JP4139191B2 - Fuel cell stack control device - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックの制御装置に関し、特に、燃料電池スタックから出力される発電電流を制限するようにした燃料電池スタックの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜(電解質)・電極構造体を、セパレータによって挟んで保持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータからなるセルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【0003】
燃料電池スタックにおいて、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
上記の燃料電池スタックでは、セパレータの面内に、アノード電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路(反応ガス流路)と、カソード電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路(反応ガス流路)とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面に沿って設けられ、燃料電池装置とされている。
【0005】
このような燃料電池装置では、カソード電極に圧縮昇温された空気を供給するコンプレッサと、この圧縮昇温空気の圧力を信号圧として、この信号圧に応じた流量の燃料ガス水素をアノード電極に供給する圧力制御弁とを備え、カソード電極側の空気圧力に対してアノード側の燃料ガス圧力を所定圧に設定して発電効率を確保するとともに、空気および燃料ガスの流量を制御することで所望の発電電流が得られるように設定されている。
【0006】
すなわち、このような構成の燃料電池装置では、負荷の変化に応じてアノード電極に供給される燃料ガスの量を変化させ、同時にカソード電極に供給される空気の量もコンプレッサの回転数を制御することで変化させる。
【0007】
ところで、燃料電池装置が高地で使用されるときに、平地での使用と同じようにコンプレッサの回転数を制御したのでは、空気の密度が高地では平地より低いことを原因として、燃料電池スタックに供給される酸素量が不足する事態が発生して未反応水素量が増加し、結果として発電電流が不足する等、燃料電池装置の安定性および発電効率が低下することが指摘されている(特許文献1参照)。
【0008】
この問題を解決するため、特許文献1に係る技術では、大気圧(Pa[kPa])と大気の温度、すなわち気温(Ta[K])を測定し、Nsを、1気圧(101.325[kPa])、0[℃](273.15[K])の標準条件におけるコンプレッサの回転数とするとき、実際のコンプレッサの回転数Nを、下記(1)式で求める。
N=Ns×(101.325/Pa)×(Ta÷273.15) …(1)
【0009】
そして、この回転数Nでコンプレッサを動作させることで、大気圧Paが低くなった場合あるいは気温Taが高くなった場合にはコンプレッサの回転数を比例的に高くするようにしている。
【0010】
【特許文献1】
特開2000−48838号公報(段落[0009],[0023]、図2)
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記特許文献1に係る技術では、大気圧Paが低くなってくるとあるいは気温Taが高くなってくると、上記(1)式で求めたコンプレッサの回転数Nが許容回転数を超える事態が発生する。このため、コンプレッサの出口側で圧縮昇温された空気の温度が出口側許容温度を超えるおそれがある。
【0012】
このように、コンプレッサの回転数Nが許容回転数を超えた場合、あるいはコンプレッサの出口側の圧縮昇温空気の温度が出口側許容温度を超えた場合には、燃料電池装置自体が故障に至る可能性が大きい。
【0013】
図8は、この出願の発明者が作成した、コンプレッサの出口側圧力Pcが一定値(換言すれば、発電電流が一定値)の条件下での大気圧Pa[kPa]と気温Ta[℃]とコンプレッサの出口側温度Tc[℃]との関係の一例を示した図であり、大気圧Paが低くなるほど、気温Taが高くなるほど出口側温度Tcが上昇することが理解される。すなわち、出口側圧力Pcが一定値であるとき、大気圧Paが低く気温Taが高い領域では、コンプレッサの出口側温度Tcが出口側許容温度Tcmaxを超えることが分かる。
【0014】
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、大気圧の変化および気温の変化に拘わらず燃料電池装置を安定に動作させることを可能とする燃料電池スタックの制御装置を提供することを目的とする。
【0015】
また、この発明は、大気圧の変化および気温の変化に拘わらず燃料電池装置を構成するコンプレッサの回転数を許容回転数以下にすること、およびコンプレッサの出口側温度を出口側許容温度以下にすることを可能とする燃料電池スタックの制御装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
【0017】
この発明の燃料電池スタックの制御装置は、アノード電極に燃料ガスが供給されカソード電極に大気から取り込んだ空気が供給される燃料電池スタック(12)の制御装置(20)において、以下の特徴を有する。
【0018】
(1)前記カソード電極に、大気から取り込んだ空気を供給するコンプレッサ(24)と、前記大気の圧力を検出する圧力センサ(44)と、前記大気の温度を検出する温度センサ(46)と、前記燃料電池スタックから負荷(16)へ供給される発電電流(I)を、前記圧力センサにより検出された大気圧(Pa)および前記温度センサにより検出された気温(Ta)に応じて制御する発電電流制御器(22,30)とを備える。
【0019】
この発明によれば、燃料電池スタックから取り出されて負荷へ供給される発電電流(I)を、発電電流制御器により、圧力センサで検出された大気圧および温度センサで検出された気温に応じて制御するようにしているので、大気圧の変化および気温の変化があっても燃料電池装置を安定に動作させることが可能である。
【0021】
特に、低気圧・高気温環境下であっても、燃料電池装置を安定に動作させることができる。
【0022】
(2)上記の特徴(1)において、前記発電電流制御器は、前記燃料電池スタックから前記負荷へ供給する前記発電電流の目標発電電流値(It)を算出したとき、前記目標発電電流値の最大発電電流値(Itmax)を、前記圧力センサにより検出された大気圧および前記温度センサにより検出された気温に応じて制限する。
(3)上記の特徴(1)又は特徴(2)において、さらに、前記カソード電極に、前記大気から取り込んだ前記空気を供給するコンプレッサ(24)を備え、前記発電電流制御器は、前記燃料電池スタックから前記負荷へ供給する前記発電電流に基づき、前記コンプレッサの回転数を制御することで、大気圧および気温の変化に拘わらず前記コンプレッサの回転数を許容回転数以下に制御することが可能であり、かつ前記コンプレッサの出口側温度を出口側許容温度以下に制御することが可能である。
)上記の特徴(1)〜(3)のいずれかにおいて、前記負荷に、車両推進用のモータ(16)が含まれる場合、この燃料電池スタック(12)およびその制御装置(20)が搭載される車両(10)は、たとえば大気圧が低い高地あるいは気温が高い環境下においても、コンプレッサの出口側温度が許容温度以下での一定の走行性能を確保することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0024】
図1は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池車両10の構成を示している。
【0025】
この燃料電池車両10は、基本的には、燃料電池スタック12と蓄電装置であるキャパシタ14とから構成されるハイブリッド型の電源装置と、これらの電源装置から電流供給器22を介して電力が供給される車両推進用の走行用モータ16とから構成されている。
【0026】
