JP3882671B2 - Control device and control method for fuel cell system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
本出願人によって日本国特許庁に平成12年12月4日に出願された特願2000−369141号は、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる燃料電池システムとして、負荷回路の負荷が所定変化速度で変動したときに電力貯蔵部及び燃料電池から負荷回路に供給するための余裕負荷電力量を設定し、電力貯蔵部の出力可能電力及び電力貯蔵部に入力して蓄積可能な入力可能電力を演算し、入力可能電力より余裕負荷電力と出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、入力可能電力を電力貯蔵部の充電電力となるように発電を行うと共に、余裕負荷電力から入力可能電力と出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように燃料電池への供給ガスの流量又は圧力を制御する燃料電池システムの制御装置を出願した。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この発明においては、最大加速時等に要求される電力に対して補償する電力値を余裕負荷電力として算出しており、常に最大加速時に要求される電力を補償するように余裕負荷電力を算出した場合には、燃料電池に多大な供給ガス量を供給しなければならない。したがって、コンプレッサやポンプなどの供給ガスを供給する装置の消費電力が増大し、燃料電池システムの電気的な効率が悪化してしまう、という問題がある。また、多大に供給したガスの余剰分をシステムの外に放出する構成とする場合には、ガスとともにガス中に含まれる純水(水蒸気)をシステムの外に放出してしまうので、燃料電池システムが保有する純水量が減少してシステムの水収支が悪化する、という問題がある。
【0004】
このような問題点を鑑み、本発明の課題は、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる燃料電池システムの制御装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、燃料電池と、この燃料電池の発電電力が負荷回路に供給されて駆動する負荷部と、前記燃料電池からの発電電力を貯蔵する電力貯蔵部と、前記負荷回路の負荷が所定速度で変動したときに前記燃料電池及び前記電力貯蔵部から前記負荷回路に供給される余裕負荷電力を演算する手段と、前記余裕負荷電力を燃料電池システムの純水量に応じて補正する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置である。
【0006】
第2の発明は、第1の発明において、前記余裕負荷電力は、前記電力貯蔵部の入出力可能電力と、前記燃料電池の目標発電量に応じて制御されることを特徴とする。
【0010】
第3の発明は、第1の発明において、前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電池システムの純水の量を検出し、前記純水量が減少した場合には前記余裕負荷電力を減少するように補正する手段であることを特徴とする。
【0011】
第4の発明は、第1の発明において、前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電池システムの前記純水量の減少が予想される場合には、前記余裕負荷電力を減少するように補正する手段であることを特徴とする。
【0013】
第5の発明は、第1から4のいずれか一つの発明において、前記余裕負荷電力は、車両の最大加速度時の要求電力に基づき設定する。
【0014】
第6の発明は、燃料電池の発電電力によって駆動される負荷部の負荷が所定速度で変動したときに燃料電池の発電電力を貯蔵する電力貯蔵部及び前記燃料電池から前記負荷部の負荷回路に供給される余裕負荷電力量を設定し、前記余裕負荷電力量を燃料電池システムの純水量に応じて補正することを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【0015】
【発明の効果】
第1または6の発明にあっては、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方を純水で加湿して燃料電池で発電させて、発電電力を負荷回路に供給して負荷を駆動するとともに、前記燃料電池からの発電電力を貯蔵する電力貯蔵部に供給する。前記負荷回路の負荷が所定速度で変動したときに前記電力貯蔵部及び前記燃料電池から前記負荷回路に供給される余裕負荷電力を設定し、前記電力貯蔵部への入力可能電力より、前記余裕負荷電力と前記電力貯蔵部の出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、前記入力可能電力を前記電力貯蔵部の充電電力となるように前記燃料電池の目標発電電力を算出し、前記余裕負荷電力から前記入力可能電力と前記出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように前記燃料電池への供給ガスの流量または圧力を制御する。
【0016】
本発明の燃料電池システムの制御装置においては、前記余裕負荷電力を補正することを特徴とする。
【0017】
これにより、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【0018】
第2の発明にあっては、前記余裕負荷電力が、前記電力貯蔵部の入出力可能電力と、前記燃料電池の目標発電量に応じて制御されるので、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【0022】
第3の発明にあっては、前記燃料電池システムの前記純水の量を検出し、その純水量が減少した場合には前記余裕負荷電力を減少させるように補正するので、前記不足電力に相当する供給ガス量を減少させることができ、システム外に放出される純水量を減少させることができる。これにより、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【0023】
第4の発明にあっては、前記燃料電池システムの前記純水量の減少が予想される場合に、前記余裕負荷電力を減少させるように補正するので、前記不足電力に相当する供給ガス量を減少させることができ、システム外に放出される純水量を減少させることができる。これにより、燃料電池システムの純水量のさらなる減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【0025】
第5の発明にあっては、余裕負荷電力を車両の最大加速度時に要求される電力に基づき設定するので、燃料電池の発電性能を容易に設定できる。
【0026】
【発明の実施の形態】
図1は本発明を適用する燃料電池システムの構成の一例を示したものである。
【0027】
この燃料電池システムの燃料電池スタック1は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック1は、酸化剤極側に酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給されるとともに、燃料極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をして、例えば自動車等の駆動源に供給される。
【0028】
燃料電池スタック1には、燃料タンク2の水素ガスが圧力制御弁3の作用により所定圧力で供給されるとともに、モータ5によって駆動されるコンプレッサ4により酸化剤ガスとしての空気が供給され、電気化学反応を生じ発電する。ここで供給される空気は排空気が排出される排気管に設置された圧力制御弁6によってその圧力が制御される。
【0029】
