stack air flow rate (stoichiometric ratio) is adjusted without adjusting the compressor flow rate. Can be adjusted. Thereby, since it can be performed only by adjusting the opening degree of the bypass valve 30 without considering the power consumption change that occurs when the output of the compressor 25 is changed to adjust the stack air flow rate, the NET power becomes zero. Can be easily maintained. That is, it becomes easy to maintain the balance of power balance of the system.

さらに、暖機運転中において燃料電池スタック１の温度が所定温度まで上昇した時刻ｔ２では、図６（Ｄ）に示すように、スタック空気流量の目標値として、第１暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ１よりも小さい第２暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ２が設定される。併せて、ストイキ比の目標値も第１目標ストイキ比ＳＲｃ１から第２目標ストイキ比ＳＲｃ２（図６（Ｃ）ではＳＲｃ２＝１である）に変更される。これは、燃料電池スタック１の温度が上昇したことにより、燃料電池スタック１のＩＶ特性が回復し（図２参照）、発電量が向上することから、スタック空気流量を抑えて発電量を適切に調節するためである。この第２暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ２の設定に伴い、スタック空気流量を減少させるべく、バイパス弁開度の目標値を第１目標バイパス弁開度Ｖｏ１よりも高い第２目標バイパス弁開度Ｖｏ２に設定する（図６（Ｂ）参照）。すなわち、この場合においても、コンプレッサ２５の出力変更を行うことなく、バイパス弁開度を調節するだけで、システムの電力収支バランスを保ちつつスタック空気流量を調節することができる。   Further, at time t2 when the temperature of the fuel cell stack 1 rises to a predetermined temperature during the warm-up operation, as shown in FIG. 6D, the first warm-up target stack air flow rate is set as the target value of the stack air flow rate. A second warm-up target stack air flow rate Fst2 smaller than Fst1 is set. At the same time, the target value of the stoichiometric ratio is also changed from the first target stoichiometric ratio SRc1 to the second target stoichiometric ratio SRc2 (SRc2 = 1 in FIG. 6C). This is because the IV characteristic of the fuel cell stack 1 is recovered by increasing the temperature of the fuel cell stack 1 (see FIG. 2), and the power generation amount is improved. It is for adjusting. With the setting of the second warm-up target stack air flow rate Fst2, the target value of the bypass valve opening is set to be higher than the first target bypass valve opening Vo1 in order to reduce the stack air flow rate. It is set to Vo2 (see FIG. 6B). That is, in this case as well, the stack air flow rate can be adjusted while maintaining the balance of power balance of the system by adjusting the bypass valve opening without changing the output of the compressor 25.

以上、説明した本実施形態に係る燃料電池システム制御方法によれば、以下の効果を得ることができる。   As described above, according to the fuel cell system control method according to the present embodiment described above, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池システム制御方法は、燃料電池としての燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に接続する空気供給路としてのカソードガス供給通路２１に空気を供給するコンプレッサ２５と、カソードガス供給通路２１から燃料電池スタック１に供給される供給空気流量としてのスタック空気流量を調節するバイパス弁３０と、を有する燃料電池システム１００で実行される燃料電池システム制御方法である。そして、この燃料電池システム制御方法では、燃料電池スタック１の目標電圧（暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔ）と実電圧（スタック電圧）とに基づいて決定されるスタック空気流量の目標値である目標空気流量（目標スタック空気流量）と、コンプレッサ流量と、に基づいてバイパス弁３０の開度を制御する。   The fuel cell system control method according to the present embodiment includes a fuel cell stack 1 as a fuel cell, a compressor 25 that supplies air to a cathode gas supply passage 21 as an air supply passage connected to the fuel cell stack 1, and a cathode gas. This is a fuel cell system control method executed by a fuel cell system 100 having a bypass valve 30 that adjusts a stack air flow rate as a supply air flow rate supplied from the supply passage 21 to the fuel cell stack 1. In this fuel cell system control method, the target air that is the target value of the stack air flow determined based on the target voltage (warm-up stack target voltage Vst) of the fuel cell stack 1 and the actual voltage (stack voltage). The opening degree of the bypass valve 30 is controlled based on the flow rate (target stack air flow rate) and the compressor flow rate.