燃料電池車両10の加速時および定速走行時には、走行用モータ16の推進力がトランスミッションT/Mを介して駆動輪Wに伝達される。そして、燃料電池車両10の減速時には、駆動輪Wから走行用モータ16に駆動力が伝達されると、走行用モータ16は発電機として機能し電気エネルギが電流供給器22を介してキャパシタ14側に回生される。
【0027】
この燃料電池車両10には、また、燃料電池スタック12の制御装置と燃料電池車両10の制御装置とを兼用する燃料電池スタック制御装置20が搭載されている。
【0028】
ここで、燃料電池スタック制御装置20は、上記の燃料電池スタック12,キャパシタ14,電流供給器22および走行用モータ16の他、コンプレッサ24,循環ポンプ26,水素タンク28およびこれら全体を制御する制御部30を備えている。
【0029】
燃料電池スタック12は、たとえば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層して構成されている。
【0030】
この燃料電池スタック12のアノード電極には、燃料ガスの供給ポート32と排出ポート34とが設けられており、カソード電極には、空気の供給ポート36と排出ポート38とが設けられている。
【0031】
燃料ガスの供給ポート32は、圧力制御弁である燃料供給制御弁40を介して水素タンク28に連通するとともに、排出ポート34から排出された水素を供給ポート32にもどす循環ポンプ26の吐出側に連通する。
【0032】
ここで、燃料供給制御弁40の弁開度制御ポートは、コンプレッサ24と空気供給ポート36との間の通路に連通している。すなわち、燃料供給制御弁40は、空気供給ポート36の供給圧、換言すればコンプレッサ24の出口側圧力を信号圧として弁開度が制御される。
【0033】
水素および水等の排出ポート34は、循環ポンプ26の流入側に連通するとともに、排出弁(水素パージ弁)39を介して排気システムに連通する。
【0034】
その一方、空気および水の排出ポート38は、排圧制御弁41を介して大気(外気)に連通する。
【0035】
上述した空気供給ポート36は、図示していない冷却器およびコンプレッサ24を介して大気(外気)と連通する。そのコンプレッサ24と外気取入口42との間には、大気の圧力(大気圧)Paを検出する圧力センサ44と、大気の温度(気温)Taを検出する温度センサ46が配置され、これら圧力センサ44と温度センサ46により検出された大気圧Paおよび気温Taが制御部30に取り込まれる。
【0036】
発電電流制御器としても機能する制御部30は、CPU(Central Processing Unit)60,ROM(Read Only Memory)・RAM(Random Access Memory)等のメモリ62,計数・計時手段であるカウンタ・タイマ(タイマという。)64,A/D変換器・D/A変換器・ドライバ等のインタフェース(I/F)66が搭載された制御基板で構成されている。
【0037】
制御部30(のCPU60)は、各種入力(トランスミッションT/Mの位置,アクセル開度センサ50からのアクセル開度Ac,圧力センサ44からの大気圧Pa、温度センサ46からの気温Ta,電流供給器22の中に配置されている発電電流Iを検出する電流センサ等の検出入力)に対応して、メモリ62に格納されているプログラムを実行することで、コンプレッサ24の回転数、排圧制御弁41の開度、循環ポンプ26の回転数および発電電流Iの制御に伴う電流供給器22の制御等、燃料電池車両10全体を統括して制御する。
【0038】
たとえば燃料電池車両10の走行時には、アクセル開度センサ50からのアクセル開度Acに基づいて制御部30は、反応ガスである水素と空気(酸素含有ガス)を燃料電池スタック12に供給する。そして、燃料電池スタック12で電気化学反応により発電された電流(発電電流)Iは、電流供給器22により交流に変換されて走行用モータ16に供給される。
【0039】
この実施形態に係る燃料電池スタック制御装置20を備える燃料電池車両10は、基本的には以上のように構成されかつ動作するものであり、次に、燃料電池スタック12から取り出される発電電流Iの制御動作について説明する。
【0040】
以下の説明では、まず、理解の容易化のために、この発明の前提となる(i)発電電流Iに制限のない制御動作について概略的に説明し、次に、この発明に係る(ii)発電電流Iに制限のある制御動作について詳しく説明する。
【0041】
図2は、(i)発電電流Iに制限のない制御動作のフローチャートである。ステップS1において、まず、燃料電池車両10の操作者によるアクセルペダルを踏む操作に対応して、このアクセルペダルに連結されたアクセル開度センサ50からのアクセル開度Acを取り込む。
【0042】
次に、ステップS2において、取り込んだアクセル開度Acに基づき、燃料電池スタック12から取り出そうとする発電電流Iの目標発電電流値Itaを算出する。
【0043】
図3は、アクセル開度Acと目標発電電流値Itaとの対応関係を示している。この対応関係からアクセル開度Acに対応する目標発電電流値Itaが算出される。
【0044】
次に、ステップS3において、この目標発電電流値Itaに応じて発電電流Iが目標発電電流値Itaとなるように制御される。
【0045】
以上の説明が、この発明の前提となる(i)発電電流Iに制限のない、換言すれば算出された目標発電電流値Itaがそのまま燃料電池スタック12から取り出し可能な発電電流Iになると考えた場合の制御動作についての概略的な説明であり、次に、この発明に係る(ii)発電電流Iに制限のある制御動作について詳しく説明する。
【0046】
図4は、(ii)発電電流Iの制限処理が適用された制御フローチャートである。
【0047】
まず、ステップS11において、燃料電池車両10の操作者によるアクセルペダルを踏む操作に対応して、このアクセルペダルに連結されたアクセル開度センサ50からのアクセル開度Acを取り込む。
【0048】
次に、ステップS12において、取り込んだアクセル開度Acに基づき、燃料電池スタック12から取り出そうとする発電電流Iの仮目標発電電流値Icmを算出する。通常、仮目標発電電流値Icmは、アクセル開度Acの増加関数f(x)(xが増加すると関数f(x)の値が増加する関数)として予めメモリ62に格納されており、変数xにアクセル開度Acを代入することにより、仮目標発電電流値Icmは、Icm=f(Ac)として一意に決定される。なお、増加関数f(x)に代替してマップを参照するように変更することもできる。
【0049】
この実施形態では、理解の容易化のため、図6中、点線の傾斜直線で示すように、仮目標発電電流値Icmがアクセル開度Acの一次関数で表されるものとしている。この仮目標発電電流値Icmは、図3を参照して説明した目標発電電流値Itaに対応する。
【0050】
次いで、ステップS13において、外気取入口42からコンプレッサ24に供給される外気の圧力である大気圧Paと、外気の温度、すなわち気温Taを、それぞれ圧力センサ44および温度センサ46により検出して取り込む。
【0051】
次に、ステップS14において、検出値である大気圧Paと気温Taに応じた最大発電電流値Imaxを算出する。この最大発電電流値Imaxは、燃料電池スタック制御装置20が故障しない範囲で連続動作する予め決められた値である。この最大発電電流値Imaxは、コンプレッサ24の出力側温度(出口側温度)が許容温度を超えないようにするためにコンプレッサ24の最大回転数を制限するように設計されている。
【0052】
この場合、コンプレッサ24の出口側許容温度Tcmaxと、検出された気温Taと、検出された大気圧Paと、所定の係数Kから、コンプレッサ24の出口側圧力Pcoutが、下記の(2)式
Pcout≦{(Tcmax−Ta)/K}×Pa …(2)
を満足するように最大発電電流値Imaxを制限することで、コンプレッサ24の回転数が許容回転数以下に制限され、かつコンプレッサ24の出口側温度が許容温度Tcmax以下に制限される。上記(2)式は、下記の(3)式に変形可能である。
Tcmax≧(Pcout/Pa)×K+Ta …(3)
【0053】
また、コンプレッサ24の出口側圧力Pcout、換言すれば、燃料電池スタック12のカソード電極側の圧力が、結果として発電電流Iに比例することを考慮すれば、αを定数としてPcout=α×Iと表すことができるので、上記(3)式は、下記の(4)式に変形可能である。
Tcmax≧(α・I/Pa)×K+Ta …(4)
【0054】