燃料電池スタック1で発電された電力は、電力貯蔵部としてのバッテリ8と、負荷部としての、例えばモータ9に供給される。モータ9とバッテリ8への電力の供給は、電力制御部7によって制御される。
【0030】
燃料電池システムは制御部10によって運転を制御され、制御部10には、アクセル操作量情報及び車両速度情報が入力され、これらに基づき、車両の目標駆動力と目標発電量とを演算し、これらの目標を達成するように、圧力制御弁3には開度制御信号S1を、コンプレッサ4を駆動するモータ5に駆動力制御信号S2を、圧力制御弁6に開度制御信号S3を、電力制御部7に電力制御信号S4を、さらにモータ9に駆動力制御信号S5を送信する。
【0031】
電力制御部7は、制御部10からの制御信号S4に応じて燃料電池スタック1から電力を取り出し、モータ9とバッテリ8へ供給する。バッテリ8はモータ9で消費される電力量よりも燃料電池スタック1が発電した電力制御部7から供給される電力量が大きい場合には、その差分の燃料電池スタック1からの余剰電力を充電電力として蓄積し、モータ9で消費される電力量よりも電力制御部7から供給される電力量が小さい場合には、バッテリ8はモータ9に不足分だけ電力を補うためにモータ9に電力を供給する。
【0032】
図2は、制御部10の機能的な構成を示すブロック図である。
【0033】
制御部10は、アクセル操作量情報及び車両速度情報が入力される要求負荷演算部21と、バッテリ8の状態を検出する図示しないバッテリセンサからのバッテリ温度情報、及びバッテリ8の充電レベル(以下、SOCと示す。)を示すSOC情報が入力される入出力可能電力演算部22と、モータ9に車両に要求される電力に対して補償する電力値を演算する余裕負荷電力演算部23とを備える。
【0034】
更に、制御部10は、入出力可能電力演算部22及び余裕負荷電力記憶部23からの情報を用いた演算をする目標充電量演算部24と、目標燃料電池(以下、FCと示す。)余裕電力演算部25と、燃料電池システムを構成する各部の消費電力を演算する補機消費電力演算部26と、要求負荷演算部21、目標充電量演算部24及び補機消費電力演算部26からの情報を用いた演算をする目標発電量演算部27と、目標発電量演算部27及び目標FC余裕電力演算部25からの情報を用いた演算をする供給ガス量制御部28とを備える。
【0035】
要求負荷演算部21は、アクセル操作量情報及び車両速度情報に基づいて、モータ9が駆動するために必要な要求負荷電力を演算する。要求負荷演算部21は、演算した要求負荷電力を出力信号S11として目標発電量演算部27に出力する。
【0036】
入出力可能電力演算部22は、バッテリ温度及びSOC情報に基づいて、バッテリ8に蓄積可能な電力値を示す入力可能電力情報、及びバッテリ8からモータ9に出力可能な電力値を示す出力可能電力情報を演算し、これら演算した入力可能電力を出力信号S14及び出力可能電力を出力信号S13としてそれぞれ目標充電量演算部24及び目標FC余裕電力演算部25に出力する。
【0037】
余裕負荷電力演算部23は、モータ9で車両を駆動するために必要な電力に対して補償する電力値を演算し、この余裕負荷電力を出力信号S12として目標充電量演算部24及び目標FC余裕電力演算部25に出力する。
【0038】
目標充電量演算部24は、出力信号S12、S13、S14に基づいて、燃料電池スタック1により発電してバッテリ8に蓄積する目標充電量を演算する。目標充電量演算部24は、入力可能電力の範囲内で、充電電力が余裕負荷電力に近づくように目標充電量を決定して、決定した目標充電電力を出力信号S16として目標発電量演算部27に出力する。
【0039】
目標FC余裕電力演算部25は、出力信号S12、S13、S14に基づいて、燃料電池スタック1から瞬時に取り出してモータ9に供給することができる目標FC余裕電力を演算し、この目標FC余裕電力を出力信号S17として供給ガス量制御部28に出力する。
【0040】
補機消費電力演算部26は、燃料電池システムに備えられた補機が消費する電力量を演算し、この補機消費電力を出力信号S15として目標発電量演算部27に出力する。
【0041】
目標発電量演算部27は、出力信号S15、S16、S11に基づいて、燃料電池スタック1による発電電力の目標となる電力値を演算し、この演算した目標発電電力を出力信号S18として供給ガス量制御部28に出力する。
【0042】
供給ガス量制御部28は、出力信号S17、S18に基づいて、圧力制御弁3、モータ5、圧力制御弁6を制御して、燃料電池スタック1に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力及び流量を制御して、燃料電池スタック1の発電電力を制御する。
【0043】
図3に、モータ9の要求電力の変化に対応する余裕負荷電力の変化を示す。ここで、余裕負荷電力とは、曲線Aがモータ9を駆動するのに必要な電力量及び発電応答性である場合、燃料電池スタック1からは曲線Bに示す電力量及び発電応答性でしか発電できないときに、例えば曲線Cに示すように、バッテリ8からモータ9にモータ9の要求発電量に対する燃料電池スタック1の発電量の不足分を供給することで、燃料電池スタック1の発電量を補償する電力である。言い換えると、モータ9の要求発電量の変化速度が、燃料電池スタック1の発電応答性よりも速い場合に、要求発電量が不足する状態となるが、その不足分をバッテリ8からの供給電力によって賄うことでモータ9の要求電力量を補償するものである。すなわち、余裕負荷電力は、図中の斜線部分を補償するための電力である。補償電力の制御方法については、図6及び7を用いて後述する。尚、余裕負荷電力の具体的な演算方法は後述する。
【0044】
図4に、燃料電池スタック1の出力電力と、燃料電池スタック1に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力値、流量との関係を示す。
【0045】
図4において、燃料電池スタック1から電力を取り出すための最低必要流量、及び最低必要圧力を実線で示す。ここで、制御部10の供給ガス量制御部28は、制御目標流量及び圧力を、目標FC余裕電力だけ増加させた流量値及び圧力値(図中●)とするように各部を制御し、実際に燃料電池スタック1から取り出す電力を目標発電量(図中○)とする。これにより、燃料電池スタック1は、目標発電量と目標FC余裕電力との和の電力が取り出し可能状態となり、モータ9が最大負荷で動作して要求負荷電力の要求が発生したときには瞬時に燃料電池スタック1から目標FC余裕電力分を取り出してモータ9に供給する制御をする。
【0046】
一方、供給ガス量制御部28は、上記目標FC余裕電力を零とする場合には、供給ガスが最低必要流量及び最低必要圧力となるようにモータ5を制御し、コンプレッサ4の駆動量を少なくし、実際に燃料電池スタック1から取り出す電力を目標発電量とする。換言すれば、供給ガス量制御部28は、図中○で示す出力電力を得るときには図中○から上方に延びる点線と各特性とが交差する点(X1、X2)を制御目標流量及び圧力とする。
【0047】
図5に、SOCに対する出力可能電力及び入力可能電力の変化を示す。入力可能電力及び出力可能電力は、温度によっても変化し、図5では常温と低温での各特性を示す。
【0048】
次に図6に、制御部10による電力制御処理の処理手順を示すフローチャートを示す。
【0049】
制御部10は、モータ9を駆動するに際して、先ずステップ1において、図示しないバッテリセンサからのセンサ信号により検出されるバッテリ8の温度を制御部10を構成する入出力可能電力演算部22により検出すると、次のステップ2に進む。続くステップ2において、バッテリ8の電流値及び電圧値に基づいてSOCを入出力可能電力演算部22に入力する。
【0050】
次に、ステップ3において、入出力可能電力演算部22は、ステップ1及びステップ2で得たバッテリ温度及びSOCに応じて、入力可能電力及び出力可能電力を演算する。ここで、入出力可能電力演算部22は、図5に示したようなSOCに対する入力可能電力及び出力可能電力の特性と、バッテリ温度及びSOCを基に入力可能電力及び出力可能電力を得る。
【0051】
