JP2018006161A - Fuel cell system and method for controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に酸化剤を供給する過給機を備え、過給機のコンプレッサを電動モータによりタービンとは独立して駆動する燃料電池システムおよびその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that includes a supercharger that supplies an oxidant to a fuel cell and drives a compressor of the supercharger independently of a turbine by an electric motor, and a control method thereof.
過給機を備える燃料電池システムとして、特許文献１には、排気タービン１４ａのノズル開度を調整可能に構成された可変ジオメトリ型の過給機（ＶＧＴ）１４を備えた燃料電池システム１が記載されている。この燃料電池システム１は、コンプレッサ１４ｂの回転軸に連結されたモータ１２を備え、コンプレッサ１４ｂの回転数を排気タービン１４ａばかりでなく、モータ１２によっても制御可能に構成されている。
As a fuel cell system including a supercharger,
特許文献１において、過渡運転時におけるモータ１２の制御に関する具体的な説明を見出すことはできない。同文献には、酸化ガスの流量および圧力を決定した後、過給機１４のコンプレッサ１４ｂ（インペラ）の回転数を演算し、この回転数を達成するのに必要なモータ１２の回転数および排気タービン１４ａ（タービンブレード）の回転数を演算し、タービンブレードの回転数からノズル４ｅの開度を決定する、と記載されている（段落００３４）。
In
このように、特許文献１では、過渡運転時における動作応答性を主に排気タービン１４ａの制御により確保することとしており、モータ１２は、補助的な位置付けとされているに過ぎない。よって、燃料電池２に対する発電要求の変化に対して排気タービン１４ａのターボラグによる応答遅れが存在し、車両の駆動源とする場合等、高い動作応答性が求められる用途において、依然として改善の余地があるものといえる。
Thus, in
特許第５６７３８０２号公報には、燃料電池システムではなく、エンジンに関する技術ではあるが、過給機１２のコンプレッサ１２ｂをタービン１２ａにより駆動するとともに、過給機１２の運転を電動モータ１４により補助することが記載されている（段落００２２）。しかし、同公報では、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度Ａをもとに夫々算出されるモータトルクの定常指令値Ｘ０および加速指令値Ｘ２を合算した後、リミッタ２７ｂによる制限がこの合計指令値Ｘ３に対してかけられていることから（段落００３６）、過渡運転時においても実質的には定常運転時と同一の制限がかけられることになる。
Japanese Patent No. 5673802 discloses a technique related to an engine, not a fuel cell system, and the compressor 12b of the
従って、上記特許公報に記載のものでは、過渡運転時の応答性を充分に確保することが困難である。 Therefore, it is difficult to ensure sufficient response at the time of transient operation with the one described in the above patent publication.
本発明は、一形態において、燃料電池システムを提供する。本発明の一形態に係る燃料電池システムは、燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置を備え、酸化剤供給装置は、コンプレッサと、コンプレッサを駆動可能に構成された電動モータと、を備える。電動モータの出力であるモータ出力を制御し、システムが定常運転状態にある定常運転時に、モータ出力を第１の出力上限値以下に制限する一方、システムが燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にある過渡運転時に、第１の出力上限値を超えるモータ出力の上昇を許容する。 In one aspect, the present invention provides a fuel cell system. A fuel cell system according to an aspect of the present invention includes an oxidant supply device that supplies an oxidant to a cathode electrode of a fuel cell. The oxidant supply device includes a compressor and an electric motor configured to drive the compressor. . A transient operation in which the motor output, which is an output of the electric motor, is controlled and the motor output is limited to a value equal to or lower than the first output upper limit value while the system is in a steady operation state, while the system increases the generated power of the fuel cell. During the transient operation in the state, the motor output is allowed to increase exceeding the first output upper limit value.
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、システムが過渡運転状態にある過渡運転時に、定常運転時のモータ出力を制限するための第１の出力上限値を超えるモータ出力の上昇を許容することで、過渡運転時における動作応答性を向上させることができる。 According to the present invention, in the fuel cell system, when the system is in the transient operation state, the motor output is allowed to increase exceeding the first output upper limit value for limiting the motor output during the steady operation. In addition, the operation responsiveness during transient operation can be improved.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１００の全体的な構成を示す概略図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a
（燃料電池システムの全体構成）
燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、カソード給排機構１２と、アノード供給機構１４と、過給機１６と、加熱／冷却機構１７と、ＨＦＲ測定装置１８と、負荷装置１９と、システムコントローラ２０と、を備える。本実施形態において、燃料電池システム１００は、車両に搭載され、燃料電池１０は、車両の走行に必要な電力を発電する。過給機１６は、互いに同軸に連結されたタービン６２およびコンプレッサ６４を備える。
(Overall configuration of fuel cell system)
The
燃料電池１０は、複数の燃料電池セルを積層して構成され、カソード給排機構１２を介して空気の供給を受けるとともに、アノード供給機構１４を介して水素ガスの供給を受けて、空気と水素ガスとの化学反応により発電する。空気は、カソードガスであり、水素ガスは、アノードガスである。発電により生じた電気は、車両走行用の図示しない電動モータの駆動に使用されるほか、過給機１６に備わる電動モータ６０等の各種補機の駆動に用いられる。以下の説明では、燃料電池１０を燃料電池スタックという。
The
（カソード給排機構）
カソード給排機構１２は、カソードガス供給通路２２と、カソード排ガス通路２４と、を備える。
(Cathode supply / discharge mechanism)
The cathode supply /
カソードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１０に供給される空気が流れる通路である。カソードガス供給通路２２は、一方の端部がコンプレッサ６４のガス流出口に接続され、他方の端部が燃料電池スタック１０のカソード極のガス流入口に接続されており、大気から取り込まれた空気は、コンプレッサ６４により加圧された状態で燃料電池スタック１０に供給される。
The cathode
カソード排ガス通路２４は、燃料電池スタック１０のカソード極から排出されるカソード排ガスが流れる通路であり、一方の端部が燃料電池スタック１０のカソード極のガス流出口に接続され、他方の端部がタービン６２のガス流入口に接続されている。カソード排ガスは、エネルギーの一部がタービン６２の駆動に用いられた後、タービン排気通路６８を介して大気中に放出される。
The cathode
本実施形態において、カソードガス供給通路２２とカソード排ガス通路２４とは、バイパス通路３６により互いに接続されている。コンプレッサ６４から吐出された空気は、一部が燃料電池スタック１０に供給され、残部がカソードガス供給通路２２からバイパス通路３６に流入し、燃料電池スタック１０を迂回して、水素燃焼器３２に供給される。
In the present embodiment, the cathode
バイパス通路３６には、バイパス弁３８が設けられている。バイパス弁３８は、システムコントローラ２０により開度が制御され、バイパス通路３６を流れる空気の流量を調節する。具体的には、コンプレッサ６４から吐出された空気の流量が燃料電池スタック１０により発電のために要求される空気の流量を上回る場合に、バイパス弁３８の開度を増大させ、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量を減少させることで、燃料電池スタック１０の電解質膜が過度に乾燥することを防止する。
A
カソード排ガス通路２４には、水素燃焼器３２が介装されるとともに、可変ノズルベーン３４が設置されている。
A
水素燃焼器３２は、水素とカソード排ガス中の酸素とを白金等の触媒作用により燃焼させ、燃焼後の排ガス（燃焼ガス）を排出する。水素燃焼器３２には、燃料電池スタック１０からカソード排ガス通路２４を通じてカソード排ガスが供給されるとともに、カソードガス供給通路２２からバイパス通路３６を通じて空気が供給され、他方で、アノード供給機構１４の高圧タンク４０から水素ガスが供給される。本実施形態において、水素燃焼器３２には、ミキサーが内蔵されており、水素ガス、空気およびカソード排ガスがミキサーにより混合され、触媒に供給される。
The
本実施形態では、水素燃焼器３２として触媒燃焼方式の燃焼器を採用する。これにより、拡散燃焼方式の燃焼器または希薄予混合燃焼方式の燃焼器を用いる場合と比較して、窒素化合物の発生を抑制することが可能である。しかし、水素燃焼器３２には、拡散燃焼方式または希薄予混合燃焼方式の燃焼器等、触媒燃焼器以外の燃焼器を採用することができる。
In this embodiment, a catalytic combustion type combustor is employed as the
可変ノズルベーン３４は、過給機１６のタービン６２と水素燃焼器３２との間に配置され、システムコントローラ２０により開度（ノズルベーン開度）が制御されて、タービン６２に供給される燃焼ガスの圧力を調節する。可変ノズルベーン３４は、開放状態でタービン６２への入口流路の有効断面積を増大させ、カソード排ガス通路２４からタービン６２に流入する燃焼ガスの圧力損失を相対的に減少させる。一方で、閉塞状態では、タービン６２への入口流路の有効断面積を減少させ、燃焼ガスの圧力損失を相対的に増大させる。このように、可変ノズルベーン３４のノズルベーン開度を減少させることで、タービン６２の回収動力を増大させ、システムの運転圧力を増大させることができる。
The
さらに、カソード排ガス通路２４には、水素燃焼器３２の下流側（本実施形態では、可変ノズルベーン３４の上流側）にタービンバイパス通路３９が接続されている。水素燃焼器３２により生成された燃焼ガスは、その一部がタービンバイパス通路３９を介して加熱／冷却機構１７に供給される。
Further, a
ここで、燃料電池スタック１０が低温状態にあるときに、燃焼ガスの熱を利用して燃料電池スタック１０を暖め、暖機を促進させることが可能である。本実施形態において、加熱／冷却機構１７は、熱交換器８２を備え、熱交換器８２に対し、燃焼ガスの一部がタービンバイパス通路３９を介して供給され、熱交換器８２により燃料電池スタック１０の冷却水を加熱することで、燃料電池スタック１０の暖機を促進させる。加熱／冷却機構１７に供給された燃焼ガスは、熱交換器８２で熱が回収された後、タービン排気通路６８を流れる燃焼ガスと合流して、燃料電池システム１００から排出される。
Here, when the
（アノード供給機構）
アノード供給機構１４は、高圧タンク４０と、水素ヒータ４２と、スタック用水素供給通路４４と、燃焼器用水素供給通路４６と、を備える。
(Anode supply mechanism)
The
高圧タンク４０は、燃料電池スタック１０および水素燃焼器３２に供給される水素ガスを高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。
The high-
水素ヒータ４２は、熱交換器として構成され、加熱／冷却機構１７で回収された熱により高圧タンク４０から供給された水素ガスを加熱する。具体的には、水素ヒータ４２に対し、加熱／冷却機構１７の熱交換器８２による加熱後の冷却水と、高圧タンク４０に貯蔵されている水素ガスと、が供給され、両者の間での熱交換により水素ガスが加熱される。
The
スタック用水素供給通路４４は、水素ヒータ４２により加熱された水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する通路である。スタック用水素供給通路４４は、一方の端部が水素ヒータ４２のガス流出口に接続され、他方の端部が燃料電池スタック１０のアノード極のガス流入口に接続されている。
The stack
スタック用水素供給通路４４には、スタック供給水素調圧弁４８が設けられている。スタック供給水素調圧弁４８は、システムコントローラ２０により開度が制御され、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの圧力を調節する。
A stack supply hydrogen
燃焼器用水素供給通路４６は、水素ヒータ４２による加熱後の水素ガスの一部を水素燃焼器３２に供給する通路である。燃焼器用水素供給通路４６は、一方の端部がスタック用水素供給通路４４に接続され、他方の端部が水素燃焼器３２のガス流入口に接続されている。
The combustor
燃焼器用水素供給通路４６には、燃焼器供給水素調節弁４９が設けられている。燃焼器供給水素調節弁４９は、システムコントローラ２０により開度が制御され、水素燃焼器３２に供給される水素ガスの流量（水素供給流量）を調節する。本実施形態において、燃焼器供給水素調節弁４９は、比例ソレノイドにより構成されている。
A combustor supply
燃料電池スタック１０のアノード極から排出されるアノード排ガスは、循環型または非循環型等のアノード排出系により処理することが可能である。
The anode exhaust gas discharged from the anode electrode of the
（過給機）
過給機１６は、コンプレッサ６４およびタービン６２を備えるとともに、電動モータ６０を備える。
(Supercharger)
The
コンプレッサ６４は、カソードガス供給通路２２の入口部に設置され、燃料電池システム１００に大気中の空気を導入する。既に述べたように、コンプレッサ６４から吐出された空気は、カソードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１０に供給される。
The
タービン６２は、カソード排ガス通路２４とタービン排気通路６８との間に設置され、水素燃焼器３２から供給される燃焼ガスにより駆動される。タービン６２のタービンブレードは、回転駆動軸６６を介してコンプレッサ６４のインペラに連結されており、タービン６２の回転駆動力が回転駆動軸６６を介してコンプレッサ６４に伝達され、コンプレッサ６４を作動させる。
The
ここで、コンプレッサ６４の動力要求が比較的大きい場合は、タービン６２へ流入する燃焼ガスの流量（タービン入口流量）、温度（タービン入口温度）および圧力（タービン入口圧力）を増大させることで、タービン６２による回収動力を増大させ、コンプレッサ６４に対して要求に応じた動力を供給することが可能である。先に述べた可変ノズルベーン３４のノズルベーン開度を調節することで、具体的には、要求動力の増大に対してノズルベーン開度を減少させ、燃焼ガスの圧力損失を増大させることで、タービン６２の回収動力を増大させることが可能である。
Here, when the power demand of the
電動モータ（以下「コンプレッサモータ」という）６０は、コンプレッサ６４とタービン６２との間に配置され、回転駆動軸６６に対してモータトルクを印加可能に構成されている。
The electric motor (hereinafter referred to as “compressor motor”) 60 is disposed between the
具体的には、コンプレッサモータ６０は、筐体の内周面にステータが設けられるとともに、回転駆動軸６６と同軸にロータが形成され、燃料電池スタック１０および図示しないバッテリから電力の供給を受けて回転駆動軸６６にモータトルクを印加し（力行モード）、タービン６２によるコンプレッサ６４の回転駆動を補助する。さらに、コンプレッサモータ６０は、回転駆動軸６６の回転動力により発電することが可能であり（回生モード）、発電した電力をバッテリに供給する。