この(4)式によれば、コンプレッサ24の出口側許容温度Tcmaxを超えないようにするためには、気温Taが一定の条件下で大気圧Paが低下した場合に、発電電流Iを低下させる必要があり、大気圧Paが一定の条件下で気温Taが上昇した場合にも、発電電流Iを低下させる必要があることが分かる。
【0055】
なお、コンプレッサ24の出口側圧力や出口側温度を直接検出して最大発電電流値Imaxを制御することも考えられるが、コンプレッサ24の出口側圧力あるいは出口側温度は、時間変化(圧力の時間微分値の変化や温度の時間微分値の変化)が大きいので制御が複雑化するため、この実施形態では採用していない。もちろん、採用することも可能である。
【0056】
この実施形態では、コンプレッサ24の出口側圧力を置換制御するために、図5に示す、気温Taをパラメータとして表した大気圧Paと最大発電電流値Imaxとのマップ(ルックアップテーブル)80を予め作成し準備してある。
【0057】
ステップS13において、圧力センサ44と温度センサ46により大気圧Paと気温Taがそれぞれ検出されたとき、ステップS14では、このマップ80を参照しステップS13で測定した大気圧Paと気温Taとから最大発電電流値Imaxを算出する。そして、発電電流Iをこの最大発電電流値Imax以内に制限することで、コンプレッサ24の回転数が許容回転数以下に制限される。換言すればコンプレッサ24の出口側圧力が(2)式の右辺で示す値以下に制限され、コンプレッサ24の出口側温度が(3)式に示す許容温度Tcmax以下に制限される。なお、図5に示すマップ80は、燃料電池スタック12の特性に応じて実験等を通じて予め作成されメモリ62に記憶されている。このマップ80中、気温Taは、補間して用いる。
【0058】
なお、マップ80に限らず、最大発電電流値Imaxは、多項式の関数g(x,y)(xとyは大気圧Paと気温Ta)としてメモリ62に格納しておくことも可能である(Imax=g(x,y))。
【0059】
次に、ステップS15において、ステップS12で算出した仮目標発電電流値IcmとステップS14で算出した最大発電電流値Imaxとを比較し、算出した仮目標発電電流値Icmが最大発電電流値Imax以下であるかどうかを判定する。
【0060】
算出した仮目標発電電流値Icmが最大発電電流値Imax以下である場合には、発電電流Iに余裕があるので、ステップS16において、目標発電電流値Itを仮目標発電電流値Icmに設定する(It←Icm)。
【0061】
その一方、算出した仮目標発電電流値Icmが最大発電電流値Imax以上となっている場合には、コンプレッサ24の出口側温度を許容温度Tcmax以下とするために、ステップS17において、目標発電電流値Itを最大発電電流値Imaxに設定(制限)する(It←Imax)。
【0062】
すなわち、図6に示すように、アクセル開度Acに対して算出された仮目標発電電流値Icmが、大気圧Paと気温Taに応じてマップ80から算出された最大発電電流値Imaxに対して余裕がある場合には、仮目標発電電流値Icmがそのまま目標発電電流値Itに設定される。その一方、仮目標発電電流値Icmが最大発電電流値Imaxを超える値であった場合には目標発電電流値It(の最大値)が最大発電電流値Imaxに制限されるように制御する。
【0063】
次に、ステップS18において、決定された目標発電電流値Itに応じて、排圧制御弁41の開度およびコンプレッサ24の回転数を所定値に設定して、燃料電池スタック12から電流供給器22に供給される発電電流Iを目標発電電流値Itに制御する。
【0064】
詳しく説明すると、制御部30により、目標発電電流値Itに対応する反応ガス(水素と空気)の流量と圧力を算出し、算出流量に応じてコンプレッサ24の回転数を所定回転数に制御すると同時に、算出圧力に応じて排圧制御弁41の弁開度を制御する。このとき、コンプレッサ24の出口側圧力に応じて燃料供給制御弁40の弁開度が制御される。このようにして、反応ガスである水素と空気がそれぞれ供給ポート32,36に供給される。これら水素と空気の量に対応した電気化学反応が燃料電池スタック12で起き、所定の発電電流Iが取り出される。
【0065】
そして、この発電電流Iが目標発電電流値Itaとなるように、排圧制御弁41の弁開度,コンプレッサ24の回転数および循環ポンプ26の回転数がフィードバック制御される。
【0066】
このようにして、目標発電電流値Itに制御された発電電流Iを走行用モータ16に供給することで、燃料電池車両10は、アクセル開度センサ50からのアクセル開度Acに応じて、大気圧Paと気温Taを考慮した所定の走行を行うことができる。
【0067】
以上のように、上述した実施形態によれば、燃料電池スタック12から取り出されて、負荷である走行用モータ16へ供給される発電電流Iを、燃料電池スタック12のカソード電極に供給される空気の大気圧Paおよび気温Taに応じて制御部30により制御しているので、コンプレッサ24の出口側温度を許容温度Tcmax以下に制限することができ、大気圧Paおよび気温Taが変化しても燃料電池スタック12の安定した発電を実現できる。
【0068】
すなわち、先に図8に示した実線の直線の特性が、結果として、この実施形態では、図7に示す実線の折れ線の特性に示すように制御され、気温Taの高い領域では、コンプレッサ24の出口側圧力Pcが一定値(換言すれば、発電電流Iが一定値)の条件下で、大気圧Paが所定圧力より低くなると、コンプレッサ24の出口側温度Tcが出口側許容温度Tcmaxに制限される。
【0069】
また、この実施形態に係る燃料電池車両10は、特に、大気圧Paが低く空気の密度が低い高地、あるいは気温Taの高い環境下では、コンプレッサ24の出口側温度が許容温度Tcmax以下に制限されるように、発電電流I(目標発電電流It)を制限しているので、そのような高地および気温の高い環境下でも、燃料電池スタック12の安定した発電が実現でき、一定の走行性能を確保することができる。
【0070】
また、上述の実施形態では、発電電流制御器として機能する制御部30が、コンプレッサの出口側許容温度をTcmax、検出された大気の気温をTa、検出された大気圧をPa、係数をKとして、前記コンプレッサの出口側圧力をPcoutとするとき、この出口側圧力Pcoutが、上記の(2)式
Pcout≦Pa×{(Tcmax−Ta)/K} …(2)
を満足するように発電電流Iを制限しているので、コンプレッサ24の回転数が許容回転数以下に制御され、かつコンプレッサ24の出口側温度が出口側許容温度Tcmax以下に制御される。上記(2)式では、たとえば右辺の乗数である温度に関する項{(Tcmax−Ta)/K}が変化しないと考えれば、大気圧Paの低下に伴い、出口側圧力Pcoutを制限する必要があることから、コンプレッサ24の回転数を下げる必要があることが分かり、その一方、右辺の被乗数である大気圧Paが一定であるとすれば、気温Taの上昇に伴い、出口側圧力Pcoutを制限する必要があるので、同様にコンプレッサ24の回転数を下げる必要があることが分かる。
【0071】
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、たとえば、発電電流Iが供給される負荷には、走行用モータ16の他、キャパシタ14あるいは図示していな車両用空気調節装置等の補機が含まれる等、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【0072】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、燃料電池スタックのカソード電極に大気からコンプレッサを介して供給される空気の大気圧と気温に基づいて発電電流を発電電流制御器により制限するようにしているので、たとえば標高の高い地域での低気圧条件下、あるいは気温の高い環境下(高温条件下)においても、安定した発電を行うことができる。
【0073】
また、大気圧と気温に基づいて、燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサの回転数を許容回転数以下に制限するようにしているので、圧縮昇温空気が供給されるコンプレッサの出口側温度を、出口側許容温度以下に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態が適用された燃料電池車両の構成を示すブロック図である。
【図2】電流制限のない状態における、アクセル開度に対する発電電流制御のフローチャートである。