次に、ステップ4において、余裕負荷電力演算部23が余裕負荷電力の演算を行なう。余裕負荷電力の演算方法は図8を用いて詳述する。
【0052】
次のステップ5において、要求負荷演算部21には、アクセル操作量情報及び車両速度情報が入力され、次のステップ6において要求負荷演算部21は、アクセル操作量情報及び車両速度情報に基づいてモータ9が要求する要求負荷電力を演算する。ステップ7において、補機消費電力演算部26は、補機消費電力を演算する。次のステップ8において、目標充電量演算部24は、余裕負荷電力記憶部23に格納された余裕負荷電力がステップ3で得た出力可能電力よりも小さいか否かの判定をする。目標充電量演算部24は、余裕負荷電力が出力可能電力以下のときにはステップ9に処理を進め、大きいときには後述のステップ11に処理を進める。
【0053】
目標充電量演算部24は、余裕負荷電力が出力可能電力以下のときには、図7(a)に示すように余裕負荷電力を出力可能電力で賄え、新たな充電を要さずに余裕負荷電力を確保することができると認識して、目標充電量を零にした目標充電電力の出力信号S16を目標発電量演算部27に出力して、ステップ9に処理を進める。
【0054】
ステップ9において目標発電量演算部27は、目標発電量をステップ6で得た要求負荷電力として、目標発電電力の出力信号S18を供給ガス量制御部28に出力して処理をステップ10に進める。
【0055】
次のステップ10において、供給ガス量制御部28は、目標発電量演算部27からの目標発電電力の出力信号S18に基づいて各部を制御する制御信号を出力して目標発電量となるように燃料ガス、酸化剤ガスの流量及び圧力とする。
【0056】
一方、目標充電量演算部24は、ステップ8で余裕負荷電力が出力可能電力よりも大きいと判定した場合に、ステップ11において、余裕負荷電力に対する出力可能電圧の不足分を演算する。このとき、目標充電量演算部24は、余裕負荷電力から出力可能電力を減算することで不足分を認識する。
【0057】
次に、目標充電量演算部24は、ステップ12において、ステップ11で演算された不足分が、入力可能電力より小さいか否かの判定をする。不足分が入力可能電力以下と判定したときにはステップ13に処理を進め、不足分が入力可能電力より大きいと判定したときには後述のステップ15に進める。
【0058】
ステップ13において、目標充電量演算部24は、入力可能電力分を充電することで不足分を賄えるような図7(b)に示す関係にあると認識し、目標充電量をそのままステップ11で演算された不足分とする。
【0059】
次のステップ14において、目標発電量演算部27は、ステップ6で得た要求負荷電力を要求負荷演算部21から入力するとともに、ステップ13で得た目標充電量を目標充電量演算部24から入力して、要求負荷電力と目標充電量とを加算した電力量を目標発電量としてステップ10に処理を進める。
【0060】
次に、ステップ12で不足分が入力可能電力よりも大きいと判定されたステップ15において、目標充電量演算部24は、不足分が入力可能電力で賄えないような図7(c)に示す関係にあると認識し、入力可能電力を目標充電量とする。
【0061】
次のステップ16において、目標発電量演算部27は、要求負荷演算部21からの要求負荷電力と目標充電量とを加算して目標発電量を得る。ここで、目標発電量演算部27は、目標発電量に、前述のステップ7で得た補機消費電力も含めた値を目標発電量とする。
【0062】
次のステップ17において、目標FC余裕電力演算部25は、ステップ11で得た不足分から入力可能電力を減算することで目標FC余裕電力を得て、ステップ10に処理を進める。次のステップ10において、供給ガス量制御部28は、目標発電電力情報S18に基づいて各部を制御する制御信号を出力して前述の図4のように目標発電量、目標FC余裕電力となるように燃料ガス、酸化剤ガスの流量及び圧力とする。
【0063】
次に、本発明の特徴的な部分であるステップ4における余裕負荷電力演算部(余裕負荷電力補正手段)23が行う余裕負荷電力の演算方法について図8を用いて説明する。図8は余裕負荷電力の演算順序を説明するフローチャートである。
【0064】
まず、ステップ101において余裕負荷電力の基準値M0を算出する。この基準値は車両の最大加速時に要求される電力を想定して予め設定した図9に示すようなマップデータに基づいて算出される。次に、ステップ102において余裕負荷電力の減少係数kmを算出する。これは、図10〜図14に示した方法により計算されるが、それぞれの説明は後述する。そして、ステップ103において、基準値M0に減少係数kmを乗算、基準値M0を補正して余裕負荷電力Mの算出を行なう。
【0065】
図10は、請求項1〜請求項5に記載の発明に対応する、余裕負荷電力Mの減少係数kmを算出する、つまり余裕負荷電力の基準値M0を補正する係数を算出するための図である。燃料電池の動特性のひとつである発電応答性は、例えば、発電の応答時定数などであらわすことができるが、この発電時定数は燃料電池の運転状態、例えば、酸化剤ガス及び燃料ガスの流量や圧力によって変化する。そこで、この流量や圧力に応じて燃料電池の発電時定数を予め実験的に計測しておき、発電時定数が小さい条件では余裕負荷電力Mを減少させるように減少係数kmを小さく設定することにより、図10に示したようなマップデータを作成することができる。このマップデータによって、供給ガスの流量及び圧力に応じて減少係数kmを算出すればよい。
【0066】
これにより、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【0067】
図11は、請求項1及び請求項6に記載の発明に対応する、余裕負荷電力の減少係数kmを算出する方法を示した図である。燃料電池システムの純水量が所定の基準値に対して減少した場合に、余裕負荷電力を減少させるように、図11に示したような減少係数kmとなるようにテーブルデータを予め設定しておく。そして、例えば純水タンク内の純水量を検出し、検出した純水量に基づいてこのテーブルデータを用いて減少係数kmを算出すればよい。
【0068】
燃料電池システムの純水の量を検出し、その純水量が減少した場合には余裕負荷電力を減少させるので、不足電力に相当する供給ガス量を減少させることができ、システム外に放出される純水量を減少させることができる。したがって、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【0069】
図12は、請求項1及び請求項7に記載の発明に対応する、余裕負荷電力の減少係数kmを算出する実施形態を示した図である。外気を酸化剤として利用した燃料電池システムでは、外気中に含まれる水蒸気量が少ない場合に、燃料電池システムの純水量が減少することが予想される。
【0070】
そこで、図12に示すように、外気温度と外気湿度に応じて水蒸気量が少ない条件ほど余裕負荷電力を減少させるようなマップデータを予め設定しておき、外気温度と外気湿度を検出して、検出した外気温度と外気湿度に基づいてそのマップデータによって余裕負荷電力の減少係数kmを算出すればよい。
【0071】
図13は、請求項1及び請求項7に記載の発明に対応する、余裕負荷電力の減少係数kmを算出する他の実施形態を示した図である。燃料電池システムでは、運転圧力、すなわち、酸化剤ガスと燃料ガスの圧力によって純水の消費量が異なる場合がある。
【0072】
そこで、運転圧力による純水消費量を予め実験的に計測しておき、純水の消費量が増大するような条件では余裕負荷電力を減少させる。例えば図13に示すようなテーブルデータによって、燃料電池の運転圧力に基づいて余裕負荷電力の減少係数kmを算出すればよい。
【0073】
燃料電池システムの純水量の減少が予想される場合に、余裕負荷電力を減少させるので、不足電力に相当する供給ガス量を減少させることができ、システム外に放出される純水量を減少させることができる。これにより、燃料電池システムの純水量のさらなる減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【0074】