Specifically, the
（加熱／冷却機構）
加熱／冷却機構１７は、冷却水循環流路８０と、熱交換器８２と、冷却水循環ポンプ８４と、ラジエータ等の図示しない冷却装置と、を備える。
(Heating / cooling mechanism)
The heating /
冷却水循環流路８０は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａと冷却水出口１０ｂとの間に接続され、冷却水出口１０ｂから流出した冷却水を、熱交換器８２を介して冷却水入口１０ｂに循環させる通路である。換言すれば、熱交換器８２による加熱後の冷却水は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａから燃料電池スタック１０内部の冷却水通路に供給され、燃料電池スタック１０の暖機に寄与した後、冷却水出口１０ｂから排出される。
The cooling
冷却水循環流路８０には、冷却水分岐路８６が接続され、冷却水出口１０ｂを介して燃料電池スタック１０から排出された冷却水の一部が、冷却水分岐路８６を通じて水素ヒータ４２に供給される。よって、冷却水循環流路８０から分かれ、冷却水分岐路８６を流れる冷却水により、高圧タンク４０から燃料電池スタック１０および水素燃焼器３２に供給される水素ガスが加熱される。
A cooling
熱交換器８２は、冷却水循環流路８０を流れる冷却水とタービンバイパス通路３９を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を行い、冷却水を加熱する。本実施形態では、加熱／冷却機構１７に図示しない冷却装置が設けられており、燃焼ガスとの熱交換により加熱された冷却水を、この冷却装置により冷却することも可能である。
The
冷却水循環ポンプ８４は、システムコントローラ２０により出力が制御され、冷却水循環流路８０を介して冷却水を循環させる。
The cooling
（ＨＦＲ測定装置）
ＨＦＲ測定装置１８は、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子との間に接続され、燃料電池スタック１０の各セルに備わる電解質膜の湿潤状態を取得する湿潤状態取得装置として機能する。本実施形態において、ＨＦＲ測定装置１８は、電解質膜の湿潤状態と相関のあるパラメータとして、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスを測定する。
(HFR measuring device)
The
ここで、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスは、電解質膜の含水量（水分）が少ないときほど、換言すれば、電解質膜が乾き気味になるほど、増大する傾向にある。一方で、内部インピーダンスは、電解質膜の含水量が増えるほど、換言すれば、電解質膜が濡れ気味になるほど、減少する傾向にある。このように、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスを測定することで、電解質膜の湿潤状態を把握することが可能である。
Here, the internal impedance of the
ＨＦＲ測定装置１８は、電解質膜の電気抵抗を検出するのに適した高周波交流電流を供給し、出力される交流電圧の振幅を当該高周波交流電流の振幅で除することで、内部インピーダンス（以下「ＨＦＲ」（Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）という）を算出する。算出された内部インピーダンスないしＨＦＲ測定値は、システムコントローラ２０に出力される。
The
（負荷装置）
負荷装置１９は、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子との間に接続されており、燃料電池スタック１０または図示しないバッテリから供給される電力の供給を受けて駆動する。本実施形態において、負荷装置１９は、車両走行用の電動モータおよびコンプレッサモータ６０等の各種補機である。
(Load device)
The
（制御システムの概略構成）
燃料電池システム１００の運転は、システムコントローラ２０により統合的に制御される。
(Schematic configuration of control system)
The operation of the
本実施形態において、システムコントローラ２０は、中央演算装置、読出専用メモリ、ランダムアクセスメモリおよび入出力インタフェース等を備えたマイクロコンピュータにより構成される。
In the present embodiment, the
システムコントローラ２０には、アクセルセンサ９１から運転者によるアクセルペダルの踏込量を示す信号が入力されるほか、ＨＦＲ測定装置１８からＨＦＲ測定値が入力される。さらに、カソード給排機構１２に備わる空気流量センサ２６、空気圧力センサ２８およびカソード排ガス温度センサ３０、アノード供給機構１４に備わる水素ガス圧力センサ４７、過給機１６に備わる回転速度センサ７２、加熱／冷却機構１７に備わる冷却水温度センサ８８、燃料電池スタック１０と負荷装置１９との間に備わるスタック電流センサ５１およびスタック電圧センサ５２等の検出信号が入力される。
The
空気流量センサ２６は、カソードガス供給通路２２の空気取込部に設けられ、燃料電池システム１００に取り込まれる空気の流量（以下「空気流量」という）を検出する。
The air
空気圧力センサ２８は、カソードガス供給通路２２において、コンプレッサ６４の下流側に設けられ、カソードガス供給通路２２における空気の圧力（以下「空気圧力」という）を検出する。
The
カソード排ガス温度センサ３０は、カソード排ガス通路２４において、水素燃焼器３２の上流側に設けられ、燃料電池スタック１０から排出されるカソード排ガスの温度（以下「スタック出口温度」という）を検出する。
The cathode exhaust
水素ガス圧力センサ４７は、燃焼器用水素供給通路４６において、熱交換器４２の下流側に設けられ、燃焼器用水素供給通路４６における水素ガスの圧力、換言すれば、水素燃焼器３２に供給される水素ガスの圧力（以下「供給水素圧力」という）を検出する。
The hydrogen
回転速度センサ７２は、コンプレッサモータ６０に設置され、コンプレッサモータ６０の回転速度（単位時間当たりの回転数を採用し、以下「モータ回転数」という）を検出する。
The
冷却水温度センサ８８は、冷却水循環流路８０において、熱交換器８２の上流側（本実施形態では、冷却水出口１０ｂの近傍）に設けられ、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度（以下「冷却水温度」という）を検出する。ここで、燃料電池スタック１０の冷却水が水素ヒータ４２により水素ガスと熱交換されることから、冷却水温度は、水素燃焼器３２に供給される水素ガスの温度と略同一とみなすことができる。
The cooling water temperature sensor 88 is provided on the upstream side of the heat exchanger 82 (in the present embodiment, in the vicinity of the cooling
スタック電流センサ５１は、燃料電池スタック１０の正極端子と負荷装置１９の正極端子とを接続する電力線に設けられ、燃料電池スタック１０から負荷装置１９に出力される電流（以下「スタック電流」という）を検出する。
The stack
スタック電圧センサ５２は、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子との間に接続され、正極端子と負極端子との間の電圧である燃料電池スタック１０の端子間電圧（以下「スタック電圧」という）を検出する。
The
システムコントローラ２０は、負荷装置１９の駆動ユニットと通信可能に接続されている。システムコントローラ２０は、アクセルセンサ９１により検出されるアクセルペダルの踏込量をもとに、燃料電池スタック１０に対する要求発電電力を設定し、負荷装置１９の駆動ユニットに対し、要求発電電力に応じた駆動信号を出力する。要求発電電力は、アクセルペダルの踏込量が大きくなるほど、大きな値に設定される。
The
さらに、システムコントローラ２０は、各種検出信号に基づき、可変ノズルベーン３４のノズルベーン開度、バイパス弁３８の開度、スタック供給水素調圧弁４８の開度、燃焼器供給水素調節弁４９の開度、コンプレッサモータ６０の出力および冷却水循環ポンプ８４の出力を制御する。
（システムコントローラの基本動作）
システムコントローラ２０の基本的な動作について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。
Further, based on various detection signals, the
(Basic operation of the system controller)
The basic operation of the
Ｓ１では、要求負荷電力として、負荷装置１９により要求される電力を算出する。本実施形態において、要求負荷電力は、車両走行用の電動モータの駆動電力として求められる電力であり、アクセルペダルの踏込量等をもとに算出する。
In S1, the power required by the
Ｓ２では、燃料電池スタック１０が発電する電力の要求値（要求発電電力）に応じた目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを算出する。本実施形態において、要求発電電力は、要求負荷電力に、コンプレッサモータ６０、可変ノズルベーン３４および燃焼器供給水素調節弁４９等の各種アクチュエータの消費電力を合算した値である。システムコントローラ２０は、続くＳ３〜６の処理により、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを実現するように、燃料電池システム１０の冷却系、空気系および燃料系のそれぞれに備わるアクチュエータを制御する。
In S2, a target stack current Istc_t corresponding to a required value (required generated power) of the power generated by the
Ｓ３では、冷却系操作量を算出する。具体的には、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を良好に維持するとの観点から、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに燃料電池スタック１０の内部インピーダンス（ＨＦＲ）の目標値を設定し、ＨＦＲ測定装置１８により測定される実際の内部インピーダンス（ＨＦＲ測定値）が目標ＨＦＲに近付くように、湿潤要求目標空気圧力および湿潤要求目標空気流量を算出する。さらに、システムコントローラ２０は、目標ＨＦＲおよびＨＦＲ測定値等をもとに、加熱／冷却機構１７に備わる冷却装置（具体的には、ラジエータ）を制御する。
In S3, a cooling system operation amount is calculated. Specifically, from the viewpoint of maintaining a good wet state of the electrolyte membrane of the
Ｓ４では、空気系操作量を算出する。空気系操作量の演算は、図１０および１１に示すフローチャート参照して後に説明する。 In S4, an air system operation amount is calculated. The calculation of the air system operation amount will be described later with reference to flowcharts shown in FIGS.
Ｓ５では、燃料系操作量を算出する。具体的には、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに燃料電池スタック１０に対する供給水素圧力の目標値（目標供給水素圧力）を算出し、目標供給水素圧力に基づき、スタック供給水素調圧弁４８等、燃料系に備わる各種アクチュエータに対する操作量（例えば、スタック供給水素調圧弁４８の目標開度）を算出する。
In S5, the fuel system operation amount is calculated. Specifically, a target value (target supply hydrogen pressure) of the supply hydrogen pressure to the
Ｓ６では、冷却系、空気系および燃料系に備わる各種アクチュエータに対してそれぞれの操作量に応じた指令信号を出力する。 In S6, a command signal corresponding to each operation amount is output to various actuators provided in the cooling system, the air system, and the fuel system.
（システムコントローラの内部構成）
システムコントローラ２０の内部構成について、空気系操作量の演算に関わる構成を中心に図４〜９を参照して説明する。
(Internal configuration of system controller)
The internal configuration of the
図４は、システムコントローラ２０内部の全体的な構成を示すブロック図であり、図５は、空気系制御部Ｂ１０４の構成を示すブロック図であり、図６は、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２の構成を示すブロック図であり、図９は、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９の構成を示すブロック図である。
4 is a block diagram showing the overall configuration inside the
（システム全体）
図４に示すように、システムコントローラ２０は、目標スタック電流演算部Ｂ１０１と、目標空気圧力演算部Ｂ１０２と、目標空気流量演算部Ｂ１０３と、空気系制御部Ｂ１０４と、最大値選択部Ｂ１０５およびＢ１０６と、最小値選択部Ｂ１０７と、を備える。
(Whole system)
As shown in FIG. 4, the
目標スタック電流演算部Ｂ１０１は、アクセルセンサ９１により出力されたアクセルペダルの踏込量を示す信号をもとに、要求発電電力に応じたスタック電流の目標値（目標スタック電流）Ｉｓｔｃ＿ｔを算出する。
The target stack current calculation unit B101 calculates a target value (target stack current) Istc_t of the stack current corresponding to the required generated power based on the signal indicating the depression amount of the accelerator pedal output from the
目標空気圧力演算部Ｂ１０２は、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを入力し、予め定められたマップを目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔにより参照して、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔを算出する。目標空気圧力演算部Ｂ１０２は、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔを、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが大きいときほど、大きな値として算出する。 The target air pressure calculation unit B102 receives the target stack current Istc_t, calculates a target air pressure Pair_t by referring to a predetermined map using the target stack current Istc_t. The target air pressure calculation unit B102 calculates the target air pressure Pair_t as a larger value as the target stack current Istc_t is larger.
目標空気流量演算部Ｂ１０３は、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを入力し、予め定められたマップを目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔにより参照して、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを算出する。目標空気流量演算部Ｂ１０３は、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを、目標スタック電流ｔＩｓｔｃが大きいときほど、大きな値として算出する。 The target air flow rate calculation unit B103 receives the target stack current Istc_t, refers to a predetermined map by the target stack current Istc_t, and calculates the target air flow rate Qair_t. The target air flow rate calculation unit B103 calculates the target air flow rate Qair_t as a larger value as the target stack current tIstc is larger.