すなわち、本実施形態に係る燃料電池システム１００のコントローラ６は、燃料電池スタック１に接続するカソードガス供給通路２１に空気を供給するコンプレッサ２５と、カソードガス供給通路２１から燃料電池スタック１に供給される供給空気流量を調節するバイパス弁３０と、有する。さらに、燃料電池システム１００のコントローラ６は、前記燃料電池の暖機時において、燃料電池スタック１の暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔとスタック電圧とに基づいて決定される目標スタック空気流量と、上記コンプレッサ流量と、に基づいてバイパス弁３０の開度を制御するバイパス弁制御部として機能する。   That is, the controller 6 of the fuel cell system 100 according to the present embodiment is supplied to the fuel cell stack 1 from the cathode 25 and the compressor 25 that supplies air to the cathode gas supply passage 21 connected to the fuel cell stack 1. And a bypass valve 30 for adjusting the supply air flow rate. Furthermore, the controller 6 of the fuel cell system 100 includes a target stack air flow determined based on the warm-up stack target voltage Vst and the stack voltage of the fuel cell stack 1 when the fuel cell is warmed up, and the compressor It functions as a bypass valve control unit that controls the opening degree of the bypass valve 30 based on the flow rate.

これにより、燃料電池スタック１の暖機運転時において、バイパス弁３０の開度を調節するだけで、コンプレッサ２５の出力を制御することなく、燃料電池スタック１の目標電圧とスタック電圧に応じたスタック空気流量を実現することができる。したがって、暖機運転時におけるコンプレッサ２５の制御値の不安定性を生じることなく、燃料電池スタック１のスタック電圧を速やかに暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔに近づけることができる。すなわち、コンプレッサ２５の制御値の不安定性に起因する暖機時間の増大やバッテリ５５の過放電及び過充電といった問題を回避することができる。   As a result, during the warm-up operation of the fuel cell stack 1, the stack corresponding to the target voltage and the stack voltage of the fuel cell stack 1 can be controlled only by adjusting the opening of the bypass valve 30 and without controlling the output of the compressor 25. An air flow rate can be realized. Therefore, the stack voltage of the fuel cell stack 1 can be quickly brought close to the warm-up stack target voltage Vst without causing instability of the control value of the compressor 25 during the warm-up operation. That is, problems such as an increase in warm-up time due to instability of the control value of the compressor 25, overdischarge and overcharge of the battery 55 can be avoided.

また、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、コンプレッサ流量を、スタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔに到達するために必要な空気流量よりも高く設定する（図６（Ａ）の時刻ｔ０〜時刻ｔ１参照）。これにより、コンプレッサ２５の消費電力が向上することとなるので、燃料電池スタック１に対する要求発電電力が向上し発電が促進されるので、当該発電による発熱量も増加することとなり、暖機をより促進することができる。結果として、暖機時間の短縮に資することとなる。   Further, in the fuel cell system control method according to the present embodiment, the compressor flow rate is set higher than the air flow rate required for the stack voltage to reach the warm-up stack target voltage Vst (time in FIG. 6A). t0 to time t1). As a result, the power consumption of the compressor 25 is improved, so that the required power generation for the fuel cell stack 1 is improved and the power generation is promoted, so the amount of heat generated by the power generation is also increased, and warming up is further promoted. can do. As a result, it contributes to shortening of the warm-up time.

さらに、上記コンプレッサ流量を、燃料電池スタック１の目標発熱量が高いほど高く設定するようにしても良い。すなわち、スタック温度が低い等の事情により燃料電池スタック１の目標発熱量が高くなる場合に、燃料電池スタック１の暖機運転用に設定される第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１を、予めより高い値に設定することができる。   Furthermore, the compressor flow rate may be set higher as the target heat generation amount of the fuel cell stack 1 is higher. That is, when the target heat generation amount of the fuel cell stack 1 increases due to circumstances such as a low stack temperature, the first warm-up target compressor flow rate Fct1 set for the warm-up operation of the fuel cell stack 1 is set in advance. Can be set to a high value.

これにより、燃料電池スタック１の目標発熱量が高い状態である場合に、コンプレッサ流量を増大させてコンプレッサ２５の消費電力を向上させることができるので、発電による発熱量を増大させてより速やかに要求される熱量を得ることができる。   As a result, when the target heat generation amount of the fuel cell stack 1 is high, the compressor flow rate can be increased and the power consumption of the compressor 25 can be improved. Can be obtained.