図14は、請求項1及び請求項8に記載の発明に対応する、余裕負荷電力の演算を説明する他のフローチャートである。
【0075】
まず、ステップ201において、前回の演算における要求負荷に対する現在の要求負荷の変化量が所定値以上であるかどうかを判定する。つまり、要求負荷が急変したかどうかを判定する。要求負荷が急変していないと判定された場合はステップ202に進む。ステップ202では要求負荷の平均値の演算を行い、現在の要求負荷に基づいて要求負荷の平均値の更新を行なう。そして、ステップ203において、余裕負荷電力の演算を行なうが、ここでの演算は、ステップ101の演算と同様に、車両の最大加速時に要求される電力を想定して予め設定した図9に示すようなマップデータに基づいて算出される。
【0076】
一方、ステップ201において要求負荷が急変したと判定された場合には、ステップ204に進み、要求負荷が減少したかどうかを判定する。要求負荷が増加したと判定された場合はステップ203に進み、要求負荷が減少したと判定された場合はステップ205に進む。ステップ205では、余裕負荷電力の演算を行なう。ここでは、要求負荷の平均値から現在の要求負荷を減算することによって、余裕負荷電力の演算を行なう。
【0077】
このような処理をする制御部10によれば、図7(b)に示すように余裕負荷電力より出力可能電力が小さい場合に、不足電力分より入力可能電力が大きいときには、目標充電量で不足分を補うように目標発電量を設定することで、いつでも余裕負荷電力を取りだせる状態にしておくことができる。
【0078】
例えば図15(a)に示すようにモータ9の要求負荷が変化する前の期間T1では要求負荷に対して燃料電池スタック1の発電出力が上回り、図15(b)に示すようにバッテリ8に充電が行われている。このときの目標充電電力と、出力可能電力との和が余裕負荷電力となる。なお、燃料電池出力(Net)と燃料電池出力(Gross)との差は補機で消費されている電力である。
【0079】
ここで、図15(a)のように次の期間T2で要求負荷が大きく変動し、燃料電池スタック1からの電力出力の変化が、要求負荷の変化速度に対して遅れ、要求負荷が燃料電池スタック1からの電力出力とバッテリ8の出力可能電力の合計値を上回るような場合でも、余裕負荷電力を常に確保するように目標充電量を設定しているので、この目標充電量分の電力を供給することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、急激にモータ9の負荷が変動したときでも、余裕負荷電力をモータ9に供給でき、要求負荷の変動に電力供給を追従させることができる。
【0080】
また、この燃料電池システムでは、バッテリ8からモータ9に供給する電力を出力可能電力以内に押さえることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、バッテリ8の劣化の進みを抑制することができる。
【0081】
更に、負荷変化の終了後の期間T3において、燃料電池システムは、引き続きバッテリ8に充電を行うことで、余裕負荷電力を出力可能電力で賄えるようなSOCとすることができる。したがって、燃料電池システムによれば、モータ9の要求負荷が変動していないときには、バッテリ8に充電を行って、余裕負荷電力を供給可能な状態とすることができる。
【0082】
また、このような処理をする制御部10によれば、図7(c)に示すように余裕負荷電力より出力可能電力が小さい場合に、不足分より入力可能電力が小さいときであっても、目標FC余裕電力を設定して余裕負荷電力を確保することができる。
【0083】
例えば図16(a)に示すように、モータ9の負荷が変化する前の期間T1は要求負荷に対して燃料電池出力(Net)が上回り、図16(b)に示すようにバッテリ8に入力可能電力以下での充電が行われている。
【0084】
ここで、期間T1においてはバッテリ8の入力可能電力が小さいため、この期間T1の充電電力と出力可能電力の和だけでは余裕負荷電力をまかないきれないとする。これに対し、燃料電池システムでは、ステップ17で目標FC余裕電力が設定され、常に余分な電力出力が可能な状態とする。そして、モータ9の要求負荷が大きくなると、燃料電池スタック1から、既に取り出していた電力と、目標FC余裕電力を取り出すとともに、バッテリ8の充電電力をモータ9に供給する。
【0085】
負荷回路の負荷が概ね一定値であるときに負荷が急減した場合には、余裕負荷電力と現在の負荷の和が、負荷が急減する以前の負荷の平均的な値となるように、前記余裕負荷電力を演算する。よって、負荷の急減によって余裕負荷電力が増大して供給ガス量を無駄に増大させることを防止することができ、かつ、急減以前の要求負荷に即時に対応することができる。したがって、負荷の運転性を確保したまま、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【0086】
以上説明したように本発明では、燃料電池システムの余裕負荷電力をシステムの運転状態に応じて補正することにより、目標FC余裕電力を瞬時に取り出すことができ、負荷に対して燃料電池スタック1の出力が不足する期間及び量を小さくすることができ、要求負荷の変化に応答して電力を供給することができる。
【0087】
また、システムの電気的な効率及び純水の減少を防止を図るように余裕負荷電力が補正される。つまり、燃料電池の動特性を代表する発電応答性が速い場合、或いは、純水量の減少が検出された場合、或いは、純水量の減少が予想された場合には、余裕負荷電力が減少するように余裕負荷電力が補正される。これにより、目標FC余裕電力が減少するので、酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給するために必要な電力を減少させることができ、また、目標FC余裕電力に相当する供給ガスとともに純水をシステム外に放出してしまうことを防止できる。
【0088】
また、要求負荷が概ね一定値であるときに要求負荷が急減した場合には、余裕負荷電力と現在の負荷の和が、要求負荷が急減する以前の要求負荷の平均値となるように、余裕負荷電力が演算される。よって、要求負荷の急減によって余裕負荷電力が増大し、目標FC余裕電力の増大することを防止することができる。これにより、酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給するために必要な電力を減少させることができ、また、目標FC余裕電力に相当する供給ガスとともに純水をシステム外に放出してしまうことを防止できる。
【0089】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図2】本発明を適用した燃料電池システムに備えられる制御部の機能的な構成を示すブロック図である。
【図3】負荷部が要求する電力と余裕負荷電力との関係を示す図である。
【図4】燃料電池スタックの出力電力と、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力値、流量との関係を示す図である。
【図5】SOCと出力可能電力及び入力可能電力との関係を示す図である。
【図6】制御部による電力制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図7】(a)は負荷部が要求する負荷と余裕負荷電力に対する目標発電量及び出力可能電力との関係を示し、
(b)は負荷部が要求する負荷と余裕負荷電力に対する目標発電量、出力可能電力及び不足分の関係を示し、
(c)は負荷部が要求する負荷と余裕負荷電力に対する目標発電量、出力可能電力、目標FC余裕電力、及び不足分の関係を示す図である。
【図8】余裕負荷電力の算出方法を示すフローチャートである。
【図9】最大加速時に要求される電力を想定して設定した余裕負荷電力を示す図である。
【図10】供給ガスの流量と圧力に応じて余裕負荷電力を減少させる係数の算出を説明する図である。
【図11】純水量に応じて余裕負荷電力を減少させる係数の算出を説明する図である。
【図12】外気温度と外気湿度に応じて余裕負荷電力を減少させる係数の算出を説明する図である。