最大値選択部Ｂ１０５は、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔと湿潤要求目標空気圧力とを入力し、両者のうち大きい方を、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔとして出力する。湿潤要求目標空気圧力は、燃料電池スタック１０の内部において、各セルの電解質膜の湿潤状態を所定に制御するのに要求される空気圧力である。
The maximum value selection unit B105 inputs the target air pressure Pair_t and the wet request target air pressure, and outputs the larger one as the target air pressure Pair_t. The wet demand target air pressure is an air pressure required to control the wet state of the electrolyte membrane of each cell to a predetermined value inside the
最大値選択部Ｂ１０６は、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔと湿潤要求目標空気流量とを入力し、両者のうち大きい方を、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔとして出力する。湿潤要求目標空気流量は、燃料電池スタック１０の内部において、各セルの電解質膜の湿潤状態を所定に制御するのに要求される空気流量である。
The maximum value selection unit B106 inputs the target air flow rate Qair_t and the wet request target air flow rate, and outputs the larger one of them as the target air flow rate Qair_t. The wet demand target air flow rate is an air flow rate required to control the wet state of the electrolyte membrane of each cell to a predetermined value inside the
空気系制御部Ｂ１０４は、最大値選択部Ｂ１０５により選択された目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔおよび最大値選択部Ｂ１０６により選択された目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを入力する。さらに、空気系制御部Ｂ１０４は、目標スタック電流演算部Ｂ１０１から目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを入力するほか、空気流量センサ２６から空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄを、空気圧力センサ２８から空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄを、回転速度センサ７２からモータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄを、スタック電圧センサ５２からスタック電圧Ｖｓｔｃ＿ｄを、夫々入力する。
The air system control unit B104 receives the target air pressure Pair_t selected by the maximum value selection unit B105 and the target air flow rate Qair_t selected by the maximum value selection unit B106. Further, the air system controller B104 inputs the target stack current Istc_t from the target stack current calculator B101, rotates the air flow rate detected value Qair_d from the
空気系制御部Ｂ１０４は、各種検出信号に基づき、ノズルベーン開度指令値ＣＭＤｎｖ、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔおよび目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔを算出する。ノズルベーン開度指令値ＣＭＤｎｖは、可変ノズルベーン３４に対する制御指令値であり、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔは、コンプレッサモータ６０に対する制御指令値である。
The air system control unit B104 calculates the nozzle vane opening command value CMDnv, the motor torque command value CMDmt, and the target turbine inlet temperature Tt_in_t based on various detection signals. The nozzle vane opening command value CMDnv is a control command value for the
最小値選択部Ｂ１０７は、空気系制御部Ｂ１０３により算出された目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔと入口温度許容限界値とを入力し、両者のうち小さい方を、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔとして出力する。入口温度許容限界値は、タービン６２を構成する部品の耐熱性等を考慮して定められる、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎの上限値である。
The minimum value selection unit B107 inputs the target turbine inlet temperature Tt_in_t and the inlet temperature allowable limit value calculated by the air system control unit B103, and outputs the smaller one as the target turbine inlet temperature Tt_in_t. The inlet temperature allowable limit value is an upper limit value of the turbine inlet temperature Tt_in that is determined in consideration of the heat resistance of the components constituting the
（空気系制御部）
図５に示すように、空気系制御部Ｂ１０４は、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１と、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２と、目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３と、最小値選択部Ｂ１０４４と、除算部Ｂ１０４５と、乗算部Ｂ１０４６と、減算部Ｂ１０４７、Ｂ１０４８と、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９を備える。
(Air system control unit)
As shown in FIG. 5, the air system control unit B104 includes a compressor output control unit B1041, a turbine recovery power estimation unit B1042, a target turbine inlet temperature calculation unit B1043, a minimum value selection unit B1044, a division unit B1045, A multiplier B1046, subtractors B1047 and B1048, and a target motor output calculator B1049 are provided.
コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１は、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔ、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔ、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄを入力する。コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１は、実際の空気圧力Ｐａｉｒおよび空気流量Ｑａｉｒがそれぞれの目標値Ｐａｉｒ＿ｔ、Ｑａｉｒ＿ｔに近付くように、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを算出するとともに、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを達成するためのノズルベーン開度指令値ＣＭＤｎｖを設定する。本実施形態では、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔに基づき、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔが算出され、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔが設定される。ノズルベーン開度指令値ＣＭＤｎｖおよびモータトルク指令値ＣＭＤｍｔは、図示しない可変ノズルベーン３４の駆動ユニットおよびコンプレッサモータ６０の駆動ユニットに出力される。
The compressor output control unit B1041 receives the target air pressure Pair_t, the target air flow rate Qair_t, the air pressure detection value Pair_d, and the air flow detection value Qair_d. The compressor output control unit B1041 calculates the target compressor drive torque Tcmp_t so that the actual air pressure Pair and the air flow rate Qair approach the target values Pair_t and Qair_t, and at the same time, achieves the target compressor drive torque Tcmp_t. An opening command value CMDnv is set. In the present embodiment, the target turbine inlet temperature Tt_in_t is calculated based on the target compressor driving torque Tcmp_t, and the motor torque command value CMDmt is set. The nozzle vane opening command value CMDnv and the motor torque command value CMDmt are output to a drive unit for the
減算部Ｂ１０４７は、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１から目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを入力するとともに、後に述べるタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを入力し、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを減じた値を、目標モータトルクとして最小値選択部Ｂ１０４４に出力する。 The subtraction unit B1047 receives the target compressor drive torque Tcmp_t from the compressor output control unit B1041, and also receives a turbine torque estimated value Ttbn_e described later, and obtains a value obtained by subtracting the turbine torque estimated value Ttbn_e from the target compressor drive torque Tcmp_t. The motor torque is output to the minimum value selection unit B1044.
最小値選択部Ｂ１０４４は、減算部Ｂ１０４７から目標モータトルクを入力するとともに、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを入力し、目標モータトルクと過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒのトルク換算値とのうち小さい方をもとに、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔを設定する。本実施形態において、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力である。
The minimum value selection unit B1044 receives the target motor torque from the subtraction unit B1047 and also receives the transient output upper limit value LMTtr, and the smaller one of the target motor torque and the torque conversion value of the transient output upper limit value LMTtr. And a motor torque command value CMDmt is set. In the present embodiment, the transient output upper limit LMTtr is the time rated output of the
タービン回収動力推定部Ｂ１０４２は、目標タービン入口温度前回値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ（ｎ−１）、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄ、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄおよびタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘを入力し、これらの入力情報をもとに、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを算出する。目標タービン入口温度前回値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ（ｎ−１）は、前回の制御実行時に目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３により算出された目標タービン入口温度である。 The turbine recovery power estimation unit B1042 inputs the target turbine inlet temperature previous value Tt_in_t (n-1), the air pressure detection value Pair_d, the air flow rate detection value Qair_d, and the turbine outlet pressure Pt_ex, and based on these input information, A turbine recovery power estimated value Mtbn_e is calculated. The target turbine inlet temperature previous value Tt_in_t (n-1) is the target turbine inlet temperature calculated by the target turbine inlet temperature calculation unit B1043 when the previous control is executed.
（タービン回収動力推定部）
図６に示すように、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２は、タービン入口圧力演算部Ｂ１０４２ａと、タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂと、タービン入口温度演算部Ｂ１０４２ｃと、タービン回収動力演算部Ｂ１０４２ｄと、を備える。
(Turbine recovery power estimation unit)
As illustrated in FIG. 6, the turbine recovery power estimation unit B1042 includes a turbine inlet pressure calculation unit B1042a, a turbine efficiency calculation unit B1042b, a turbine inlet temperature calculation unit B1042c, and a turbine recovery power calculation unit B1042d.
タービン入口圧力演算部Ｂ１０４２ａは、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄをもとに、タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎを算出する。タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎは、燃料電池スタック１０の上流側における空気圧力Ｐａｉｒから燃料電池スタック１０内部の空気通路における圧損ΔＰを減じることにより算出する。
The turbine inlet pressure calculation unit B1042a calculates the turbine inlet pressure Pt_in based on the air pressure detection value Pair_d and the air flow rate detection value Qair_d. The turbine inlet pressure Pt_in is calculated by subtracting the pressure loss ΔP in the air passage inside the
Ｐｔ＿ｉｎ＝Ｐａｉｒ＿ｄ−ΔＰ …（１）
図７は、空気流量Ｑａｉｒと圧損ΔＰとの関係を示している。タービン入口圧力演算部は、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄにより同図に示すマップを参照して、圧損ΔＰを、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄが大きいときほど大きな値として算出する。
Pt_in = Pair_d−ΔP (1)
FIG. 7 shows the relationship between the air flow rate Qair and the pressure loss ΔP. The turbine inlet pressure calculation unit calculates the pressure loss ΔP as a larger value as the air flow rate detection value Qair_d is larger with reference to the map shown in the figure by the air flow rate detection value Qair_d.
タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂは、タービン入口圧力演算部からタービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎを入力するとともに、タービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘを入力する。本実施形態では、タービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘとして大気圧（≒１０１．３［ｋｐａ］）を採用する。外気の圧力が変動し、大気圧を一概に採用することができない場合は、大気圧センサを設置し、これにより検出された圧力検出値をタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘとしてもよい。 The turbine efficiency calculation unit B1042b receives the turbine inlet pressure Pt_in and the turbine outlet pressure Pt_ex from the turbine inlet pressure calculation unit. In the present embodiment, atmospheric pressure (≈101.3 [kpa]) is adopted as the turbine outlet pressure Pt_ex. When the pressure of the outside air fluctuates and the atmospheric pressure cannot be generally adopted, an atmospheric pressure sensor may be installed, and the detected pressure value detected thereby may be used as the turbine outlet pressure Pt_ex.
タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂは、タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎおよびタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘをもとに、タービン効率ηｔを算出する。具体的には、タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂは、タービン入口圧力とタービン出口圧力との比（タービン膨張比）＝Ｐｔ＿ｉｎ／Ｐｔ＿ｅｘを算出する。 The turbine efficiency calculation unit B1042b calculates the turbine efficiency ηt based on the turbine inlet pressure Pt_in and the turbine outlet pressure Pt_ex. Specifically, the turbine efficiency calculation unit B1042b calculates the ratio of the turbine inlet pressure to the turbine outlet pressure (turbine expansion ratio) = Pt_in / Pt_ex.
図８は、タービン膨張比＝Ｐｔ＿ｉｎ／Ｐｔ＿ｅｘとタービン効率ηｔとの関係を示している。タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂは、タービン膨張比により同図に示すマップを参照して、タービン効率ηｔを算出する。 FIG. 8 shows the relationship between the turbine expansion ratio = Pt_in / Pt_ex and the turbine efficiency ηt. The turbine efficiency calculation unit B1042b calculates the turbine efficiency ηt with reference to the map shown in FIG.
タービン入口温度演算部Ｂ１０４２ｃは、離散系における一次遅れ応答を近似した次式（２）により、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎを推定する（タービン入口温度推定値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ）。 The turbine inlet temperature calculation unit B1042c estimates the turbine inlet temperature Tt_in (the turbine inlet temperature estimated value Tt_in_e) by the following equation (2) that approximates the first-order lag response in the discrete system.
Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ＝Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ（ｎ−１）＋｛（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ−Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ（ｎ−１）／ｔｓ）｝×ｔsamp …（２）
ただし、
Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ：タービン入口温度推定値
Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ（ｎ−１）：タービン入口温度前回推定値
Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ：目標タービン入口温度
ｔｓ：時定数
ｔsamp：制御演算周期
である。
Tt_in_e = Tt_in_e (n−1) + {(Tt_in_t−Tt_in_e (n−1) / ts)} × t samp (2)
However,
Tt_in_e: turbine inlet temperature estimated value Tt_in_e (n-1): turbine inlet temperature previous estimated value Tt_in_t: target turbine inlet temperature ts: time constant t samp : control calculation cycle
時定数ｔｓは、実験等により予め定められ、上式（２）による実際の演算では、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔとして、目標タービン入口温度前回値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ（ｎ−１）を採用する。タービン入口温度前回推定値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ（ｎ−１）は、前回の制御実行時にこのタービン入口温度演算部Ｂ１０４２ｃにより算出されたタービン入口温度推定値である。 The time constant ts is determined in advance by experiments or the like, and in the actual calculation according to the above equation (2), the target turbine inlet temperature previous value Tt_in_t (n−1) is adopted as the target turbine inlet temperature Tt_in_t. The turbine inlet temperature previous estimated value Tt_in_e (n-1) is a turbine inlet temperature estimated value calculated by the turbine inlet temperature calculating unit B1042c when the previous control was executed.
そして、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２は、タービン回収動力演算部Ｂ１０４２ｄにおいて、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄ、タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎ、タービン効率ηｔ、タービン入口温度推定値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅおよびタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘをもとに、次式（３）によりタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを算出する。 Then, the turbine recovery power estimation unit B1042 performs the following in the turbine recovery power calculation unit B1042d based on the air flow rate detection value Qair_d, turbine inlet pressure Pt_in, turbine efficiency ηt, turbine inlet temperature estimation value Tt_in_e, and turbine outlet pressure Pt_ex. The turbine recovery power estimated value Mtbn_e is calculated by the equation (3).