【図3】電流制限のない状態における、アクセル開度に対する目標発電電流値の説明図である。
【図4】大気圧と気温を考慮した発電電流制御のフローチャートである。
【図5】大気圧と気温と最大発電電流値とのマップを示す説明図である。
【図6】電流制限のある場合の、アクセル開度に対する目標発電電流値の説明図である。
【図7】電流制限のある場合の出口側温度の制御説明図である。
【図8】電流制限のない場合の出口側温度の制御説明図である。
【符号の説明】
10…燃料電池車両 12…燃料電池スタック
14…キャパシタ 16…走行用モータ
20…燃料電池スタック制御装置 22…電流供給器
24…コンプレッサ 26…循環ポンプ
28…水素タンク 30…制御部(発電電流制御器)
32…燃料ガスの供給ポート 34…燃料ガスの排出ポート
36…空気の供給ポート 38…空気の排出ポート
39…排出弁(水素パージ弁) 40…燃料供給制御弁
41…排圧制御弁 42…外気取入口
44…圧力センサ 46…温度センサ
50…アクセル開度センサ 60…CPU
62…メモリ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, and more particularly, to a control device for a fuel cell stack configured to limit a generated current output from the fuel cell stack.
[0002]
[Prior art]
For example, in a polymer electrolyte fuel cell, an electrolyte membrane (electrolyte) / electrode structure in which an anode electrode and a cathode electrode are arranged on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane (cation exchange membrane) is separated by a separator. It is comprised by pinching and hold | maintaining. This type of fuel cell is normally used as a fuel cell stack by laminating a predetermined number of cells comprising an electrolyte membrane / electrode structure and a separator.
[0003]
In the fuel cell stack, a fuel gas supplied to the anode electrode, for example, a hydrogen-containing gas, is hydrogen-ionized on the electrode catalyst and moves to the cathode electrode side through an appropriately humidified electrolyte membrane. The electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since the cathode electrode is supplied with an oxidant gas, for example, an oxygen-containing gas such as air, the hydrogen ions, the electrons and oxygen react with each other to produce water.
[0004]
In the fuel cell stack described above, a fuel gas channel (reactive gas channel) for flowing a fuel gas facing the anode electrode and a oxidant gas for flowing the oxidant gas facing the cathode electrode are provided in the separator surface. An oxidizing gas channel (reactive gas channel) is provided. Further, between the separators, a cooling medium flow path for flowing a cooling medium as necessary is provided along the surface of the separator to form a fuel cell device.
[0005]
In such a fuel cell device, a compressor that supplies compressed and heated air to the cathode electrode, and the pressure of the compressed and heated air as a signal pressure, fuel gas hydrogen at a flow rate corresponding to the signal pressure is applied to the anode electrode. A pressure control valve to be supplied, and the fuel gas pressure on the anode side is set to a predetermined pressure with respect to the air pressure on the cathode electrode side to ensure power generation efficiency, and the flow rate of air and fuel gas is controlled as desired. It is set so that the generated current can be obtained.
[0006]
That is, in the fuel cell device having such a configuration, the amount of fuel gas supplied to the anode electrode is changed in accordance with the change in load, and at the same time, the amount of air supplied to the cathode electrode also controls the rotation speed of the compressor. To change.
[0007]
By the way, when the fuel cell device is used at high altitudes, if the rotation speed of the compressor is controlled in the same way as when used at high altitudes, the density of air is lower than the level at high altitudes. It has been pointed out that the stability and power generation efficiency of the fuel cell device are reduced, such as a situation where the amount of supplied oxygen is insufficient and the amount of unreacted hydrogen increases, resulting in a shortage of power generation current. Reference 1).