【図13】燃料電池の運転圧力に応じて余裕負荷電力を減少させる係数の算出を説明する図である。
【図14】余裕負荷電力の算出方法を示すフローチャートである
【図15】(a)は燃料電池スタックの出力と負荷部で要求される負荷との関係を示し、
(b)は電力貯蔵部の出力可能電圧及び入力可能電圧の変化を示す図である。
【図16】(a)は燃料電池スタックの出力と負荷部で要求される負荷との関係を示し、
(b)は電力貯蔵部の出力可能電圧及び入力可能電圧の変化を示す他の図である。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
2 燃料タンク
3 圧力制御弁
4 コンプレッサ
5 モータ
6 流量制御弁
7 電力制御器
8 バッテリ
9 モータ
10 制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Application No. 2000-369141 filed on December 4, 2000 by the applicant of the present application with the Japan Patent Office is a fuel cell capable of always realizing sufficient power supply for a load whose power used varies. As a system, when the load of the load circuit fluctuates at a predetermined rate of change, the power storage unit and the surplus load power amount to be supplied from the fuel cell to the load circuit are set, and the output power of the power storage unit and the power storage unit are set. When the input possible power that can be stored by input is calculated and the power difference between the marginal load power and the output possible power is larger than the input possible power, power generation is performed so that the input possible power becomes the charging power of the power storage unit. And a fuel cell system that controls the flow rate or pressure of the gas supplied to the fuel cell so that the insufficient power obtained by subtracting the input power and output power from the surplus load power can always be generated. The controller filed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the present invention, the power value to be compensated for the power required at the time of maximum acceleration is calculated as the surplus load power, and the surplus load power is always set to compensate for the power required at the time of maximum acceleration. When calculated, a great amount of supply gas must be supplied to the fuel cell. Therefore, there is a problem that the power consumption of a device that supplies a supply gas such as a compressor or a pump increases, and the electrical efficiency of the fuel cell system deteriorates. Further, in the case where the excessive amount of the supplied gas is discharged to the outside of the system, the pure water (water vapor) contained in the gas is discharged to the outside of the system together with the gas, so that the fuel cell system There is a problem that the water balance of the system deteriorates due to a decrease in the amount of pure water that is held by the system.
[0004]
In view of such problems, an object of the present invention is to reduce the amount of pure water in the fuel cell system without deteriorating the electrical efficiency of the fuel cell system and to a load in which the power used varies. Another object of the present invention is to provide a control device for a fuel cell system that can always provide sufficient power supply.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell, a load unit that is driven by power generated by the fuel cell being supplied to a load circuit, a power storage unit that stores the generated power from the fuel cell, and a load of the load circuit. Means for calculating a surplus load power supplied from the fuel cell and the power storage unit to the load circuit when fluctuating at a predetermined speed; Pure water content of fuel cell system According to the present invention, there is provided a control device for a fuel cell system comprising means for correcting according to the above.
[0006]