また、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、コンプレッサ流量を、燃料電池スタック１の保水量が低いほど（ＨＦＲが高いほど）高く設定するようにしても良い（図６（Ａ）及び図６（Ｈ）参照）。   In the fuel cell system control method according to the present embodiment, the compressor flow rate may be set higher as the water retention amount of the fuel cell stack 1 is lower (as the HFR is higher) (FIG. 6A and FIG. 6). 6 (H)).

すなわち、燃料電池スタック１内における保水許容量に余裕がある状態で、コンプレッサ２５の消費電力を向上させるように、予め第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１を高く設定しておくことにより、電解質膜の過乾燥が引き起こされることなく、暖機をより促進することができ、併せて燃料電池スタック１内に供給される余剰の空気により水分が消費されるのでフラッディングが防止される。   That is, by setting the first warm-up target compressor flow rate Fct1 high in advance so as to improve the power consumption of the compressor 25 in a state where there is a sufficient amount of water retention in the fuel cell stack 1, the electrolyte membrane Thus, warming up can be further promoted without causing excessive drying, and at the same time, moisture is consumed by the surplus air supplied into the fuel cell stack 1, so that flooding is prevented.

なお、本実施形態では、図６（Ａ）に示すように、暖機開始時において目標コンプレッサ流量が、通常発電状態よりも高い値に設定しているが、暖機時においても目標コンプレッサ流量を変更することなく同じ値としても良い。   In the present embodiment, as shown in FIG. 6A, the target compressor flow rate is set to a value higher than that in the normal power generation state at the start of warm-up, but the target compressor flow rate is also set during warm-up. It is good also as the same value, without changing.

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。 (Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment will be described. In each of the embodiments described below, the same reference numerals are used for portions that perform the same functions as those of the first embodiment described above, and redundant descriptions are omitted as appropriate.

図７は、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。   FIG. 7 is a time chart for explaining the flow of the fuel cell system control method according to the present embodiment.

図示のように、本実施形態では、暖機運転時において、バイパス弁開度を全開とするだけでは目標とするスタック空気流量が実現できない場合を想定している。   As shown in the drawing, in the present embodiment, it is assumed that the target stack air flow rate cannot be realized only by fully opening the bypass valve opening during the warm-up operation.

具体的に、図７（Ａ）に示すように、暖機がある程度進行してスタック温度が所定温度まで上昇した時刻ｔ２を経過し、さらにスタック温度が上昇した時刻ｔ３以降において、既にバイパス弁３０が全開であるにもかかわらず、スタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔより高い場合が想定される。   Specifically, as shown in FIG. 7A, after the time t2 when the warm-up progresses to some extent and the stack temperature rises to a predetermined temperature, and after the time t3 when the stack temperature rises, the bypass valve 30 has already been reached. It is assumed that the stack voltage is higher than the stack target voltage Vst at the time of warm-up, even though is fully open.

すなわち、本実施形態では、暖機中にスタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔより高いにもかかわらず、バイパス弁３０が既に全開であるので、これ以上、スタック空気流量をバイパス弁３０により減少させることができない。そこで、時刻ｔ３においてコンプレッサ２５の出力を僅かに低下させてスタック空気流量を減少させる。すなわち、目標コンプレッサ流量を、第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１よりも小さい第２暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ２に変更する。   That is, in the present embodiment, the bypass valve 30 is already fully opened even when the stack voltage is higher than the warm-up stack target voltage Vst during warm-up, so that the stack air flow is further reduced by the bypass valve 30. I can't let you. Therefore, at time t3, the output of the compressor 25 is slightly reduced to reduce the stack air flow rate. That is, the target compressor flow rate is changed to the second warm-up target compressor flow rate Fct2, which is smaller than the first warm-up target compressor flow rate Fct1.

なお、第２暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ２は、本システムにおける目標スタック電流等の各制御パラメータに基づいて決定されるものではなく、予め実験等により定められる固定値を用いることが好ましい。   The second warm-up target compressor flow rate Fct2 is not determined based on each control parameter such as the target stack current in the present system, but it is preferable to use a fixed value determined in advance through experiments or the like.

また、上述したコンプレッサ２５の出力の低下させる際の変化率は、バッテリ５５の充放電許容電力が高いほど大きく設定されることが好ましい。これは、バッテリ５５の充放電許容電力が高い場合には、コンプレッサ２５の出力変化に係る要求電力の変化を、バッテリ５５により受け入れ易くなるためである。   Moreover, it is preferable that the rate of change when the output of the compressor 25 is reduced is set to be larger as the charge / discharge allowable power of the battery 55 is higher. This is because when the charge / discharge allowable power of the battery 55 is high, the battery 55 can easily accept a change in required power related to the output change of the compressor 25.