[0008]
In order to solve this problem, the technique according to Patent Document 1 measures the atmospheric pressure (Pa [kPa]) and the temperature of the atmosphere, that is, the air temperature (Ta [K]), and sets Ns to 1 atm (101.325 [ kPa]), 0 [° C.] (273.15 [K]), the actual compressor speed N is obtained by the following equation (1).
N = Ns × (101.325 / Pa) × (Ta ÷ 273.15) (1)
[0009]
Then, by operating the compressor at this rotational speed N, the rotational speed of the compressor is proportionally increased when the atmospheric pressure Pa decreases or when the temperature Ta increases.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2000-48838 A (paragraphs [0009], [0023], FIG. 2)
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique according to Patent Document 1, when the atmospheric pressure Pa decreases or the temperature Ta increases, there is a situation in which the compressor rotational speed N obtained by the above equation (1) exceeds the allowable rotational speed. appear. For this reason, there is a possibility that the temperature of the air whose temperature is increased by compression on the outlet side of the compressor may exceed the outlet side allowable temperature.
[0012]
As described above, when the rotation speed N of the compressor exceeds the allowable rotation speed, or when the temperature of the compressed heated air at the outlet side of the compressor exceeds the allowable temperature at the outlet side, the fuel cell device itself fails. The potential is great.
[0013]
FIG. 8 shows the atmospheric pressure Pa [kPa] and the temperature Ta [° C.] created by the inventor of this application under the condition that the outlet pressure Pc of the compressor is a constant value (in other words, the generated current is a constant value). And the outlet side temperature Tc [° C.] of the compressor. It is understood that the outlet side temperature Tc increases as the atmospheric pressure Pa decreases and the temperature Ta increases. That is, when the outlet side pressure Pc is a constant value, the outlet side temperature Tc of the compressor exceeds the outlet side allowable temperature Tcmax in the region where the atmospheric pressure Pa is low and the temperature Ta is high.
[0014]
The present invention has been made in view of such problems, and provides a control device for a fuel cell stack that can stably operate the fuel cell device regardless of changes in atmospheric pressure and temperature. The purpose is to do.
[0015]
Further, according to the present invention, the rotational speed of the compressor constituting the fuel cell device is made equal to or lower than the allowable rotational speed regardless of the change in atmospheric pressure and the temperature, and the outlet side temperature of the compressor is made lower than the allowable temperature on the outlet side. An object of the present invention is to provide a control device for a fuel cell stack that makes it possible.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In this section, for ease of understanding, reference numerals in the attached drawings are used for explanation. Therefore, the contents described in this section should not be construed as being limited to those having the reference numerals.
[0017]
  In the fuel cell stack control device according to the present invention, the fuel gas is supplied to the anode electrode and the cathode electrodeTaken from the atmosphereThe control device (20) of the fuel cell stack (12) to which air is supplied has the following characteristics.
[0018]
(1) a compressor (24) for supplying air taken from the atmosphere to the cathode electrode, a pressure sensor (44) for detecting the pressure of the atmosphere, and a temperature sensor (46) for detecting the temperature of the atmosphere; Power generation for controlling the generated current (I) supplied from the fuel cell stack to the load (16) according to the atmospheric pressure (Pa) detected by the pressure sensor and the temperature (Ta) detected by the temperature sensor. And a current controller (22, 30).
[0019]
According to the present invention, the generated current (I) taken out from the fuel cell stack and supplied to the load is determined by the generated current controller according to the atmospheric pressure detected by the pressure sensor and the temperature detected by the temperature sensor. Since the control is performed, the fuel cell device can be stably operated even when the atmospheric pressure and the temperature change.
[0021]
In particular, the fuel cell device can be stably operated even in a low atmospheric pressure / high temperature environment.
[0022]
  (2) In the feature (1), when the generated current controller calculates a target generated current value (It) of the generated current supplied from the fuel cell stack to the load, the target generated current value The maximum generated current value (Itmax) is limited according to the atmospheric pressure detected by the pressure sensor and the air temperature detected by the temperature sensor.
  (3) In the above feature (1) or feature (2), the cathode further includes a compressor (24) for supplying the air taken in from the atmosphere, and the generated current controller is the fuel cell. By controlling the rotation speed of the compressor based on the generated current supplied from the stack to the load, it is possible to control the rotation speed of the compressor below an allowable rotation speed regardless of changes in atmospheric pressure and temperature. And the outlet side temperature of the compressor can be controlled to be equal to or lower than the outlet side allowable temperature.
  (4) Above features (1)Any of (3)In the case where the load includes the motor for vehicle propulsion (16), the vehicle (10) on which the fuel cell stack (12) and the control device (20) are mounted is, for example, a high altitude with a low atmospheric pressure or Even in an environment where the air temperature is high, it is possible to ensure a certain running performance when the outlet side temperature of the compressor is equal to or lower than the allowable temperature.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell vehicle 10 to which an embodiment of the present invention is applied.
[0025]
This fuel cell vehicle 10 is basically supplied with electric power via a hybrid power source device including a fuel cell stack 12 and a capacitor 14 as a power storage device, and a current supplier 22 from these power source devices. And a traveling motor 16 for vehicle propulsion.
[0026]
When the fuel cell vehicle 10 is accelerated and travels at a constant speed, the propulsive force of the travel motor 16 is transmitted to the drive wheels W via the transmission T / M. When the fuel cell vehicle 10 decelerates, when the driving force is transmitted from the driving wheel W to the traveling motor 16, the traveling motor 16 functions as a generator, and the electric energy is passed through the current supplier 22 on the capacitor 14 side. It is regenerated.
[0027]
The fuel cell vehicle 10 is also equipped with a fuel cell stack control device 20 that doubles as a control device for the fuel cell stack 12 and a control device for the fuel cell vehicle 10.
[0028]
Here, the fuel cell stack control device 20 controls the compressor 24, the circulation pump 26, the hydrogen tank 28, and the whole in addition to the fuel cell stack 12, the capacitor 14, the current supplier 22, and the traveling motor 16. The unit 30 is provided.
[0029]
The fuel cell stack 12 is configured, for example, by stacking cells formed by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane between an anode electrode and a cathode electrode from both sides.
[0030]
The anode electrode of the fuel cell stack 12 is provided with a fuel gas supply port 32 and a discharge port 34, and the cathode electrode is provided with an air supply port 36 and a discharge port 38.