A second invention is characterized in that, in the first invention, the marginal load power is controlled according to input / output possible power of the power storage unit and a target power generation amount of the fuel cell.
[0010]
Third invention In the first invention, the marginal load power correction means detects the amount of pure water in the fuel cell system and corrects the marginal load power to decrease when the amount of pure water decreases. It is characterized by being.
[0011]
4th invention In the first invention, the marginal load power correction means is a means for correcting the marginal load power so as to decrease when a decrease in the pure water amount of the fuel cell system is expected. Features.
[0013]
5th invention Is 1st to 4th In any one of the inventions, the marginal load power is set based on the required power at the maximum acceleration of the vehicle.
[0014]
6th invention Is a power storage unit that stores the generated power of the fuel cell when the load of the load unit driven by the generated power of the fuel cell fluctuates at a predetermined speed, and the fuel cell Load circuit of the load section Set the surplus load power supplied to the Depending on the amount of pure water in the fuel cell system A control method of a fuel cell system, wherein correction is performed.
[0015]
【The invention's effect】
First or 6 In this invention, at least one of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell is humidified with pure water and generated by the fuel cell, and the generated power is supplied to the load circuit to drive the load. , And supplies the generated power from the fuel cell to the power storage unit. When the load of the load circuit fluctuates at a predetermined speed, the margin load power supplied from the power storage unit and the fuel cell to the load circuit is set, and the margin load is determined based on the input power to the power storage unit. When the power difference between the power and the outputable power of the power storage unit becomes large, the target generated power of the fuel cell is calculated so that the inputable power becomes the charging power of the power storage unit, and the margin load The flow rate or pressure of the supply gas to the fuel cell is controlled so that the insufficient power obtained by subtracting the input possible power and the output possible power from the power can always be generated.
[0016]
In the control apparatus for a fuel cell system according to the present invention, the marginal load power is corrected.
[0017]
As a result, sufficient power supply can always be realized for loads with varying power consumption without deteriorating the electrical efficiency of the fuel cell system and without reducing the amount of pure water in the fuel cell system. Can do.
[0018]
In the second invention, the marginal load power is controlled according to the input / output possible power of the power storage unit and the target power generation amount of the fuel cell. Sufficient power supply can always be realized.
[0022]
Third invention Then, the amount of the pure water of the fuel cell system is detected, and when the amount of pure water decreases, correction is made to decrease the marginal load power, so the amount of supply gas corresponding to the insufficient power And the amount of pure water discharged outside the system can be reduced. As a result, sufficient power supply can always be realized for a load whose power consumption varies without reducing the amount of pure water in the fuel cell system.