以上、説明した本実施形態に係る燃料電池システム制御方法によれば、以下の効果を得ることができる。   As described above, according to the fuel cell system control method according to the present embodiment described above, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、バイパス弁３０が全開で、且つスタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔよりも高い場合にコンプレッサ流量を減少させる。   In the fuel cell system control method according to the present embodiment, the compressor flow rate is decreased when the bypass valve 30 is fully open and the stack voltage is higher than the warm-up stack target voltage Vst.

これにより、コンプレッサ２５の出力、すなわちコンプレッサ２５の消費電力を極力低下させることなく、燃料電池スタック１の発電による発熱を確保しつつ、ＮＥＴ電力をゼロとする発電状態を維持することができる。すなわち、発電による発熱を最大限維持して暖機時間の延長を抑制しつつも、燃料電池システム１００の電力収支を保つことができる。   Thereby, it is possible to maintain the power generation state in which the NET power is zero while securing the heat generated by the power generation of the fuel cell stack 1 without reducing the output of the compressor 25, that is, the power consumption of the compressor 25 as much as possible. That is, the power balance of the fuel cell system 100 can be maintained while maintaining the maximum heat generation by power generation and suppressing the extension of the warm-up time.

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、コンプレッサ流量の変化率を、燃料電池スタック１に接続されるバッテリ５５の充放電許容電力が高いほど大きく設定する。   Furthermore, in the fuel cell system control method according to the present embodiment, the rate of change of the compressor flow rate is set to be larger as the charge / discharge allowable power of the battery 55 connected to the fuel cell stack 1 is higher.

これにより、暖機運転の開始時（時刻ｔ０）や上述したスタック温度がより上昇した時刻ｔ３において、コンプレッサ２５の出力を大きく変更したとしても、当該コンプレッサ２５の出力変更にともなう要求電力の変化を、バッテリ５５により確実に補うことができる。すなわち、コンプレッサ２５の出力を急激に増加させてその消費電力が急激に増加する場合には、燃料電池スタック１の発電量の不足分をバッテリ５５の充電電力により補うことができる。また、逆にコンプレッサ２５の出力を急減に減少させてその消費電力が急激に低下する場合には、燃料電池スタック１の発電による余剰電力をバッテリ５５により確実に供給することができる。   As a result, even when the output of the compressor 25 is largely changed at the start of the warm-up operation (time t0) or at the time t3 when the stack temperature is further increased, the change in the required power due to the change in the output of the compressor 25 is changed. The battery 55 can reliably compensate for this. That is, when the output of the compressor 25 is suddenly increased and the power consumption is rapidly increased, the shortage of the power generation amount of the fuel cell stack 1 can be compensated by the charging power of the battery 55. On the contrary, when the output of the compressor 25 is suddenly decreased and the power consumption is drastically reduced, surplus power generated by the fuel cell stack 1 can be reliably supplied by the battery 55.

結果として、燃料電池システム１００の電力収支バランスを保ちつつコンプレッサ２５の出力を速やかに変化させることができるので、暖機時間の延長を防止することができる。   As a result, the output of the compressor 25 can be quickly changed while maintaining the power balance of the fuel cell system 100, so that the warm-up time can be prevented from being extended.

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。 (Third embodiment)
Hereinafter, the third embodiment will be described.

図８は、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。   FIG. 8 is a time chart for explaining the flow of the fuel cell system control method according to the present embodiment.

本実施形態では、暖機運転時において、スタック電圧が下がりすぎることによりバイパス弁開度を全開とするだけでは目標とするスタック空気流量が実現できない場合を想定している。   In the present embodiment, it is assumed that the target stack air flow rate cannot be achieved simply by fully opening the bypass valve opening because the stack voltage is excessively lowered during the warm-up operation.

具体的には、図８（Ａ）に示すように、暖機がある程度進行してスタック温度が所定温度まで上昇した時刻ｔ２を経過し、さらにスタック温度が上昇した時刻ｔ４〜時刻ｔ５において、バイパス弁開度を全閉としているにもかかわらず、ストイキ比が不足することでスタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔよりも低くなっている（図８（Ｅ）参照）。   Specifically, as shown in FIG. 8 (A), a time t2 at which the warm-up progresses to some extent and the stack temperature rises to a predetermined temperature has elapsed, and the stack temperature further rises from time t4 to time t5. Even though the valve opening is fully closed, the stack voltage is lower than the stack target voltage Vst during warm-up due to a lack of the stoichiometric ratio (see FIG. 8E).