Ｍｔｂｎ＿ｅ＝Ｑａｉｒ＿ｄ×｛（Ｗａｉｒ×κａｉｒ）／（Ｖｓｔａ×６０×１０００）｝×ηｔ×（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ＋Ｔｓｔａ）×｛１−（Ｐｔ＿ｅｘ／Ｐｔ＿ｉｎ）(γ-1)/γ｝ …（３）
ただし、
Ｍｔｂｎ＿ｅ：タービン回収動力推定値
Ｑａｉｒ＿ｄ：空気流量検出値
Ｗａｉｒ：空気の式量
κａｉｒ：空気の定圧比熱
Ｖｓｔａ：標準状態における体積（＝２２．４１４［Ｌ］）
ηｔ：タービン効率
Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ：タービン入口温度推定値
Ｔｓｔａ：標準状態における絶対温度（＝２７３．１５［Ｋ］）
Ｐｔ＿ｉｎ：タービン入口圧力
Ｐｔ＿ｅｘ：タービン出口圧力
γ：比熱比
６０：秒分間の単位変換係数
１０００：ｍ3とＬ（リットル）との単位変換係数
である。
Mtbn_e = Qair_d × {(Wair × κair) / (Vsta × 60 × 1000)} × ηt × (Tt_in_e + Tsta) × {1− (Pt_ex / Pt_in) ( γ− 1) / γ} (3)
However,
Mtbn_e: Estimated turbine recovery power Qair_d: Detected air flow rate Wair: Formula amount of air κair: Constant pressure specific heat of air Vsta: Volume in standard state (= 22.414 [L])
ηt: turbine efficiency Tt_in_e: estimated turbine inlet temperature Tsta: absolute temperature in standard state (= 273.15 [K])
Pt_in: Turbine inlet pressure Pt_ex: Turbine outlet pressure γ: Specific heat ratio 60: Unit conversion coefficient per second 1000: Unit conversion coefficient between m 3 and L (liter).
図５に戻り、除算部Ｂ１０４５は、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２からタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを入力するとともに、モータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄを入力し、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅをモータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄで除した値（＝Ｍｔｂｎ＿ｅ／Ｎｍｔｒ＿ｄ）を、タービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅとして出力する。ここで、モータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄは、タービン６２およびコンプレッサ６４の回転速度を示す。
Returning to FIG. 5, the division unit B 1045 receives the turbine recovery power estimation value Mtbn_e from the turbine recovery power estimation unit B 1042 and also receives the motor rotation speed detection value Nmtr_d, and uses the turbine recovery power estimation value Mtbn_e as the motor rotation speed detection value. A value (= Mtbn_e / Nmtr_d) divided by Nmtr_d is output as a turbine torque estimated value Ttbn_e. Here, the motor rotation speed detection value Nmtr_d indicates the rotation speed of the
乗算部Ｂ１０４６は、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１から目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを入力するとともに、モータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄを入力し、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔとモータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄとの積の値（＝Ｔｃｍｐ＿ｔ×Ｎｍｔｒ＿ｄ）を、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔとして出力する。 The multiplier B1046 receives the target compressor drive torque Tcmp_t from the compressor output controller B1041, and also receives the motor rotation speed detection value Nmtr_d, and the product value of the target compressor drive torque Tcmp_t and the motor rotation speed detection value Nmtr_d (= Tcmp_t × Nmtr_d) is output as the target compressor power Mcmp_t.
減算部Ｂ１０４８は、乗算部Ｂ１０４６から目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔを入力するとともに、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９から目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを入力し、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔから目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを減じた値（＝Ｍｃｍｐ＿ｔ−Ｍｍｔｒ＿ｔ）を、目標タービン出力Ｍｔｂｎ＿ｔとして出力する。 The subtraction unit B1048 receives the target compressor power Mcmp_t from the multiplication unit B1046 and also receives the target motor output Mmtr_t from the target motor output calculation unit B1049, and a value obtained by subtracting the target motor output Mmtr_t from the target compressor power Mcmp_t (= Mcmp_t− Mmtr_t) is output as the target turbine output Mtbn_t.
目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３は、減算部Ｂ１０４８から目標タービン出力Ｍｔｂｎ＿ｔを入力するとともに、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔおよび目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを入力し、これらの入力情報をもとに、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅの演算に用いた上式（３）により、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔを算出する。ここで、目標タービン出力Ｍｔｂｎ＿ｔは、タービン６２により回収すべき動力（タービン回収動力）の目標値である。 The target turbine inlet temperature calculation unit B1043 receives the target turbine output Mtbn_t from the subtraction unit B1048, and also inputs the target air pressure Pair_t and the target air flow rate Qair_t, and based on these input information, the turbine recovery power estimated value Mtbn_e The target turbine inlet temperature Tt_in_t is calculated by the above equation (3) used for the calculation of. Here, the target turbine output Mtbn_t is a target value of power to be recovered by the turbine 62 (turbine recovery power).
具体的には、上式（３）のタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅに目標タービン出力Ｍｔｂｎ＿ｔを代入し、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄに目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを代入する。さらに、上式（１）において、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄを目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔ、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔに夫々置き換えることで、タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎを算出する。タービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘには、大気圧を採用する。このようにして得られた値を上式（３）に適用することで、上式（３）のＴｔ＿ｉｎ＿ｅを算出することができるので、これを目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔとする。 Specifically, the target turbine output Mtbn_t is substituted for the turbine recovery power estimated value Mtbn_e in the above equation (3), and the target air flow rate Qair_t is substituted for the air flow rate detection value Qair_d. Further, in the above equation (1), the turbine inlet pressure Pt_in is calculated by replacing the detected air pressure value Pair_d and the detected air flow rate value Qair_d with the target air pressure Pair_t and the target air flow rate Qair_t, respectively. An atmospheric pressure is adopted as the turbine outlet pressure Pt_ex. By applying the value thus obtained to the above equation (3), Tt_in_e in the above equation (3) can be calculated, and this is set as the target turbine inlet temperature Tt_in_t.
（目標モータ出力演算部）
図９に示すように、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９は、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを入力し、同図に示すマップを目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔにより参照して、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを算出する。目標モータ出力演算部Ｂ１０４９は、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが所定値Ｉ１以下の場合は一定値として算出し、所定値Ｉ１よりも大きい場合は目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが大きいときほど小さな値として算出する。
(Target motor output calculation section)
As shown in FIG. 9, the target motor output calculation unit B1049 receives the target stack current Istc_t, calculates the target motor output Mmtr_t by referring to the map shown in FIG. 9 with the target stack current Istc_t. The target motor output calculation unit B1049 calculates the target motor output Mmtr_t as a constant value when the target stack current Istc_t is less than or equal to a predetermined value I1, and the smaller the target stack current Istc_t is, the larger the target stack current Istc_t is. Calculate as
このように、低負荷時等、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔが小さく、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔと等しいかまたはこれを下回る場合は、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが０以下となることで、水素燃焼器３２への水素ガスの供給が停止される。さらに、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが所定値Ｉ１よりも大きい場合に目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを減少させることで、モータ出力の減少分をタービン回収動力Ｍｔｂｎにより補って目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔを達成しつつ、コンプレッサモータ６０の消費電力を低減することができるので、燃料電池システム１００のネット出力を向上させることが可能となる。
As described above, when the target compressor power Mcmp_t is small and equal to or less than the target motor output Mmtr_t, such as when the load is low, the target turbine recovery power Mtbn_t becomes 0 or less so that the hydrogen to the
さらに、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９は、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを入力するとともに、スタック出力制限値から補機消費電力および走行モータ駆動電力を減じた値を入力する。 Further, the target motor output calculation unit B1049 receives the steady-state output upper limit value LMTst and also inputs a value obtained by subtracting auxiliary machine power consumption and travel motor drive power from the stack output limit value.
本実施形態において、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔは、コンプレッサモータ６０の連続定格の出力である。
In the present embodiment, the steady-state output upper limit value LMTst is the continuous rated output of the
スタック出力制限値は、燃料電池スタック１０内部の湿潤状態に応じて定められ、ＨＦＲ測定装置１８により出力されたＨＦＲ測定値をもとに、これが大きいときほど大きな値に設定される。換言すれば、燃料電池スタック１０の各セルに備わる電解質膜が湿潤状態にある場合は、電解質膜の過度な湿潤を回避するべく、スタック出力制限値を増大させて空気流量を増大させ、電解質膜が乾燥状態にある場合は、電解質膜の過度な乾燥を回避するべく、スタック出力制限値を減少させて空気流量を減少させる。
The stack output limit value is determined according to the wet state inside the
目標モータ出力演算部Ｂ１０４９は、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔ、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔおよび上記減算値のうち最も小さい値を目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔとして選択し、減算部Ｂ１０４８に出力する。 The target motor output calculation unit B1049 selects the smallest value among the target motor output Mmtr_t, the steady-state output upper limit value LMTst and the subtraction value as the target motor output Mmtr_t, and outputs the target motor output Mmtr_t to the subtraction unit B1048.
本実施形態において、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎの制御は、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔをもとに、図示しない燃焼器制御部により次のようにして行う。 In the present embodiment, the turbine inlet temperature Tt_in is controlled as follows by a combustor control unit (not shown) based on the target turbine inlet temperature Tt_in_t.
燃焼器制御部は、燃焼器供給水素調節弁４９の開度を制御し、水素燃焼器３２における燃焼温度を調節することにより、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎを制御する。
The combustor control unit controls the turbine inlet temperature Tt_in by controlling the opening of the combustor supply
具体的には、スタック出口温度に基づき、次式（４）により燃焼器入口ガス比エンタルピを算出する。 Specifically, the combustor inlet gas specific enthalpy is calculated by the following equation (4) based on the stack outlet temperature.
ｈ＝ｋ０＋ｋ１×Ｔ＋ｋ２×Ｔ2＋ｋ３×Ｔ3 …（４）
ただし、
ｈ：比エンタルピ
Ｔ：ガス温度
ｋ０〜ｋ３：ガス種に応じて決まる定数
である。上式（４）による実際の演算では、ガス温度Ｔとして、カソード排ガス温度センサ３０により検出されるスタック出口温度を採用する。
h = k0 + k1 × T + k2 × T 2 + k3 × T 3 (4)
However,
h: Specific enthalpy T: Gas temperature k0 to k3: Constants determined according to the gas type. In the actual calculation according to the above equation (4), the stack outlet temperature detected by the cathode exhaust
ここで、水素燃焼器３２に供給されるガス（以下「燃焼器入口ガス」という）は、カソード排ガス（空気）以外に、高圧タンク４０から燃焼器用水素供給通路４６を介して供給される水素ガスを含有する。よって、ガス種に応じて決まる上記定数ｋ０〜ｋ３として、空気に対応する各値と水素に対応する各値とを採用する。換言すれば、燃焼器入口ガス比エンタルピとして、空気に対応する定数ｋ０〜ｋ３を上式（４）に代入することにより得られる空気由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈair（Ｔｃ＿ｉｎ）と、水素に対応する定数ｋ０〜ｋ３を上式（４）に代入することにより得られる水素由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈH2（Ｔｃ＿ｉｎ）と、を算出する。
Here, the gas supplied to the hydrogen combustor 32 (hereinafter referred to as “combustor inlet gas”) is a hydrogen gas supplied from the high-
さらに、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔに基づき、上式（４）によりタービン入口ガス比エンタルピを算出する。 Further, based on the target turbine inlet temperature Tt_in_t, the turbine inlet gas specific enthalpy is calculated by the above equation (4).
タービン入口ガス比エンタルピの演算では、上式（４）のガス温度Ｔとして、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔを採用する。 In the calculation of the turbine inlet gas specific enthalpy, the target turbine inlet temperature Tt_in_t is adopted as the gas temperature T in the above equation (4).
ここで、水素燃焼器３２により生成された燃焼ガスは、燃焼に寄与せずに残った残留空気に加え、水素燃焼器３２における触媒燃焼反応により生じた水蒸気を含有する。よって、ガス種に応じて決まる上式（４）の定数ｋ０〜ｋ３として、空気に対応する各値と水蒸気に対応する各値とを採用する。換言すれば、タービン入口ガス比エンタルピとして、空気に対応する定数ｋ０〜ｋ３を上式（４）に代入することにより得られる空気由来のタービン入口ガス比エンタルピｈair（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）と、水蒸気に対応する定数ｋ０〜ｋ３を上式（４）に代入することにより得られる水蒸気由来のタービン入口温度エンタルピｈH2O（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）を算出する。
Here, the combustion gas produced | generated by the
一方で、スタック電流検出値Ｉｓｔｃ＿ｄに基づき、下式（５）により燃料電池スタック１０による発電に消費される酸素の流量である消費酸素流量ｍO2_consを推定する。消費酸素流量ｍO2_consは、燃料電池スタック１０に供給される前の空気と燃料電池スタック１０から排出された空気（カソード排ガス）との間における酸素流量の変化分に相当する。
On the other hand, based on the stack current detection value Istc_d, the consumption oxygen flow rate m O2_cons that is the flow rate of oxygen consumed for power generation by the
ｍO2_cons＝｛（Ｉ×Ｎ）／（４×Ｆ）｝×Ｖsta×６０ …（５）
ただし、
Ｎ：燃料電池のセル枚数
Ｉ：燃料電池の出力電流（＝Ｉｓｔｃ＿ｄ）
Ｆ：ファラデー定数
Ｖsta：標準状態における理想気体１ｍｏｌの体積[ＮＬ]
６０：秒分間の単位変換係数
である。
m O2_cons = {(I × N) / (4 × F)} × V sta × 60 (5)
However,
N: number of cells of the fuel cell I: output current of the fuel cell (= Istc_d)
F: Faraday constant V sta : Volume of 1 mol of ideal gas in the standard state [NL]
60: Unit conversion coefficient for seconds.