[0031]
The fuel gas supply port 32 communicates with the hydrogen tank 28 via a fuel supply control valve 40 that is a pressure control valve, and also returns to the discharge side of the circulation pump 26 that returns the hydrogen discharged from the discharge port 34 to the supply port 32. Communicate.
[0032]
Here, the valve opening control port of the fuel supply control valve 40 communicates with a passage between the compressor 24 and the air supply port 36. That is, the fuel supply control valve 40 controls the valve opening degree by using the supply pressure of the air supply port 36, in other words, the outlet side pressure of the compressor 24 as the signal pressure.
[0033]
A discharge port 34 for hydrogen, water, and the like communicates with the inflow side of the circulation pump 26 and also communicates with the exhaust system via a discharge valve (hydrogen purge valve) 39.
[0034]
On the other hand, the air and water discharge port 38 communicates with the atmosphere (outside air) via the exhaust pressure control valve 41.
[0035]
The air supply port 36 described above communicates with the atmosphere (outside air) via a cooler and a compressor 24 (not shown). Between the compressor 24 and the outside air inlet 42, a pressure sensor 44 for detecting atmospheric pressure (atmospheric pressure) Pa and a temperature sensor 46 for detecting atmospheric temperature (air temperature) Ta are arranged. These pressure sensors The atmospheric pressure Pa and the temperature Ta detected by the temperature sensor 46 and the temperature sensor 46 are taken into the control unit 30.
[0036]
The control unit 30 that also functions as a generated current controller includes a CPU (Central Processing Unit) 60, a memory 62 such as a ROM (Read Only Memory) / RAM (Random Access Memory), and a counter / timer (timer) that is a counting / timer. 64, and a control board on which an interface (I / F) 66 such as an A / D converter, a D / A converter, and a driver is mounted.
[0037]
The control unit 30 (the CPU 60) receives various inputs (the position of the transmission T / M, the accelerator opening Ac from the accelerator opening sensor 50, the atmospheric pressure Pa from the pressure sensor 44, the temperature Ta from the temperature sensor 46, and current supply. The rotation speed of the compressor 24 and the exhaust pressure control are executed by executing a program stored in the memory 62 in response to a detection input of a current sensor or the like that detects the generated current I arranged in the compressor 22. The entire fuel cell vehicle 10 is controlled in an integrated manner, such as the opening of the valve 41, the number of rotations of the circulation pump 26, and the control of the current supplier 22 accompanying the control of the generated current I.
[0038]
For example, when the fuel cell vehicle 10 is traveling, the control unit 30 supplies hydrogen and air (oxygen-containing gas) as reaction gases to the fuel cell stack 12 based on the accelerator opening Ac from the accelerator opening sensor 50. Then, the current (generated current) I generated by the electrochemical reaction in the fuel cell stack 12 is converted into an alternating current by the current supplier 22 and supplied to the traveling motor 16.
[0039]
The fuel cell vehicle 10 including the fuel cell stack control device 20 according to this embodiment is basically configured and operates as described above. Next, the generated current I taken out from the fuel cell stack 12 is The control operation will be described.
[0040]
In the following description, for the sake of easy understanding, first, (i) a control operation without limitation on the generated current I, which is a premise of the present invention, will be schematically described, and then (ii) according to the present invention. A control operation that limits the generated current I will be described in detail.
[0041]
FIG. 2 is a flowchart of a control operation (i) without limitation on the generated current I. In step S1, first, in response to the operation of the accelerator pedal by the operator of the fuel cell vehicle 10, the accelerator opening degree Ac is received from the accelerator opening degree sensor 50 connected to the accelerator pedal.
[0042]
Next, in step S2, a target generated current value Ita of the generated current I to be extracted from the fuel cell stack 12 is calculated based on the acquired accelerator opening degree Ac.
[0043]
FIG. 3 shows a correspondence relationship between the accelerator opening degree Ac and the target generated current value Ita. From this correspondence, the target generated current value Ita corresponding to the accelerator opening degree Ac is calculated.
[0044]
Next, in step S3, the generated current I is controlled to become the target generated current value Ita according to the target generated current value Ita.
[0045]
The above explanation is based on the assumption that (i) the generated current I which is the premise of the present invention is not limited, in other words, the calculated target generated current value Ita becomes the generated current I that can be taken out from the fuel cell stack 12 as it is. This is a schematic explanation of the control operation in this case, and (ii) a control operation with a limit on the generated current I according to the present invention will be described in detail.
[0046]
FIG. 4 is a control flowchart in which (ii) the generation current I limiting process is applied.
[0047]
First, in step S11, in response to the operation of the accelerator pedal by the operator of the fuel cell vehicle 10, the accelerator opening Ac from the accelerator opening sensor 50 connected to the accelerator pedal is taken in.
[0048]
Next, in step S12, a temporary target generated current value Icm of the generated current I to be extracted from the fuel cell stack 12 is calculated based on the acquired accelerator opening degree Ac. Normally, the temporary target generated current value Icm is stored in advance in the memory 62 as an increase function f (x) of the accelerator opening degree Ac (a function in which the value of the function f (x) increases as x increases), and the variable x By substituting the accelerator opening Ac for, the temporary target generated current value Icm is uniquely determined as Icm = f (Ac). Note that the map can be changed to refer to the map instead of the increase function f (x).
[0049]
In this embodiment, for the sake of easy understanding, the temporary target generated current value Icm is represented by a linear function of the accelerator opening degree Ac as shown by a dotted straight line in FIG. This temporary target generated current value Icm corresponds to the target generated current value Ita described with reference to FIG.
[0050]
Next, in step S13, the atmospheric pressure Pa, which is the pressure of the outside air supplied from the outside air inlet 42 to the compressor 24, and the temperature of the outside air, that is, the temperature Ta, are detected by the pressure sensor 44 and the temperature sensor 46, respectively.
[0051]
Next, in step S14, the maximum generated current value Imax corresponding to the detected atmospheric pressure Pa and temperature Ta is calculated. The maximum generated current value Imax is a predetermined value that continuously operates within a range in which the fuel cell stack control device 20 does not fail. This maximum generated current value Imax is designed to limit the maximum rotational speed of the compressor 24 so that the output side temperature (outlet side temperature) of the compressor 24 does not exceed the allowable temperature.
[0052]
In this case, from the outlet side allowable temperature Tcmax of the compressor 24, the detected air temperature Ta, the detected atmospheric pressure Pa, and the predetermined coefficient K, the outlet side pressure Pcout of the compressor 24 is expressed by the following equation (2).