すなわち、本実施形態では、ストイキ比が不足しているにかかわらず、バイパス弁３０が既に全閉であるので、これ以上、スタック空気流量をバイパス弁３０により増加させることができない。そこで、本実施形態では時刻ｔ５においてコンプレッサ流量を増加させる。すなわち、目標コンプレッサ流量を、第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１よりも大きい第３暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ３に設定する。   In other words, in this embodiment, the bypass valve 30 is already fully closed regardless of the lack of the stoichiometric ratio, so that the stack air flow rate cannot be increased by the bypass valve 30 any more. Therefore, in this embodiment, the compressor flow rate is increased at time t5. That is, the target compressor flow rate is set to the third warm-up target compressor flow rate Fct3 that is larger than the first warm-up target compressor flow rate Fct1.

なお、第３暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ３は、本システムにおける目標スタック電流等の各制御パラメータに基づいて決定されるものではなく、予め実験等により定められる固定値を用いることが好ましい。   The third warm-up target compressor flow rate Fct3 is not determined based on each control parameter such as the target stack current in this system, but it is preferable to use a fixed value determined in advance through experiments or the like.

以上、説明した本実施形態に係る燃料電池システム制御方法によれば、以下の効果を得ることができる。   As described above, according to the fuel cell system control method according to the present embodiment described above, the following effects can be obtained.

本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、バイパス弁３０が全閉で、且つスタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔよりも低い場合にコンプレッサ流量を増加させる。   In the fuel cell system control method according to the present embodiment, the compressor flow rate is increased when the bypass valve 30 is fully closed and the stack voltage is lower than the warm-up stack target voltage Vst.

これにより、暖機運転中にストイキ比が不足することによるスタック電圧の低下が回復され、燃料電池スタック１の補機類５７（特に強電系部品）で要求される動作保証電圧を確保しつつ、暖機運転を継続することができる。結果として、スタック電圧の過度の低下による暖機の停止や長期化を防止することができる。   As a result, the decrease in the stack voltage due to the shortage of the stoichiometric ratio during the warm-up operation is recovered, and the operation guarantee voltage required for the auxiliary devices 57 (particularly the high-voltage components) of the fuel cell stack 1 is secured. Warm-up operation can be continued. As a result, it is possible to prevent the warm-up from being stopped or prolonged due to an excessive decrease in the stack voltage.

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。   The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.

例えば、上記各実施形態において図６〜図８で説明した暖機運転は、通常発電状態から移行する例について説明している。しかしながら、本発明は、燃料電池システム１００の停止状態、すなわち燃料電池スタック１による発電が行われていない状態から、通常発電状態を介することなく暖機運転に移行する場合においても適用することが可能である。   For example, the warm-up operation described with reference to FIGS. 6 to 8 in each of the above embodiments has been described for an example of shifting from the normal power generation state. However, the present invention can be applied even when the fuel cell system 100 is stopped, that is, the power generation by the fuel cell stack 1 is not performed, and the warm-up operation is performed without going through the normal power generation state. It is.

また、上記第２実施形態で説明したコンプレッサ流量の変化率を、燃料電池スタック１に接続されるバッテリ５５の充放電許容電力が高いほど大きく設定する構成は、第２実施形態だけでなく、第１実施形態や第３実施形態に適用することが可能である。   In addition, the configuration in which the rate of change in the compressor flow rate described in the second embodiment is set higher as the charge / discharge allowable power of the battery 55 connected to the fuel cell stack 1 is higher is not limited to the second embodiment. It is possible to apply to 1st Embodiment and 3rd Embodiment.