[0023]
4th invention In this case, when the decrease in the amount of pure water in the fuel cell system is expected, correction is made so as to decrease the surplus load power, so that the amount of supply gas corresponding to the insufficient power can be decreased. The amount of pure water released outside the system can be reduced. Thereby, sufficient power supply can always be realized with respect to the load in which the used power fluctuates without further reducing the amount of pure water in the fuel cell system.
[0025]
5th invention In this case, since the surplus load power is set based on the power required at the maximum acceleration of the vehicle, the power generation performance of the fuel cell can be easily set.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an example of the configuration of a fuel cell system to which the present invention is applied.
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
The electric power generated by the
[0030]
The operation of the fuel cell system is controlled by the
[0031]
The electric
[0032]
FIG. 2 is a block diagram illustrating a functional configuration of the
[0033]
The
[0034]
Furthermore, the
[0035]
The required
[0036]
The input / output possible
[0037]
The surplus load
[0038]
The target charge
[0039]
Based on the output signals S12, S13, and S14, the target FC
[0040]
The auxiliary machine power
[0041]
Based on the output signals S15, S16, and S11, the target power generation
[0042]
The supply gas
[0043]
FIG. 3 shows a change in the marginal load power corresponding to the change in the required power of the
[0044]
FIG. 4 shows the relationship between the output power of the
[0045]
In FIG. 4, the minimum required flow rate and the minimum required pressure for extracting electric power from the
[0046]
On the other hand, when the target FC margin power is set to zero, the supply gas
[0047]
FIG. 5 shows changes in output power and input power with respect to the SOC. The power that can be input and the power that can be output also vary depending on the temperature. FIG. 5 shows the characteristics at normal temperature and low temperature.
[0048]
Next, FIG. 6 shows a flowchart showing a processing procedure of power control processing by the
[0049]
When driving the
[0050]
Next, in step 3, the input / output possible
[0051]
Next, in
[0052]
In the
[0053]
When the surplus load power is equal to or less than the output possible power, the target charge
[0054]
In
[0055]
In the
[0056]
On the other hand, when it is determined in
[0057]
Next, in
[0058]
In
[0059]
In the
[0060]
Next, in step 15 in which it is determined in
[0061]
In the
[0062]
In the
[0063]
Next, a margin load power calculation method performed by the margin load power calculation unit (margin load power correction means) 23 in
[0064]
First, in step 101, a reference value M0 for surplus load power is calculated. This reference value is calculated based on map data as shown in FIG. 9 set in advance assuming the electric power required during the maximum acceleration of the vehicle. Next, at step 102, a reduction coefficient km of the surplus load power is calculated. This is calculated by the method shown in FIGS. 10 to 14, and each description will be described later. In step 103, the marginal load power M is calculated by multiplying the reference value M0 by the reduction coefficient km and correcting the reference value M0.
[0065]
FIG. 10 is a diagram for calculating the reduction coefficient km of the surplus load power M, that is, the coefficient for correcting the reference value M0 of the surplus load power, corresponding to the inventions of
[0066]
As a result, sufficient power supply can always be realized for loads with varying power consumption without deteriorating the electrical efficiency of the fuel cell system and without reducing the amount of pure water in the fuel cell system. Can do.
[0067]
FIG. 11 is a diagram showing a method for calculating the reduction coefficient km of the marginal load power corresponding to the inventions of
[0068]
When the amount of pure water in the fuel cell system is detected and the amount of pure water decreases, the surplus load power is reduced, so that the amount of supply gas corresponding to insufficient power can be reduced and released outside the system. The amount of pure water can be reduced. Therefore, it is possible to always realize sufficient power supply for a load whose power consumption fluctuates without deteriorating the electrical efficiency of the fuel cell system and without reducing the amount of pure water in the fuel cell system. it can.
[0069]
FIG. 12 is a diagram showing an embodiment for calculating a reduction coefficient km of marginal load power corresponding to the inventions of
[0070]
Therefore, as shown in FIG. 12, map data is set in advance so as to reduce the surplus load power as the amount of water vapor decreases according to the outside air temperature and the outside air humidity, and the outside air temperature and the outside air humidity are detected, The reduction coefficient km of the surplus load power may be calculated from the map data based on the detected outside air temperature and outside air humidity.
[0071]
FIG. 13 is a diagram showing another embodiment for calculating the reduction coefficient km of the marginal load power corresponding to the inventions of
[0072]
Therefore, pure water consumption due to operating pressure is experimentally measured in advance, and the marginal load power is reduced under conditions where the consumption of pure water increases. For example, the reduction coefficient km of the surplus load power may be calculated based on the table data as shown in FIG. 13 based on the operating pressure of the fuel cell.
[0073]
When the decrease in the amount of pure water in the fuel cell system is expected, the surplus load power is reduced, so that the amount of supply gas corresponding to insufficient power can be reduced, and the amount of pure water released outside the system is reduced. Can do. Thereby, sufficient power supply can always be realized with respect to the load in which the used power fluctuates without further reducing the amount of pure water in the fuel cell system.
[0074]
FIG. 14 is another flowchart for explaining the calculation of the surplus load power, corresponding to the first and eighth aspects of the invention.
[0075]
First, in step 201, it is determined whether or not the change amount of the current required load with respect to the required load in the previous calculation is greater than or equal to a predetermined value. That is, it is determined whether the required load has changed suddenly. If it is determined that the required load has not changed suddenly, the routine proceeds to step 202. In step 202, the average value of the required load is calculated, and the average value of the required load is updated based on the current required load. Then, in step 203, the surplus load power is calculated. As in the calculation in step 101, the calculation here is as shown in FIG. 9 set in advance assuming the power required at the maximum acceleration of the vehicle. It is calculated based on simple map data.