Pcout ≦ {(Tcmax−Ta) / K} × Pa (2)
By limiting the maximum generated current value Imax so as to satisfy the above, the rotation speed of the compressor 24 is limited to the allowable rotation speed or less, and the outlet side temperature of the compressor 24 is limited to the allowable temperature Tcmax or less. The above equation (2) can be transformed into the following equation (3).
Tcmax ≧ (Pcout / Pa) × K + Ta (3)
[0053]
Further, considering that the outlet side pressure Pcout of the compressor 24, in other words, the pressure on the cathode electrode side of the fuel cell stack 12 is proportional to the generated current I as a result, α is a constant and Pcout = α × I Since it can be expressed, the above equation (3) can be transformed into the following equation (4).
Tcmax ≧ (α · I / Pa) × K + Ta (4)
[0054]
According to the equation (4), in order not to exceed the outlet-side allowable temperature Tcmax of the compressor 24, the generated current I is decreased when the atmospheric pressure Pa decreases under a constant temperature Ta. It can be seen that the generated current I needs to be reduced even when the temperature Ta rises under a condition where the atmospheric pressure Pa is constant.
[0055]
Although it is conceivable to directly detect the outlet side pressure and outlet side temperature of the compressor 24 to control the maximum generated current value Imax, the outlet side pressure or outlet side temperature of the compressor 24 changes with time (time differentiation of pressure). This is not adopted in this embodiment because the control becomes complicated because the change in the value and the change in the time differential value of the temperature are large. Of course, it is also possible to adopt.
[0056]
In this embodiment, in order to control the replacement of the outlet side pressure of the compressor 24, a map (look-up table) 80 of the atmospheric pressure Pa and the maximum generated current value Imax, which represents the temperature Ta as a parameter, shown in FIG. Created and prepared.
[0057]
In step S13, when the atmospheric pressure Pa and the temperature Ta are detected by the pressure sensor 44 and the temperature sensor 46, respectively, in step S14, the maximum power generation is performed from the atmospheric pressure Pa and the temperature Ta measured in step S13 with reference to this map 80. The current value Imax is calculated. Then, by limiting the generated current I within the maximum generated current value Imax, the rotation speed of the compressor 24 is limited to an allowable rotation speed or less. In other words, the outlet side pressure of the compressor 24 is limited to the value indicated by the right side of the equation (2) or less, and the outlet side temperature of the compressor 24 is limited to the allowable temperature Tcmax or less indicated by the equation (3). The map 80 shown in FIG. 5 is created in advance through experiments or the like according to the characteristics of the fuel cell stack 12 and stored in the memory 62. In this map 80, the temperature Ta is used by interpolation.
[0058]
The maximum generated current value Imax can be stored in the memory 62 as a polynomial function g (x, y) (x and y are atmospheric pressure Pa and temperature Ta), not limited to the map 80 ( Imax = g (x, y)).
[0059]
Next, in step S15, the temporary target generated current value Icm calculated in step S12 is compared with the maximum generated current value Imax calculated in step S14, and the calculated temporary target generated current value Icm is equal to or less than the maximum generated current value Imax. Determine if it exists.
[0060]
When the calculated temporary target generated current value Icm is less than or equal to the maximum generated current value Imax, the generated current I has a margin, and therefore, in step S16, the target generated current value It is set to the temporary target generated current value Icm ( It ← Icm).
[0061]
On the other hand, when the calculated temporary target generated current value Icm is equal to or greater than the maximum generated current value Imax, the target generated current value is determined in step S17 in order to set the outlet side temperature of the compressor 24 to the allowable temperature Tcmax or less. It is set (limited) to the maximum generated current value Imax (It ← Imax).
[0062]
That is, as shown in FIG. 6, the temporary target power generation current value Icm calculated for the accelerator opening degree Ac corresponds to the maximum power generation current value Imax calculated from the map 80 according to the atmospheric pressure Pa and the temperature Ta. When there is a margin, the temporary target generated current value Icm is set as the target generated current value It as it is. On the other hand, when the temporary target generated current value Icm exceeds the maximum generated current value Imax, the target generated current value It (maximum value) is controlled to be limited to the maximum generated current value Imax.
[0063]
Next, in step S18, the opening degree of the exhaust pressure control valve 41 and the rotation speed of the compressor 24 are set to predetermined values according to the determined target generated current value It, and the current supplier 22 from the fuel cell stack 12 is set. The generated current I supplied to is controlled to the target generated current value It.
[0064]
More specifically, the control unit 30 calculates the flow rate and pressure of the reaction gas (hydrogen and air) corresponding to the target generated current value It, and simultaneously controls the rotational speed of the compressor 24 to a predetermined rotational speed according to the calculated flow rate. The valve opening degree of the exhaust pressure control valve 41 is controlled according to the calculated pressure. At this time, the valve opening degree of the fuel supply control valve 40 is controlled according to the outlet side pressure of the compressor 24. In this way, hydrogen and air, which are reaction gases, are supplied to the supply ports 32 and 36, respectively. An electrochemical reaction corresponding to the amount of hydrogen and air occurs in the fuel cell stack 12, and a predetermined generated current I is taken out.
[0065]
Then, the valve opening degree of the exhaust pressure control valve 41, the rotational speed of the compressor 24, and the rotational speed of the circulation pump 26 are feedback-controlled so that the generated current I becomes the target generated current value Ita.
[0066]
In this way, by supplying the traveling current 16 with the generated current I controlled to the target generated current value It, the fuel cell vehicle 10 has a large response according to the accelerator opening Ac from the accelerator opening sensor 50. Predetermined traveling in consideration of the atmospheric pressure Pa and the temperature Ta can be performed.
[0067]
As described above, according to the above-described embodiment, the generated current I taken from the fuel cell stack 12 and supplied to the traveling motor 16 that is a load is used as the air supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 12. Since the control unit 30 controls the atmospheric pressure Pa and the air temperature Ta, the outlet side temperature of the compressor 24 can be limited to the allowable temperature Tcmax or less. Even if the atmospheric pressure Pa and the air temperature Ta change, the fuel can be reduced. Stable power generation of the battery stack 12 can be realized.