そして、空気由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈair（Ｔｃ＿ｉｎ）、水素由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈH2（Ｔｃ＿ｉｎ）、空気由来のタービン入口ガス比エンタルピｈair（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）、水蒸気由来のタービン入口ガス比エンタルピｈH2O（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）および消費酸素流量ｍO2_consをもとに、次式（６）により目標水素流量ＦH2＿ｔを算出する。次式（６）は、水素燃焼器３２の入口におけるガスを水素燃焼器３２の出口に至るまでに目標温度まで昇温させることを想定した場合の、エネルギー保存式から導き出すことができる。
Then, an air-derived combustor inlet gas specific enthalpy h air (Tc_in), a hydrogen-derived combustor inlet gas specific enthalpy h H2 (Tc_in), an air-derived turbine inlet gas specific enthalpy h air (Tt_in_t), and a steam-derived turbine based on the inlet gas specific enthalpy h H2O (Tt_in_t) and consume oxygen flow m O2_cons, calculates the target hydrogen flow rate F H2 _t by the following equation (6). The following equation (6) can be derived from the energy conservation equation when it is assumed that the gas at the inlet of the
ＦH2＿ｔ＝｛Ａ＋Ｂ｝／Ｃ …（６）
Ａ＝｛ｈair（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）−ｈair（Ｔｃ＿ｉｎ）｝×Ｑａｉｒ＿ｄ
Ｂ＝ｈair（Ｔｃ＿ｉｎ）×ｍO2_cons
Ｃ＝ｈH2（Ｔｃ＿ｉｎ）＋０．５×ｈair（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）−ｈH2O（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）
さらに、供給水素圧力、冷却水温度（水素ガスの温度を示す）および空気圧力をもとに、下式（７）および（１０）により最大水素通過流量ｍH2_maxを算出する。最大水素通過流量ｍH2_maxは、燃焼器水素供給弁４９が最大開度にある状態で燃焼器水素供給弁４９を通過させることができる水素ガスの流量である。下式（７）は、燃焼器水素供給弁４９にチョークが発生していない場合の最大水素通過流量ｍH2_maxを示し、下式（１０）は、チョークが発生している場合の最大水素通過流量ｍH2_maxを示す。
F H2 — t = {A + B} / C (6)
A = {h air (Tt_in_t) −h air (Tc_in)} × Qair_d
B = h air (Tc_in) × m O2_cons
C = h H2 (Tc_in) + 0.5 × h air (Tt_in_t) −h H2O (Tt_in_t)
Further, based on the supply hydrogen pressure, the cooling water temperature (indicating the temperature of hydrogen gas) and the air pressure, the maximum hydrogen passage flow rate m H2 — max is calculated by the following equations (7) and (10). The maximum hydrogen passage flow rate m H2_max is a flow rate of hydrogen gas that can pass through the combustor
Ｐ２／Ｐ１＞（２／（γ＋１））γ/(γ-1)の場合：
ｍH2_max＝Ｃｆ×Ａ×｛２×（γ／（γ−１））×（Ｐ１×１０００／ρ１−Ｐ２×１０００／ρｔｈ）｝1/2×（Ｐ２／Ｐａｔｍ）×（Ｔｓｔａ／Ｔｔｈ）×１０００×６０ …（７）
ただし、
Ｃｆ：流量係数
Ｐ１：供給水素圧力検出値
Ｐ２：空気圧力検出値
Ｐａｔｍ：標準状態での大気圧（＝１０１．３［ｋＰａ］）
Ａ：オリフィス断面積
ρ１：燃焼器供給水素調節弁の入口部における水素密度
ρｔｈ：燃焼器供給水素調節弁のスロート部における水素密度
Ｔｓｔａ：標準状態における温度
Ｔｔｈ：燃焼器供給水素調節弁のスロート部における水素温度
γ：比熱比（１．４）
である。
When P2 / P1> (2 / (γ + 1)) γ / ( γ -1) :
m H2 — max = Cf × A × {2 × (γ / (γ−1)) × (P1 × 1000 / ρ1−P2 × 1000 / ρth)} 1/2 × (P2 / Patm) × (Tsta / Tth) × 1000 × 60 (7)
However,
Cf: Flow coefficient P1: Supply hydrogen pressure detection value P2: Air pressure detection value Patm: Atmospheric pressure in the standard state (= 101.3 [kPa])
A: Orifice cross-sectional area ρ1: Hydrogen density at the inlet of the combustor supply hydrogen control valve ρth: Hydrogen density at the throat of the combustor supply hydrogen control valve Tsta: Temperature in the standard state Tth: Throat part of the combustor supply hydrogen control valve Hydrogen temperature at γ: Specific heat ratio (1.4)
It is.
上式（７）のρｔｈおよびＴｔｈは、次式（８）、（９）により算出する。 Ρth and Tth in the above equation (7) are calculated by the following equations (8) and (9).
ρｔｈ＝ρ１×（Ｐ２／Ｐ１）1/γ …（８）
Ｔｔｈ＝Ｔ１×（Ｐ２／Ｐ１）(γ-1)/γ …（９）
さらに、
Ｐ２／Ｐ１≦（２／（γ＋１））γ/(γ-1)の場合：
ｍH2_max＝Ｃｆ×Ａ×｛２×（γ／（γ＋１））×（Ｐ１×１０００／ρ１）｝1/2×（Ｐｔｈ／Ｐａｔｍ）×（Ｔｓｔａ／Ｔｔｈ）×１０００×６０ …（１０）
上式（１０）のＰｔｈおよびＴｔｈは、次式（１１）、（１２）により算出する。
ρth = ρ1 × (P2 / P1) 1 / γ (8)
Tth = T1 × (P2 / P1) ( γ −1) / γ (9)
further,
In the case of P2 / P1 ≦ (2 / (γ + 1)) γ / ( γ- 1) :
m H2_max = Cf × A × {2 × (γ / (γ + 1)) × (P1 × 1000 / ρ1)} 1/2 × (Pth / Patm) × (Tsta / Tth) × 1000 × 60 (10)
Pth and Tth in the above equation (10) are calculated by the following equations (11) and (12).
Ｐｔｈ＝Ｐ１×（２／（γ＋１））γ/(γ-1) …（１１）
Ｔｔｈ＝Ｔ１×（Ｐｔｈ／Ｐ１）(γ-1)/γ …（１２）
そして、このようにして算出された目標水素流量ＦH2＿ｔおよび最大水素通過流量ｍH2_maxをもとに、目標水素供給弁開度を演算する。具体的には、目標水素流量ＦH2＿ｔを最大水素通過流量ｍH2_maxで除した値（目標デューティー比に相当する）から定まる開度を目標調節弁開度とし、目標調節弁開度により燃焼器供給水素調節弁４９を制御する。
Pth = P1 × (2 / (γ + 1)) γ / ( γ −1) (11)
Tth = T1 × (Pth / P1) ( γ −1) / γ (12)
Then, the target hydrogen supply valve opening degree is calculated based on the target hydrogen flow rate F H2 — t and the maximum hydrogen passage flow rate m H2 — max calculated in this way. Specifically, the opening degree determined the target hydrogen flow rate F H2 _t from the maximum hydrogen flow rate through m H2_max divided by the (corresponding to the target duty ratio) and the target control valve position, the combustor by the target control valve position The supply
（システムコントローラの動作）
システムコントローラ２０の動作について、フローチャートを参照して説明する。
(System controller operation)
The operation of the
図１０は、システムコントローラ２０が実行するモータ出力制御ルーチンのフローチャートである。
FIG. 10 is a flowchart of a motor output control routine executed by the
Ｓ１０１では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを読み込む。 In S101, the target stack current Istc_t is read.
Ｓ１０２では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔおよび目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔを算出する。Ｓ１０２の処理は、目標空気圧力演算部Ｂ１０２、目標空気流量演算部Ｂ１０３、最大値選択部Ｂ１０５および最大値選択部Ｂ１０６により実行される。 In S102, the target air flow rate Qair_t and the target air pressure Pair_t are calculated based on the target stack current Istc_t. The process of S102 is executed by the target air pressure calculation unit B102, the target air flow rate calculation unit B103, the maximum value selection unit B105, and the maximum value selection unit B106.
Ｓ１０３では、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔ、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔ、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄをもとに、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを算出する。Ｓ１０３の処理は、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１により実行される。 In S103, the target compressor drive torque Tcmp_t is calculated based on the target air pressure Pair_t, the target air flow rate Qair_t, the air pressure detection value Pair_d, and the air flow rate detection value Qair_d. The process of S103 is executed by the compressor output control unit B1041.
Ｓ１０４では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを算出する。Ｓ１０４の処理は、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９により実行される。Ｓ１０４の処理により算出される目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔは、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔおよび目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔの演算のために暫定的に設定されるものである。 In S104, the target motor output Mmtr_t is calculated based on the target stack current Istc_t. The process of S104 is executed by the target motor output calculation unit B1049. The target motor output Mmtr_t calculated by the process of S104 is provisionally set for calculating the target turbine recovery power Mtbn_t and the target turbine inlet temperature Tt_in_t.
Ｓ１０５では、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔ（＝Ｔｃｍｐ＿ｔ×Ｎｍｔｒ＿ｄ）から目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを減じることで、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを達成するための目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを算出する。Ｓ１０５の処理は、乗算部Ｂ１０４６および減算部Ｂ１０４８により実行される。 In S105, the target turbine output power Mtbn_t for achieving the target compressor drive torque Tcmp_t is calculated by subtracting the target motor output Mmtr_t from the target compressor power Mcmp_t (= Tcmp_t × Nmtr_d). The process of S105 is executed by the multiplication unit B1046 and the subtraction unit B1048.
Ｓ１０６では、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄをもとに、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを達成するための目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔを算出する。Ｓ１０６の処理は、目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３により実行される。 In S106, a target turbine inlet temperature Tt_in_t for achieving the target turbine recovery power Mtbn_t is calculated based on the target turbine recovery power Mtbn_t, the air pressure detection value Pair_d, and the air flow rate detection value Qair_d. The process of S106 is executed by the target turbine inlet temperature calculation unit B1043.
Ｓ１０７では、目標タービン入口温度前回値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ（ｎ−１）、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄ、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄおよびタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘをもとに、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを算出する。Ｓ１０７の処理は、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２により実行される。 In S107, the turbine recovery power estimated value Mtbn_e is calculated based on the previous target turbine inlet temperature value Tt_in_t (n-1), the air pressure detection value Pair_d, the air flow rate detection value Qair_d, and the turbine outlet pressure Pt_ex. The process of S107 is executed by the turbine recovery power estimation unit B1042.
Ｓ１０８では、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔを設定する。モータトルク指令値ＣＭＤｍｔの設定は、減算部Ｂ１０４７および最小値選択部Ｂ１０４４により実行される。具体的には、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを減じて目標モータトルクを算出し（減算部Ｂ１０４７）、目標モータトルクと過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒのトルク換算値とのうち小さい方をもとに、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔを設定する。本実施形態において、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力である。
In S108, a motor torque command value CMDmt is set. Setting of the motor torque command value CMDmt is executed by the subtraction unit B1047 and the minimum value selection unit B1044. Specifically, the target motor torque is calculated by subtracting the estimated turbine torque value Ttbn_e from the target compressor drive torque Tcmp_t (subtraction unit B1047), and the smaller of the target motor torque and the torque conversion value of the transient output upper limit value LMTtr Based on the above, the motor torque command value CMDmt is set. In the present embodiment, the transient output upper limit LMTtr is the time rated output of the
図１１は、図１０のモータトルク指令値設定処理（Ｓ１０８）の内容を示すフローチャートである。 FIG. 11 is a flowchart showing the contents of the motor torque command value setting process (S108) of FIG.
Ｓ２０１では、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを減じることで、目標モータトルクを算出する。 In S201, the target motor torque is calculated by subtracting the estimated turbine torque value Ttbn_e from the target compressor drive torque Tcmp_t.
Ｓ２０２では、モータ出力上限値ＬＭＴｔｒを読み込む。 In S202, the motor output upper limit value LMTtr is read.
Ｓ２０３では、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔがモータ出力上限値ＬＭＴｔｒ（のトルク換算値）以下であるか否かを判定する。モータ出力上限値ＬＭＴｔｒ以下である場合は、今回の制御を終了し、モータ出力上限値ＬＭＴｔｒよりも大きい場合は、Ｓ２０４へ進む。 In S203, it is determined whether or not the motor torque command value CMDmt is less than or equal to the motor output upper limit value LMTtr (torque conversion value). If it is less than or equal to the motor output upper limit value LMTtr, the current control is terminated. If it is greater than the motor output upper limit value LMTtr, the process proceeds to S204.
Ｓ２０４では、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔをモータ出力上限値ＬＭＴｔｒに設定する。換言すれば、Ｓ１０８の処理により算出されたモータトルク指令値ＣＭＤｍｔとモータ出力上限値ＬＭＴｔｒのトルク換算値とのうち小さい方をもとに、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔを設定するのである。 In S204, the motor torque command value CMDmt is set to the motor output upper limit value LMTtr. In other words, the motor torque command value CMDmt is set based on the smaller of the motor torque command value CMDmt calculated by the processing of S108 and the torque conversion value of the motor output upper limit value LMTtr.