１ 燃料電池スタック
６ コントローラ
１０ 燃料電池
２１ カソードガス供給通路
２４ 第１エアフローセンサ
２５ コンプレッサ
２６ 第２エアフローセンサ
２７ カソード圧力センサ
２９ バイパス通路
５５ バッテリ
５７ 補機類
６０ 湿潤状態検出装置
１００ 燃料電池システム DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 6 Controller 10 Fuel cell 21 Cathode gas supply passage 24 1st airflow sensor 25 Compressor 26 2nd airflow sensor 27 Cathode pressure sensor 29 Bypass passage 55 Battery 57 Auxiliary equipment 60 Wet state detection apparatus 100 Fuel cell system

Claims (8)

燃料電池と、前記燃料電池に接続する空気供給路に空気を供給するコンプレッサと、前記空気供給路から前記燃料電池に供給される供給空気流量を調節するバイパス弁と、を有する燃料電池システムで暖機時に実行される燃料電池システム制御方法であって、
前記燃料電池の目標電圧と実電圧とに基づいて決定される前記燃料電池の供給空気流量の目標値である目標空気流量と、前記コンプレッサから前記空気供給路に供給される空気の流量であるコンプレッサ流量と、に基づいて前記バイパス弁の開度を制御する燃料電池システム制御方法。 The fuel cell system includes a fuel cell, a compressor that supplies air to an air supply path connected to the fuel cell, and a bypass valve that adjusts a flow rate of supply air supplied from the air supply path to the fuel cell. A fuel cell system control method executed at the time of flight,
A compressor that is a target air flow rate that is a target value of a supply air flow rate of the fuel cell that is determined based on a target voltage and an actual voltage of the fuel cell, and a flow rate of air that is supplied from the compressor to the air supply path A fuel cell system control method for controlling an opening degree of the bypass valve based on a flow rate. 請求項１に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記コンプレッサ流量を、前記目標空気流量よりも高く設定する燃料電池システム制御方法。 The fuel cell system control method according to claim 1,
A fuel cell system control method for setting the compressor flow rate to be higher than the target air flow rate. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記コンプレッサ流量を、前記燃料電池の目標発熱量が高いほど高く設定する燃料電池システム制御方法。 The fuel cell system control method according to claim 1 or 2,
A fuel cell system control method in which the compressor flow rate is set higher as the target heat generation amount of the fuel cell is higher. 請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記コンプレッサ流量を、前記燃料電池の保水量が低いほど高く設定する燃料電池システム制御方法。 A fuel cell system control method according to any one of claims 1 to 3,
A fuel cell system control method in which the compressor flow rate is set higher as the water retention amount of the fuel cell is lower. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記バイパス弁が全開で、且つ前記燃料電池の実電圧が前記目標電圧よりも高い場合に前記コンプレッサ流量を減少させる燃料電池システム制御方法。 A fuel cell system control method according to any one of claims 1 to 4,
A fuel cell system control method for reducing the compressor flow rate when the bypass valve is fully open and the actual voltage of the fuel cell is higher than the target voltage. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記バイパス弁が全閉で、且つ前記燃料電池の実電圧が前記目標電圧よりも低い場合に前記コンプレッサ流量を増加させる燃料電池システム制御方法。 A fuel cell system control method according to any one of claims 1 to 4,
A fuel cell system control method for increasing the compressor flow rate when the bypass valve is fully closed and the actual voltage of the fuel cell is lower than the target voltage. 請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記コンプレッサ流量の変化率を、前記燃料電池に接続されるバッテリの充放電許容電力が高いほど大きく設定する燃料電池システム制御方法。 The fuel cell system control method according to any one of claims 1 to 6,
A fuel cell system control method, wherein the rate of change of the compressor flow rate is set larger as the charge / discharge allowable power of a battery connected to the fuel cell is higher. 燃料電池と、
前記燃料電池に接続する空気供給路に空気を供給するコンプレッサと、
前記空気供給路から前記燃料電池に供給される供給空気流量を調節するバイパス弁と、
を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の暖機時において、前記燃料電池の目標電圧と実電圧とに基づいて決定される前記燃料電池の供給空気流量の目標値である目標空気流量と、前記コンプレッサから前記空気供給路に供給される空気の流量であるコンプレッサ流量と、に基づいて前記バイパス弁の開度を制御するバイパス弁制御部と、
を有する燃料電池システム。 A fuel cell;
A compressor for supplying air to an air supply path connected to the fuel cell;
A bypass valve for adjusting a flow rate of supply air supplied from the air supply path to the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
When the fuel cell is warmed up, a target air flow rate that is a target value of a supply air flow rate of the fuel cell determined based on a target voltage and an actual voltage of the fuel cell, and from the compressor to the air supply path A bypass valve control unit that controls the opening degree of the bypass valve based on a compressor flow rate that is a flow rate of supplied air;
A fuel cell system.
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