[0068]
That is, as a result, the characteristic of the solid line shown in FIG. 8 is controlled as shown by the characteristic of the broken line shown in FIG. 7 in this embodiment, and in the region where the temperature Ta is high, the compressor 24 If the atmospheric pressure Pa becomes lower than a predetermined pressure under the condition that the outlet side pressure Pc is a constant value (in other words, the generated current I is a constant value), the outlet side temperature Tc of the compressor 24 is limited to the outlet side allowable temperature Tcmax. The
[0069]
Further, in the fuel cell vehicle 10 according to this embodiment, the outlet side temperature of the compressor 24 is limited to the allowable temperature Tcmax or less, particularly in the highland where the atmospheric pressure Pa is low and the air density is low, or in an environment where the temperature Ta is high. As described above, since the power generation current I (target power generation current It) is limited, stable power generation of the fuel cell stack 12 can be realized even in such high altitude and high temperature environments, and a certain traveling performance is ensured. can do.
[0070]
Further, in the above-described embodiment, the control unit 30 functioning as the generated current controller has the allowable temperature on the outlet side of the compressor as Tcmax, the detected atmospheric temperature as Ta, the detected atmospheric pressure as Pa, and the coefficient as K. When the outlet side pressure of the compressor is Pcout, the outlet side pressure Pcout is expressed by the above equation (2).
Pcout ≦ Pa × {(Tcmax−Ta) / K} (2)
Since the generated current I is limited so as to satisfy the above, the rotational speed of the compressor 24 is controlled to be equal to or lower than the allowable rotational speed, and the outlet side temperature of the compressor 24 is controlled to be equal to or lower than the allowable outlet side temperature Tcmax. In the above equation (2), for example, if it is considered that the term {(Tcmax−Ta) / K} relating to temperature which is a multiplier on the right side does not change, it is necessary to limit the outlet side pressure Pcout as the atmospheric pressure Pa decreases. From this, it is understood that it is necessary to reduce the rotation speed of the compressor 24. On the other hand, if the atmospheric pressure Pa, which is a multiplicand on the right side, is constant, the outlet side pressure Pcout is limited as the temperature Ta increases. Since it is necessary, it turns out that it is necessary to reduce the rotation speed of the compressor 24 similarly.
[0071]
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the load to which the generated current I is supplied includes, in addition to the traveling motor 16, an auxiliary device such as a capacitor 14 or a vehicle air conditioner not shown. Of course, various configurations can be adopted based on the description in this specification.
[0072]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the generated current is limited by the generated current controller based on the atmospheric pressure and the temperature of the air supplied from the atmosphere to the cathode electrode of the fuel cell stack via the compressor. Therefore, for example, stable power generation can be performed even under a low pressure condition in a high altitude region or under a high temperature environment (high temperature condition).
[0073]
Further, since the rotation speed of the compressor that supplies air to the fuel cell stack is limited to the allowable rotation speed or less based on the atmospheric pressure and the air temperature, the outlet side temperature of the compressor that is supplied with the compressed warm-up air is reduced. The outlet side allowable temperature can be controlled below.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell vehicle to which an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is a flow chart of generated current control with respect to accelerator opening in a state where there is no current limitation.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a target generated current value with respect to an accelerator opening degree in a state where there is no current limitation.
FIG. 4 is a flowchart of generated current control in consideration of atmospheric pressure and temperature.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a map of atmospheric pressure, temperature, and maximum generated current value.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a target generated current value with respect to the accelerator opening when there is a current limit.
FIG. 7 is an explanatory diagram of the control of the outlet side temperature when there is a current limit.
FIG. 8 is an explanatory diagram of the control of the outlet side temperature when there is no current limitation.
[Explanation of symbols]
10 ... Fuel cell vehicle 12 ... Fuel cell stack
14 ... Capacitor 16 ... Motor for running
20 ... Fuel cell stack control device 22 ... Current supply
24 ... Compressor 26 ... Circulating pump
28 ... Hydrogen tank 30 ... Control part (Generation current controller)
32 ... Fuel gas supply port 34 ... Fuel gas discharge port
36 ... Air supply port 38 ... Air discharge port
39 ... Drain valve (hydrogen purge valve) 40 ... Fuel supply control valve
41 ... Exhaust pressure control valve 42 ... Outside air intake
44 ... Pressure sensor 46 ... Temperature sensor
50 ... Accelerator opening sensor 60 ... CPU
62 ... Memory

Claims (4)

アノード電極に燃料ガスが供給されカソード電極に大気から取り込んだ空気が供給される燃料電池スタックの制御装置において
記大気の圧力を検出する圧力センサと、
前記大気の温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池スタックから負荷へ供給される発電電流を、前記圧力センサにより検出された大気圧および前記温度センサにより検出された気温に応じて制御する発電電流制御器とを備える
ことを特徴とする燃料電池スタックの制御装置。
In a fuel cell stack control device in which fuel gas is supplied to the anode electrode and air taken in from the atmosphere is supplied to the cathode electrode ,
A pressure sensor for detecting the pressure of the previous Symbol atmosphere,
A temperature sensor for detecting the temperature of the atmosphere;
A fuel generation current controller configured to control a power generation current supplied from the fuel cell stack to a load according to an atmospheric pressure detected by the pressure sensor and an air temperature detected by the temperature sensor. Battery stack control device.
請求項1記載の燃料電池スタックの制御装置において、The fuel cell stack control device according to claim 1, wherein
前記発電電流制御器は、The generated current controller is
前記燃料電池スタックから前記負荷へ供給する前記発電電流の目標発電電流値を算出したとき、前記目標発電電流値の最大発電電流値を、前記圧力センサにより検出された大気圧および前記温度センサにより検出された気温に応じて制限するWhen the target generated current value of the generated current supplied from the fuel cell stack to the load is calculated, the maximum generated current value of the target generated current value is detected by the atmospheric pressure detected by the pressure sensor and the temperature sensor. Limit according to the temperature
ことを特徴とする燃料電池スタックの制御装置。A control apparatus for a fuel cell stack.
請求項1又は2記載の燃料電池スタックの制御装置において、In the control apparatus of the fuel cell stack according to claim 1 or 2,
さらに、前記カソード電極に、前記大気から取り込んだ前記空気を供給するコンプレッサを備え、Furthermore, the cathode electrode is provided with a compressor for supplying the air taken from the atmosphere,
前記発電電流制御器は、The generated current controller is
前記燃料電池スタックから前記負荷へ供給する前記発電電流に基づき、前記コンプレッサの回転数を制御するBased on the generated current supplied from the fuel cell stack to the load, the rotational speed of the compressor is controlled.
ことを特徴とする燃料電池スタックの制御装置。A control apparatus for a fuel cell stack.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタックの制御装置において、
前記負荷に、車両推進用のモータが含まれる
ことを特徴とする燃料電池スタックの制御装置。
In the control apparatus of the fuel cell stack of any one of Claims 1-3,
The fuel cell stack control device, wherein the load includes a vehicle propulsion motor.
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