図１２は、燃料電池システム１００の過渡運転時（加速時）における動作を概略的に示す説明図である。
FIG. 12 is an explanatory view schematically showing the operation of the
時刻ｔ０において、比較的低速で走行している車両が、時刻ｔ１におけるアクセルペダルの踏込操作により加速し、時刻ｔ１〜ｔ４の過渡期間を経て、時刻４に加速後の定速走行に移行する場合を想定する。ここで、細線がアクセル操作に対する目標値の変化を示し、太線が目標値の変化に応じた実際値の推移を示す。
When a vehicle traveling at a relatively low speed at time t0 is accelerated by depressing the accelerator pedal at time t1, and transitions to constant speed travel after acceleration at
時刻ｔ０〜ｔ１では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの達成に必要なコンプレッサ出力Ｍｃｍｐがコンプレッサモータ６０の出力（モータ出力）Ｍｍｔｒのみにより賄われており、タービン回収動力Ｍｔｂｎ（推定値Ｍｔｂｎ＿ｅ）は、０である。換言すれば、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９により求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔに等しく、これらの目標値の差として算出される目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ（＝Ｍｃｍｐ＿ｔ−Ｍｍｔｒ＿ｔ）が０となる。図１２の例では、時刻ｔ０〜ｔ１において、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔは、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔよりも小さな値として設定されている。さらに、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが０であることから、燃焼器供給水素調節弁４９により水素燃焼器３２に対する水素ガスの供給が停止され、燃焼温度も０となる。
At times t0 to t1, the compressor output Mcmp necessary for achieving the target stack current Istc_t is covered only by the output (motor output) Mmtr of the
時刻ｔ１において、運転者によりアクセルペダルが踏み込まれ、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが増大すると、これに応じて目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが増大する。これは、目標コンプレッサ出力Ｍｃｍｐ＿ｔが目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの変化に追従するように増大する一方、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９により目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが定常時出力上限値ＬＭＴｓｔ以下に制限されるため、目標コンプレッサ出力Ｍｃｍｐ＿ｔと目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔとの差として算出される目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが増大するからである。 At time t1, when the accelerator pedal is depressed by the driver and the target stack current Istc_t increases, the target turbine recovery power Mtbn_t increases accordingly. This is because the target compressor output Mcmp_t increases so as to follow the change of the target stack current Istc_t, while the target motor output Mmtr_t is limited to the steady state output upper limit LMTst or less by the target motor output calculation unit B1049. This is because the target turbine recovery power Mtbn_t calculated as the difference between the output Mcmp_t and the target motor output Mmtr_t increases.
よって、本実施形態において、「過渡運転時」は、実際のタービン回収動力Ｍｔｂｎが目標値（目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ）を下回る場合として定義することができる。さらに、本実施形態では、タービン回収動力Ｍｔｂｎを得るために水素燃焼器３２に水素ガスを供給し、これを作動させる必要があることから、「過渡運転時」は、水素燃焼器３２における実際の燃焼温度が目標値（目標燃焼温度）を下回る場合として定義することもできる。タービン回収動力Ｍｔｂｎおよび燃焼温度は、定常運転に移行することで、いずれも目標値に一致する。
Therefore, in the present embodiment, “at the time of transient operation” can be defined as the case where the actual turbine recovery power Mtbn is lower than the target value (target turbine recovery power Mtbn_t). Furthermore, in this embodiment, since it is necessary to supply hydrogen gas to the
目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔの増大に伴い、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔが増大し、水素燃焼器３２に対する水素ガスの供給が開始される。しかし、水素燃焼器３２に対する水素ガスの供給に遅れが存在したり、水素燃焼器３２自体の筐体が冷えていたりすることで、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが増大してから水素燃焼器３２における燃焼温度が上昇し、タービン回収動力Ｍｔｂｎに実際に変化が生じるまでには、一定の遅れが存在する。
As the target turbine recovery power Mtbn_t increases, the target turbine inlet temperature Tt_in_t increases, and the supply of hydrogen gas to the
よって、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎｅを減じた値（目標モータトルク）をもとに設定されるモータトルク指令値ＣＭＤｍｔが、タービン回収動力Ｍｔｂｎの遅れに応じた不足分だけ増大し、タービン回収動力Ｍｔｂｎの不足分をモータ出力Ｍｍｔｒにより補うこととなる。ここで、本実施形態では、モータ出力Ｍｍｔｒに対して過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒによる制限が課せられ、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを超えるモータ出力Ｍｍｔｒの増大が禁止される。本実施形態において、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力である。目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを超えていることから、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに設定され、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに減じるまでの間（時刻ｔ１〜ｔ２）、コンプレッサ出力Ｍｃｍｐにこの制限に応じた分だけ目標値（目標コンプレッサ出力Ｍｃｍｐ＿ｔ）に対する不足が生じている。
Therefore, the motor torque command value CMDmt set based on the value obtained by subtracting the turbine torque estimated value Ttbne from the target compressor drive torque Tcmp_t (target motor torque) increases by an insufficiency corresponding to the delay of the turbine recovery power Mtbn. The deficiency of the turbine recovery power Mtbn is compensated by the motor output Mmtr. In this embodiment, the motor output Mmtr is limited by the transient output upper limit value LMTtr, and the increase of the motor output Mmtr exceeding the transient output upper limit value LMTtr is prohibited. In the present embodiment, the transient output upper limit LMTtr is the time rated output of the
モータ出力Ｍｍｔｒは、水素燃焼器３２における燃焼温度が上昇し、タービン回収動力Ｍｔｂｎが増えるのに従って減少する。そして、モータ出力Ｍｍｔｒは、タービン回収動力Ｍｔｂｎが加速後の目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔに応じた目標値（目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ）に達する時刻ｔ５において、加速後の目標値（目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔ）に収束する。
The motor output Mmtr decreases as the combustion temperature in the
ここで、目標スタック電流の変化に対するモータ出力およびタービン回収動力の推移について、図１３を参照してさらに説明する。 Here, the transition of the motor output and the turbine recovery power with respect to the change of the target stack current will be further described with reference to FIG.
図１３は、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの増大に対する目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔ、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅおよびモータトルク指令値ＣＭＤｍｔ等の推移を概略的に示している。図中に示す時刻ｔ０〜ｔ５は、図１２に示す時刻ｔ０〜ｔ５と対応する。図中に示す２〜１０の数値は、出力ないし動力の関係を相対的に表したものであり、実際の値を示すものではない。 FIG. 13 schematically shows changes in the target compressor power Mcmp_t, the turbine recovery power estimated value Mtbn_e, the motor torque command value CMDmt, and the like with respect to the increase in the target stack current Istc_t. Times t0 to t5 shown in the figure correspond to times t0 to t5 shown in FIG. Numerical values of 2 to 10 shown in the figure relatively represent the relationship between output and power and do not represent actual values.
時刻ｔ０では、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔは、相対値で２であり、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔも、相対値で２である。よって、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔは、コンプレッサモータ６０のみにより賄われ、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔおよびタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅの相対値は、いずれも０となる。そして、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔからタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを減じた相対値として算出される目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが２に設定され、コンプレッサモータ６０は、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔにより、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔ（＝２）を達成するように制御される。
At time t0, the target compressor power Mcmp_t is 2 as a relative value, and the target motor output Mmtr_t obtained from the target stack current Istc_t is also 2 as a relative value. Therefore, the target compressor power Mcmp_t is covered only by the
時刻ｔ１では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの増大により、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔの相対値が１０に増大する。これに応じ、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔの相対値も４に増大し、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが、相対値で６（＝１０−４）に設定される。時刻ｔ１およびそれ以降の時刻ｔ３、ｔ５において、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔおよび目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔは、夫々相対値で４、６に設定される。 At time t1, the relative value of the target compressor power Mcmp_t increases to 10 due to the increase of the target stack current Istc_t. Accordingly, the relative value of the target motor output Mmtr_t obtained from the target stack current Istc_t also increases to 4, and the target turbine recovery power Mtbn_t is set to 6 (= 10−4) as a relative value. At time t1 and subsequent times t3 and t5, the target motor output Mmtr_t and the target turbine recovery power Mtbn_t are set to 4 and 6 as relative values, respectively.
ここで、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔの増大に対する実際のタービン回収動力の増大には遅れが存在することから、時刻ｔ１およびｔ３において、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅに目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ（＝６、６）に対する不足分が生じ、この不足分（＝６、３）が、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔに加算される（＝１０、７）。そして、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒの相対値が９であることから、時刻ｔ１では、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが、相対値で９に制限される。 Here, since there is a delay in the increase in the actual turbine recovery power with respect to the increase in the target turbine recovery power Mtbn_t, the target turbine recovery power Mtbn_t (= 6, 6) is added to the turbine recovery power estimated value Mtbn_e at times t1 and t3. ) Occurs, and the shortage (= 6, 3) is added to the target motor output Mmtr_t (= 10, 7). Since the relative value of the transient output upper limit LMTtr is 9, the target motor output Mmtr_t is limited to 9 as a relative value at time t1.
時刻ｔ５では、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅが目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔに一致し、タービン回収動力Ｍｔｂｎの不足分が解消することから、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔも、定常値（相対値で４）に一致する。 At time t5, the estimated turbine recovery power Mtbn_e matches the target turbine recovery power Mtbn_t, and the deficiency of the turbine recovery power Mtbn is resolved. Therefore, the target motor output Mmtr_t also matches the steady value (relative value 4). .
（作用効果の説明）
本実施形態では、燃料電池システム１００の運転を制御するシステムコントローラ２０に、コンプレッサモータ６０の出力であるモータ出力Ｍｍｔｒを制御する空気系制御部Ｂ１０３を設け、空気系制御部Ｂ１０３により、定常運転時では、モータ出力Ｍｍｔｒを第１の出力上限値である定常時出力上限値ＬＭＴｓｔ以下に制限し、燃料電池スタック１０の発電電力を増大させる過渡運転時では、モータ出力上限値を定常時出力上限値ＬＭＴｓｔから過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに切り換え、モータ出力Ｍｍｔｒの定常時出力上限値ＬＭＴｔｒを超える増大を許容することとした。
(Explanation of effects)
In the present embodiment, the
このように、定常運転時では、コンプレッサモータ６０の出力（モータ出力Ｍｍｔｒ）を定常時出力上限値ＬＭＴｓｔ以下に制限することで、コンプレッサモータ６０の連続的な使用が可能となる。ここで、定常運転時に設定される目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔの上限値を定常時出力上限値ＬＭＴｓｔとし（図９）、モータ出力Ｍｍｔｒが低く抑えられる状態を維持することで、コンプレッサモータ６０の駆動に要する電力の消費を抑制し、車両走行用の電動モータの駆動に割り振ることのできる電力を確保することが可能となる。
Thus, during steady operation, the
さらに、過渡運転時では、モータ出力Ｍｍｔｒの定常時出力上限値ＬＭｓｔを超える増大、具体的には、コンプレッサモータ６０の出力の連続定格を超える増大を積極的に許容することで、タービン回収動力Ｍｔｂｎの実際の変化を待たずにコンプレッサモータ６０の出力増大によりコンプレッサ６４の回転速度を上昇させ、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの達成に必要な空気圧力Ｐａｉｒおよび空気流量Ｑａｉｒ（目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔ、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔ）を発生させることが可能となる。よって、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの増大に対し、燃料電池スタック１０に対する実際の供給空気流量を速やかに増大させ、過渡運転時における動作応答性を確保することができる。
Further, during transient operation, the turbine recovery power Mtbn is positively allowed by increasing the motor output Mmtr exceeding the steady-state output upper limit LMst, specifically, increasing the output of the
そして、本実施形態では、モータ出力Ｍｍｔｒの定常時出力上限値ＬＭｓｔを超える増大を許容することで、比較的小型のコンプレッサモータ６０によっても過渡運転時における動作応答性を確保することができ、換言すれば、要求される動作応答性を確保しながら、より小型のコンプレッサモータ６０を採用することが可能となる。
In the present embodiment, by allowing the motor output Mmtr to increase beyond the steady-state output upper limit value LMst, it is possible to ensure operation responsiveness during transient operation even with a relatively
ここで、過渡運転時において、モータ出力上限値を定常時出力上限値ＬＭＴｓｔよりも大きな過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに切り換えることで、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力Ｍｍｔｒの増大を許容しつつ、コンプレッサモータ６０を過度な発熱による故障から保護し、所要の製品寿命を確保することができる。
Here, during transient operation, the motor output upper limit value is switched to a transient output upper limit value LMTtr that is larger than the steady output upper limit value LMTst, thereby allowing an increase in the motor output Mmtr that exceeds the steady output upper limit value LMTst. The
本実施形態では、空気系制御部Ｂ１０４が「モータ出力制御部」を構成し、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔが「第１の出力上限値」に、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒが「第２の出力上限値」に相当する。過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力とするほか、コンプレッサモータ６０の異常を回避し、所要の製品寿命を確保し得る範囲で適宜に設定することが可能である。この意味で、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒの設定自体は、必須ではない。
In the present embodiment, the air system control unit B104 constitutes a “motor output control unit”, the steady-state output upper limit value LMTst is “first output upper limit value”, and the transient output upper limit value LMTtr is “second output”. It corresponds to the “upper limit value”. The transient output upper limit value LMTtr can be set as appropriate within a range in which the
さらに、「過渡運転時」は、実際にタービン６２が生じさせている動力（タービン回収動力）Ｍｔｂｎが目標値（目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ）を下回る場合として定義することができ、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅと目標値Ｍｔｂｎ＿ｔとの比較によるほか、水素燃焼器３２における燃焼温度により判断することが可能である。よって、「過渡運転時」は、水素燃焼器３２における燃焼温度が目標値を下回る場合として定義することもできる。水素燃焼器３２における燃焼温度は、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎから推定したり、水素燃焼器３２に対する水素供給流量等から推定したりして、把握することが可能である。燃焼温度としてその推定値を採用することで、特別なセンサの増設を不要とし、部品点数の増加を回避するとともに、センサを採用した場合と比較して応答遅れを抑制することができる。
Furthermore, the “transient operation” can be defined as a case where the power (turbine recovered power) Mtbn actually generated by the
このように、本実施形態において、燃料電池システム１００が定常運転状態にあるかまたは過渡運転状態にあるかの判定は、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅおよび目標値Ｍｔｂｎ＿ｔの関係等から実質的になされるものである。しかし、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅと目標値Ｍｔｂｎ＿ｔとを実際に比較するなどして、燃料電池システム１００がいずれの運転状態にあるかを判定してもよい。
As described above, in this embodiment, the determination as to whether the
さらに、本実施形態では、燃料電池スタック１０の要求発電電力に応じた目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを設定し、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを演算し（図９）、目標コンプレッサ出力Ｍｃｍｐ＿ｔから目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿４を減じた値として目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを設定することとした。そして、タービン６２が実際に発生させる動力をタービン回収動力として演算し（タービン回収動力推定値（Ｍｔｂｎ＿ｅ）、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔからタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを減算して、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを演算し、この目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔに基づき、モータ出力を制御することとした。
Further, in this embodiment, a target stack current Istc_t corresponding to the required generated power of the
このように、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔに応じた暫定的な目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔにより目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを設定するとともに、タービン６２が実際に生じさせる動力を推定し、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅの目標値（目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ）に対する不足分を加算した出力として、最終的な目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを設定することで、タービン６２の動作に生じる遅れによらず、目標コンプレッサ出力を達成し、要求発電電力に応じた目標スタック電流を実現することができる。
As described above, the target turbine recovery power Mtbn_t is set by the provisional target motor output Mmtr_t corresponding to the target stack current Istc_t, and the power actually generated by the
ここで、目標スタック電流演算部Ｂ１０１が「目標発電電流設定部」を構成し、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９が「第１の目標モータ出力演算部」を構成し、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１、乗算部Ｂ１０４６および減算部Ｂ１０４８が「目標タービン回収動力設定部」を設定し、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２が「タービン回収動力演算部」を構成し、減算部Ｂ１０４７が「第２の目標モータ出力演算部」を構成する。そして、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが「第１の目標モータ出力」に相当し、目標コンプレッサトルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを減じた値をもとに算出される目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが「第２の目標モータ出力」に相当する。 Here, the target stack current calculation unit B101 constitutes a “target generated current setting unit”, the target motor output calculation unit B1049 constitutes a “first target motor output calculation unit”, a compressor output control unit B1041, a multiplication unit B1046 and subtraction unit B1048 set “target turbine recovery power setting unit”, turbine recovery power estimation unit B1042 constitutes “turbine recovery power calculation unit”, and subtraction unit B1047 “second target motor output calculation unit” Configure. The target motor output Mmtr_t obtained from the target stack current Istc_t corresponds to the “first target motor output”, and the target motor output calculated based on the value obtained by subtracting the estimated turbine torque Ttbn_e from the target compressor torque Tcmp_t. Mmtr_t corresponds to “second target motor output”.