[0076]
On the other hand, if it is determined in step 201 that the required load has suddenly changed, the process proceeds to step 204 to determine whether the required load has decreased. If it is determined that the required load has increased, the process proceeds to step 203. If it is determined that the required load has decreased, the process proceeds to step 205. In step 205, the surplus load power is calculated. Here, the surplus load power is calculated by subtracting the current required load from the average value of the required loads.
[0077]
According to the
[0078]
For example, as shown in FIG. 15 (a), in the period T1 before the required load of the
[0079]
Here, as shown in FIG. 15A, the required load fluctuates greatly in the next period T2, the change in the power output from the
[0080]
Further, in this fuel cell system, the power supplied from the
[0081]
Furthermore, in the period T3 after the end of the load change, the fuel cell system can continue to charge the
[0082]
Moreover, according to the
[0083]
For example, as shown in FIG. 16A, the fuel cell output (Net) exceeds the required load during the period T1 before the load of the
[0084]
Here, since the input possible power of the
[0085]
If the load suddenly decreases when the load on the load circuit is approximately constant, the marginal power is calculated so that the sum of the marginal load power and the current load becomes the average value of the load before the load suddenly decreases. Calculate the load power. Therefore, it is possible to prevent the surplus load power from being increased due to the sudden decrease in the load and to increase the supply gas amount unnecessarily, and it is possible to immediately cope with the required load before the sudden decrease. Therefore, while ensuring the operability of the load, without deteriorating the electrical efficiency of the fuel cell system, and without reducing the amount of pure water in the fuel cell system, it is always applied to a load whose power consumption varies. Sufficient power supply can be realized.
[0086]
As described above, in the present invention, by correcting the surplus load power of the fuel cell system according to the operating state of the system, the target FC surplus power can be instantaneously extracted, and the
[0087]
Further, the marginal load power is corrected so as to prevent the electrical efficiency of the system and the reduction of pure water. In other words, if the power generation response representing the dynamic characteristics of the fuel cell is fast, if a decrease in the amount of pure water is detected, or if a decrease in the amount of pure water is expected, the marginal load power will decrease. The surplus load power is corrected. As a result, the target FC surplus power is reduced, so that the power required to supply the oxidant gas or fuel gas can be reduced, and the pure water is removed from the system together with the supply gas corresponding to the target FC surplus power. Can be prevented from being released.
[0088]
In addition, if the required load is suddenly reduced when the required load is almost constant, the margin is set so that the sum of the marginal load power and the current load is the average value of the required load before the required load is suddenly reduced. Load power is calculated. Therefore, it is possible to prevent the surplus load power from increasing due to the sudden decrease in the required load and the target FC surplus power from increasing. As a result, the power required to supply the oxidant gas or the fuel gas can be reduced, and it is possible to prevent pure water from being discharged outside the system together with the supply gas corresponding to the target FC margin power. .
[0089]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is obvious that various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a block diagram showing a functional configuration of a control unit provided in a fuel cell system to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between power required by a load unit and marginal load power.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the output power of the fuel cell stack and the pressure values and flow rates of fuel gas and oxidant gas.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between SOC, outputable power, and inputable power.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a processing procedure of power control processing by a control unit.
FIG. 7 (a) shows the relationship between the load required by the load unit and the target power generation amount and output possible power with respect to the surplus load power;
(B) shows the relationship between the load required by the load unit and the target power generation amount, the output possible power and the shortage with respect to the surplus load power,
(C) is a figure which shows the relationship between the load which a load part requests | requires, and the target electric power generation amount with respect to margin load electric power, output possible electric power, target FC margin electric power, and a shortage.
FIG. 8 is a flowchart showing a method for calculating marginal load power.
FIG. 9 is a diagram showing marginal load power set on the assumption of power required during maximum acceleration.
FIG. 10 is a diagram for explaining calculation of a coefficient for reducing the surplus load power according to the flow rate and pressure of the supply gas.
FIG. 11 is a diagram for explaining calculation of a coefficient for reducing the surplus load power according to the amount of pure water.
FIG. 12 is a diagram for explaining calculation of a coefficient for reducing the surplus load power in accordance with the outside air temperature and the outside air humidity.
FIG. 13 is a diagram illustrating calculation of a coefficient for reducing the surplus load power according to the operating pressure of the fuel cell.
FIG. 14 is a flowchart showing a method for calculating marginal load power.
FIG. 15 (a) shows the relationship between the output of the fuel cell stack and the load required by the load section;
(B) is a figure which shows the change of the output possible voltage of an electric power storage part, and an input possible voltage.
FIG. 16 (a) shows the relationship between the output of the fuel cell stack and the load required by the load section;
(B) is another figure which shows the change of the output possible voltage of an electric power storage part, and an input possible voltage.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
2 Fuel tank
3 Pressure control valve
4 Compressor
5 Motor
6 Flow control valve
7 Power controller
8 battery
9 Motor
10 Control unit
Claims (6)
この燃料電池の発電電力が負荷回路に供給されて駆動する負荷部と、
前記燃料電池からの発電電力を貯蔵する電力貯蔵部と、
前記負荷回路の負荷が所定速度で変動したときに前記燃料電池及び前記電力貯蔵部から前記負荷回路に供給される余裕負荷電力を演算する手段と、
前記余裕負荷電力を燃料電池システムの純水量に応じて補正する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。A fuel cell;
A load unit that is driven by the power generated by the fuel cell being supplied to the load circuit;
A power storage unit for storing power generated from the fuel cell;
Means for calculating a surplus load power supplied from the fuel cell and the power storage unit to the load circuit when the load of the load circuit fluctuates at a predetermined speed;
A control device for a fuel cell system, comprising means for correcting the marginal load power according to the amount of pure water of the fuel cell system.
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