さらに、本実施形態では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを設定し、これに基づき、タービン６２のガス流入部における排ガス温度（タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ）を制御することとした。
Further, in the present embodiment, the target turbine recovery power Mtbn_t is set based on the target stack current Istc_t, and the exhaust gas temperature (turbine inlet temperature Tt_in) at the gas inflow portion of the
これにより、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの実現に必要なタービン６２の作動条件（タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ）を速やかに達成し、タービン６２の動作に遅れが生じるのを抑制することが可能となる。
Accordingly, it is possible to quickly achieve the operating condition (turbine inlet temperature Tt_in) of the
ここで、上記に加え、目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３が「タービン入口温度制御部」を構成する。 Here, in addition to the above, the target turbine inlet temperature calculator B1043 constitutes a “turbine inlet temperature controller”.
（他の実施形態の説明）
先の実施形態では、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒとしてコンプレッサモータ６０の時間定格の出力を採用し、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを一定とする場合について説明した。
(Description of other embodiments)
In the previous embodiment, the case where the time rated output of the
しかし、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、状況に応じて変化させて設定することも可能である。 However, the transient output upper limit value LMTtr can be set by changing according to the situation.
具体的には、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを、コンプレッサモータ６０の温度、回転速度およびインバータ電流制限値のうち少なくとも１つをもとに設定する。ここで、コンプレッサモータ６０の温度は、モータ６０自体の温度に限らず、モータ６０を駆動するインバータの温度、モータ６０またはインバータを冷却する冷却水の温度で代用することも可能である。
Specifically, the transient output upper limit value LMTtr is set based on at least one of the temperature, rotation speed, and inverter current limit value of the
図１４は、コンプレッサモータ６０の温度（モータ温度Ｔｍｔｒ）と過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒとの関係を示す説明図である。過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを、モータ温度Ｔｍｔｒが高いときほど小さな値として設定することで、コンプレッサモータ６０およびインバータの耐熱温度を超える発熱を防止し、これらの部品を熱的な観点から保護することができる。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing the relationship between the temperature of the compressor motor 60 (motor temperature Tmtr) and the transient output upper limit LMTtr. By setting the output upper limit value LMTtr at the time of transition as a smaller value as the motor temperature Tmtr is higher, heat generation exceeding the heat resistance temperature of the
図１５は、コンプレッサモータ６０の回転速度（モータ回転数Ｎｍｔｒ）と過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒとの関係を示す説明図である。過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを、モータ回転数Ｎｍｔｒの減少に応じて小さな値として設定することで、過度に大きなモータトルクの印加による損傷、換言すれば、過度な加速による損傷から回転軸を保護することができる。具体的には、コンプレッサモータ６０の回転数変化率を回転軸の損傷防止等の観点から定められる最大変化率以下に制限するように、低回転域における過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを高回転域に比べて減少させる。
FIG. 15 is an explanatory diagram showing the relationship between the rotational speed of the compressor motor 60 (motor rotation speed Nmtr) and the transient output upper limit LMTtr. The transient output upper limit value LMTtr is set as a small value in accordance with the decrease in the motor rotational speed Nmtr, so that the rotating shaft is protected from damage due to application of an excessively large motor torque, in other words, damage due to excessive acceleration. be able to. Specifically, the transient output upper limit value LMTtr in the low rotation range is set to the high rotation range so as to limit the rotation rate change rate of the
ここで、コンプレッサモータ６０の回転数変化率ｄω／ｄｔは、慣性をＪｃｐ、印加トルクをτａｌｌ、回転維持トルクをτｃｐとすると、次式（１３）により算出することができる。
Here, the rotational speed change rate dω / dt of the
ｄω／ｄｔ＝（１／Ｊｃｐ）×（τａｌｌ−τｃｐ） …（１３）
高回転域では、回転維持トルクτｃｐが大きいことから、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを増大させてより大きなトルクの印加を許容したとしても、回転数変化率ｄω／ｄｔの上昇を抑えることが可能である。これに対し、低回転域では、回転維持トルクτｃｐが小さく、大きなトルクを印加した場合の回転数変化率ｄω／ｄｔが大きくなることから、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを減少させて、印加トルクτａｌｌを小さな値に制限する。
dω / dt = (1 / Jcp) × (τall−τcp) (13)
Since the rotation maintaining torque τcp is large in the high rotation range, it is possible to suppress an increase in the rotational speed change rate dω / dt even if application of a larger torque is permitted by increasing the transient output upper limit value LMTtr. is there. On the other hand, in the low rotation range, the rotation maintaining torque τcp is small, and the rotation speed change rate dω / dt when a large torque is applied becomes large. Therefore, the transient output upper limit value LMTtr is decreased, and the applied torque τall To a small value.
図１６は、コンプレッサモータ６０のインバータ電流制限値と過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒとの関係を示す説明図である。過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを、インバータ電流制限値が低いときほど小さな値として設定することで、インバータに流れる電流の大きさが制限されている場合に、実際に流れる電流を当該制限値以下に抑制する。
FIG. 16 is an explanatory diagram showing the relationship between the inverter current limit value of the
このように、コンプレッサモータ６０の温度等をパラメータとして過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを設定することで、過渡運転時におけるモータ出力Ｍｍｔｒを適切に制限し、動作応答性の確保とコンプレッサモータ６０の保護との両立を図ることができる。ここで、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、「第２の出力上限値」に相当する。
In this way, by setting the transient output upper limit value LMTtr using the temperature of the
さらに、モータ出力Ｍｍｔｒの制限は、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒ自体によるばかりでなく、モータ出力Ｍｍｔｒが過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを超えている時間により行うことも可能である。 Further, the motor output Mmtr can be limited not only by the transient output upper limit value LMTtr itself but also by the time during which the motor output Mmtr exceeds the transient output upper limit value LMTtr.
図１７は、コンプレッサモータ６０について、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力Ｍｍｔｒを生じさせる時間に制限がある場合に、モータ出力制限値ＬＭＴをこの時間により制限する制御の内容を示すフローチャートである。同図に示す処理は、空気系制御部Ｂ１０４により実行され、図５に示す構成において、モータ出力制限値ＬＭＴを、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに代えて最小値選択部Ｂ１０４４に入力する。
FIG. 17 is a flowchart showing the contents of control for limiting the motor output limit value LMT by this time when there is a limit in the time for generating the motor output Mmtr exceeding the steady-state output upper limit value LMTst for the
Ｓ３０１では、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔとタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅとの差を読み込み、これを動力（目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔ）に換算する。 In S301, the difference between the target compressor drive torque Tcmp_t and the turbine torque estimated value Ttbn_e is read and converted into power (target motor output Mmtr_t).
Ｓ３０２では、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが定常時出力上限値ＬＭＴｓｔよりも大きいか否かを判定する。定常時出力上限値ＬＭＴｓｔよりも大きい場合は、Ｓ３０３へ進み、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔ以下である場合は、Ｓ３０７へ進む。ここで、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔは、例えば、コンプレッサモータ６０の連続定格の出力である。
In S302, it is determined whether or not the target motor output Mmtr_t is larger than the steady-state output upper limit LMTst. When it is larger than the constant output upper limit value LMTst, the process proceeds to S303, and when it is equal to or less than the steady-state output upper limit value LMTst, the process proceeds to S307. Here, the steady-state output upper limit value LMTst is, for example, the continuous rated output of the
Ｓ３０３では、時間カウント値ａが第１の所定値ＳＬ１に達したか否かを判定する。第１の所定値ＳＬ１に達した場合は、Ｓ３０４へ進み、達していない場合は、Ｓ３０５へ進む。 In S303, it is determined whether or not the time count value a has reached the first predetermined value SL1. If the first predetermined value SL1 has been reached, the process proceeds to S304, and if not, the process proceeds to S305.
Ｓ３０４では、モータ出力上限値ＬＭＴを定常時出力上限値ＬＭＴｓｔに設定する。定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力を生じさせている時間が制限値に達したと判断し、モータ出力上限値ＬＭＴを強制的に定常時出力上限値ＬＭＴｓｔに設定することで、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を禁止するのである。 In S304, the motor output upper limit value LMT is set to the steady-state output upper limit value LMTst. It is determined that the time during which the motor output exceeding the constant output upper limit value LMTst has been reached has reached the limit value, and the motor output upper limit value LMT is forcibly set to the steady-state output upper limit value LMTst. Generation of motor output exceeding the upper limit value LMTst is prohibited.
Ｓ３０５では、モータ出力上限値ＬＭＴを過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに設定し、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を許容する。ただし、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒの設定により、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを超えるモータ出力の発生は、引き続き禁止する。ここで、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、例えば、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力である。
In S305, the motor output upper limit LMT is set to the transient output upper limit LMTtr, and the generation of the motor output exceeding the steady output upper limit LMTst is permitted. However, by setting the transient output upper limit value LMTtr, the generation of motor output exceeding the transient output upper limit value LMTtr is continuously prohibited. Here, the transient output upper limit value LMTtr is, for example, the time rated output of the
Ｓ３０６では、時間カウント値ａに所定値ｄａ１を加算する。 In S306, the predetermined value da1 is added to the time count value a.
Ｓ３０７では、時間カウント値ａが第２の所定値ＳＬ２に達したか否かを判定する。第２の所定値ＳＬ２に達した場合は、Ｓ３０８へ進み、達していない場合は、Ｓ３０９へ進む。第２の所定値ＳＬ２は、第１の所定値ＳＬ１よりも小さく、例えば、０である。 In S307, it is determined whether or not the time count value a has reached the second predetermined value SL2. If the second predetermined value SL2 has been reached, the process proceeds to S308, and if not, the process proceeds to S309. The second predetermined value SL2 is smaller than the first predetermined value SL1, and is 0, for example.
Ｓ３０８では、モータ出力上限値ＬＭＴを過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに設定する。定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を禁止すべくモータ出力上限値ＬＭＴを強制的に定常時出力上限値ＬＭＴｓｔに設定してから充分な時間が経過したと判断し、モータ出力上限値ＬＭＴを定常時出力上限値ＬＭＴｓｔから過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに切り換えることで、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を再度許容するのである。 In S308, the motor output upper limit value LMT is set to the transient output upper limit value LMTtr. It is determined that sufficient time has elapsed since the motor output upper limit value LMT is forcibly set to the steady-state output upper limit value LMTst to prohibit the generation of motor output exceeding the constant output upper limit value LMTst. By switching the LMT from the steady-state output upper limit value LMTst to the transient-time output upper limit value LMTtr, the generation of the motor output exceeding the steady-state output upper limit value LMTst is allowed again.
Ｓ３０９では、モータ出力上限値ＬＭＴを定常時出力上限値ＬＭＴｓｔに設定し、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を引き続き禁止する。 In S309, the motor output upper limit value LMT is set to the steady state output upper limit value LMTst, and the generation of the motor output exceeding the steady state output upper limit value LMTst is continuously prohibited.
Ｓ３１０では、時間カウント値ａから所定値ｄａ２を減算する。ここで、所定値ｄａ１およびｄａ２は、いずれも適合により定められ、ｄａ１とｄａ２とは、同一の値であっても、異なる値であってもよい。 In S310, the predetermined value da2 is subtracted from the time count value a. Here, the predetermined values da1 and da2 are both determined by adaptation, and da1 and da2 may be the same value or different values.
このようにすれば、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力を生じさせる時間を制限し、過度な発熱による損傷からコンプレッサモータ６０を保護することができる。
In this way, it is possible to limit the time for generating the motor output exceeding the steady-state output upper limit value LMTst and protect the
以上の説明では、タービン６２の駆動に水素燃焼器３２により生成される燃焼ガスを採用するとともに、燃焼ガスの生成に燃料電池１０の作動に関わる酸化剤（例えば、カソードオフガス）を採用した。しかし、カソード給排機構１２とは独立した経路を構成し、当該経路を介してタービン６２に作動ガスを供給してもよい。例えば、カソードガス供給通路２２を経由せず、大気から直接取り込んだ空気を水素燃焼器３２に導入し、生成された燃焼ガスをタービン６２に供給するのである。
In the above description, the combustion gas generated by the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲において様々な変更を成し得ることはいうまでもない。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the matters described in the claims.
１００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１２…カソード給排機構
１４…アノード供給機構
１６…過給機
１７…加熱／冷却機構
６０…コンプレッサモータ
６２…タービン
６４…コンプレッサ
６６…回転軸
３２…水素燃焼器
３４…可変ノズルベーン
１８…ＨＦＲ測定装置
１９…負荷装置
４２…熱交換器（水素ヒータ）
８２…熱交換器
３８…バイパス弁
４０…水素タンク
４８…スタック供給水素調圧弁
４９…燃焼器供給水素調節弁
８４…冷却水循環ポンプ
２０…システムコントローラ
２６…空気流量センサ
２８…空気圧力センサ
３０…カソード排ガス温度センサ
４７…水素ガス圧力センサ
５１…スタック電流センサ
５２…スタック電圧センサ
７２…モータ回転数センサ
８８…冷却水温度センサ
９１…アクセルセンサ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づき、前記燃料供給装置および前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、
を備え、
前記酸化剤供給装置は、
コンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動可能に構成された電動モータと、
を備え、
前記運転制御装置は、
前記電動モータの出力であるモータ出力を制御するモータ出力制御部と、
システムが定常運転状態にあるかまたは前記燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にあるかを判定する運転状態判定部と、
前記モータ出力に関して予め設定された出力上限値を有し、システムが前記定常運転状態にある定常運転時に、前記運転状態判定部による判定に応答して前記出力上限値を低下させるモータ出力制限部と、
を備える、燃料電池システム。 A fuel supply device for supplying fuel to the anode electrode of the fuel cell;
An oxidant supply device for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell;
An operating state detecting means for detecting an operating state of the fuel cell;
An operation control device for controlling the fuel supply device and the oxidant supply device based on the operation state detected by the operation state detection means;
With
The oxidant supply device includes:
A compressor,
An electric motor configured to drive the compressor;
With
The operation control device includes:
A motor output control unit for controlling a motor output which is an output of the electric motor;
An operation state determination unit that determines whether the system is in a steady operation state or a transient operation state that increases the generated power of the fuel cell;
A motor output limiting unit that has a preset output upper limit for the motor output and that reduces the output upper limit in response to a determination by the operating state determination unit during steady operation when the system is in the steady operation state; ,
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づき、前記燃料供給装置および前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、
を備え、
前記酸化剤供給装置は、
コンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動可能に構成された電動モータと、
を備え、
前記運転制御装置は、
前記電動モータの出力であるモータ出力を制御するモータ出力制御部と、
システムが定常運転状態にあるかまたは前記燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にあるかを判定する運転状態判定部と、
システムが前記定常運転状態にある定常運転時に、前記モータ出力を第１の出力上限値以下に制限する一方、システムが前記過渡運転状態にある過渡運転時に、前記第１の出力上限値を超える前記モータ出力の上昇を許容するモータ出力制限部と、
を備える、燃料電池システム。 A fuel supply device for supplying fuel to the anode electrode of the fuel cell;
An oxidant supply device for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell;
An operating state detecting means for detecting an operating state of the fuel cell;
An operation control device for controlling the fuel supply device and the oxidant supply device based on the operation state detected by the operation state detection means;
With
The oxidant supply device includes:
A compressor,
An electric motor configured to drive the compressor;
With
The operation control device includes:
A motor output control unit for controlling a motor output which is an output of the electric motor;
An operation state determination unit that determines whether the system is in a steady operation state or a transient operation state that increases the generated power of the fuel cell;
The motor output is limited to a first output upper limit value or less during steady operation when the system is in the steady operation state, and the first output upper limit value is exceeded during transient operation when the system is in the transient operation state. A motor output limiter that allows the motor output to rise;
A fuel cell system comprising:
前記運転状態判定部は、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力が目標値を下回る場合に、システムが前記過渡運転状態にあると判定する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。 The oxidant supply device further includes a turbine that drives the compressor independently of the electric motor,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the operation state determination unit determines that the system is in the transient operation state when turbine recovery power that is power generated by the turbine is lower than a target value.
前記コンプレッサを前記電動モータとは独立して駆動するタービンと、
燃料と酸化剤とを燃焼させて前記タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、
をさらに備え、
前記運転状態判定部は、前記燃焼器における燃焼温度が目標値を下回る場合に、システムが前記過渡運転状態にあると判定する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 The oxidant supply device includes:
A turbine that drives the compressor independently of the electric motor;
A combustor for combusting fuel and oxidant to generate combustion gas for driving the turbine;
Further comprising
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the operation state determination unit determines that the system is in the transient operation state when a combustion temperature in the combustor is lower than a target value. system.
前記モータ出力制御部は、
前記燃料電池の目標発電電流に基づき、前記モータ出力の目標値である第１の目標モータ出力を演算する第１の目標モータ出力演算部と、
算出された第１の目標モータ出力に基づき、タービン回収動力の目標値である目標タービン回収動力を設定する目標タービン回収動力設定部と、
前記タービンが実際に発生させる動力をタービン回収動力として演算するタービン回収動力演算部と、
前記目標発電電流に応じた目標コンプレッサ動力から、算出されたタービン回収動力を減算して、第２の目標モータ出力を演算する第２の目標モータ出力演算部と、
を備え、
算出された第２の目標モータ出力に基づき、前記モータ出力を制御し、
前記モータ出力制限部は、前記第１の目標モータ出力を前記第１の出力上限値以下に制限する一方、前記第１の出力上限値を超える前記第２の目標モータ出力の上昇を許容する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the oxidant supply device includes a turbine that drives the compressor independently of the electric motor.
The motor output control unit
A first target motor output calculation unit that calculates a first target motor output that is a target value of the motor output based on a target generated current of the fuel cell;
A target turbine recovery power setting unit that sets a target turbine recovery power that is a target value of the turbine recovery power based on the calculated first target motor output;
A turbine recovery power calculation unit that calculates power actually generated by the turbine as turbine recovery power;
A second target motor output calculation unit for calculating a second target motor output by subtracting the calculated turbine recovery power from the target compressor power corresponding to the target generated current;
With
Based on the calculated second target motor output, the motor output is controlled,
The motor output restriction unit restricts the first target motor output to be equal to or lower than the first output upper limit value, and allows the second target motor output to exceed the first output upper limit value. Fuel cell system.
前記モータ出力制御部は、
前記燃料電池の目標発電電流に応じたタービン回収動力の目標値を目標タービン回収動力として設定する目標タービン回収動力設定部と、
設定された目標タービン回収動力に基づき、前記タービンのガス流入部における燃焼ガス温度を制御するタービン入口温度制御部と、
を備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the oxidant supply device includes a turbine that drives the compressor independently of the electric motor.
The motor output control unit
A target turbine recovery power setting unit that sets a target value of turbine recovery power according to the target power generation current of the fuel cell as target turbine recovery power;
A turbine inlet temperature controller for controlling a combustion gas temperature at a gas inlet of the turbine based on the set target turbine recovery power;
A fuel cell system comprising:
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づき、前記燃料供給装置および前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、
を備え、
前記酸化剤供給装置は、
コンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動可能に構成された電動モータと、
を備え、
前記運転制御装置は、
前記電動モータの出力であるモータ出力を制御するモータ出力制御部と、
システムが定常運転状態にあるかまたは前記燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にあるかを判定する運転状態判定部と、
システムが前記定常運転状態にある定常運転時と前記過渡運転状態にある過渡運転時とのそれぞれにおいて、前記電動モータの出力上限値を設定し、前記過渡運転時では、前記出力上限値を前記定常運転時よりも大きな値に設定するモータ出力制御部と、
を備える、燃料電池システム。 A fuel supply device for supplying fuel to the anode electrode of the fuel cell;
An oxidant supply device for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell;
An operating state detecting means for detecting an operating state of the fuel cell;
An operation control device for controlling the fuel supply device and the oxidant supply device based on the operation state detected by the operation state detection means;
With
The oxidant supply device includes:
A compressor,
An electric motor configured to drive the compressor;
With
The operation control device includes:
A motor output control unit for controlling a motor output which is an output of the electric motor;
An operation state determination unit that determines whether the system is in a steady operation state or a transient operation state that increases the generated power of the fuel cell;
The system sets an output upper limit value of the electric motor in each of the steady operation in the steady operation state and the transient operation in the transient operation state, and the output upper limit value is set to the steady operation in the transient operation. A motor output control unit that is set to a larger value than during operation;
A fuel cell system comprising:
前記タービンに対し、燃料と酸化剤との燃焼により生じた燃焼ガスを供給して、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力を制御し、
前記コンプレッサの目標出力に対する前記タービン回収動力の不足分を、前記電動モータの出力により補完し、
前記電動モータの出力であるモータ出力を予め設定された出力上限値により制限し、
システムが定常運転状態にある定常運転時では、前記出力上限値を低下させる、燃料電池システムの制御方法。 A compressor is driven by a turbine and an electric motor capable of supplying power independently of the turbine, and an oxidant is supplied to the fuel cell through the compressor.
Supplying combustion gas generated by combustion of fuel and oxidant to the turbine to control turbine recovery power that is power generated by the turbine,
The shortage of the turbine recovery power relative to the target output of the compressor is supplemented by the output of the electric motor,
Limiting the motor output that is the output of the electric motor by a preset output upper limit value,
A control method for a fuel cell system, wherein the output upper limit value is reduced during steady operation when the system is in steady operation.
前記タービンに対し、燃料と酸化剤との燃焼により生じた燃焼ガスを供給して、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力を制御し、
前記コンプレッサの目標出力に対する前記タービン回収動力の不足分を、前記電動モータの出力により補完し、
システムが定常運転状態にある定常運転時では、前記電動モータの出力であるモータ出力を第１の出力上限値以下に制限し、
前記燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転時では、前記第１の出力上限値を超える前記モータ出力の上昇を許容する、燃料電池システムの制御方法。 A compressor is driven by a turbine and an electric motor capable of supplying power independently of the turbine, and an oxidant is supplied to the fuel cell through the compressor.
Supplying combustion gas generated by combustion of fuel and oxidant to the turbine to control turbine recovery power that is power generated by the turbine,
The shortage of the turbine recovery power relative to the target output of the compressor is supplemented by the output of the electric motor,
During steady operation in which the system is in steady operation, the motor output, which is the output of the electric motor, is limited to a first output upper limit value or less,
A control method of a fuel cell system, which allows an increase in the motor output exceeding the first output upper limit value during a transient operation in which the generated power of the fuel cell is increased.
前記タービンに対し、燃料と酸化剤との燃焼により生じた燃焼ガスを供給して、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力を制御し、
前記コンプレッサの目標出力に対する前記タービン回収動力の不足分を、前記電動モータの出力により補完し、
システムが前記定常運転状態にある定常運転時と前記過渡運転状態にある過渡運転時とのそれぞれにおいて、前記電動モータの出力上限値を設定し、
前記過渡運転時では、前記出力上限値を前記定常運転時よりも大きな値に設定する、燃料電池システムの制御方法。 A compressor is driven by a turbine and an electric motor capable of supplying power independently of the turbine, and an oxidant is supplied to the fuel cell through the compressor.
Supplying combustion gas generated by combustion of fuel and oxidant to the turbine to control turbine recovery power that is power generated by the turbine,
The shortage of the turbine recovery power relative to the target output of the compressor is supplemented by the output of the electric motor,
In each of a steady operation in which the system is in the steady operation state and a transient operation in the transient operation state, an output upper limit value of the electric motor is set,
A control method for a fuel cell system, wherein, during the transient operation, the output upper limit value is set to a larger value than during the steady operation.
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