JP4155027B2

JP4155027B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4155027B2
Application number: JP2002375318A
Authority: JP
Inventors: 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2004207059A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池本体に水素及び空気を供給して発電させる燃料電池システムに関し、特に、燃料電池本体で未使用の水素を燃料電池本体の入口側へと循環させる水素循環形式の燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池本体の水素極に水素ガス、空気極に空気をそれぞれ供給して、燃料電池本体において水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池本体としては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池本体が知られている。この固体高分子タイプの燃料電池本体は、水素極と空気極との間に膜状の固体高分子が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。この固体高分子タイプの燃料電池本体では、水素極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、空気極で酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を空気極に向かって移動することになる。
【０００４】
ところで、固体高分子膜をイオン伝導体として機能させるためには、この固体高分子膜にある程度の水分を含ませておく必要がある。このため、このような固体高分子タイプの燃料電池本体を用いた燃料電池システムでは、水素ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池本体に供給することで、燃料電池本体の固体高分子膜を加湿することが一般に行われている。
【０００５】
また、固体高分子膜を加湿する上で有効な方法として、燃料電池本体で未使用の水素ガスを、再度燃料電池本体へと循環させて再利用する水素循環形式の燃料電池システムが知られている。この水素循環形式の燃料電池システムでは、燃料電池本体外部に接続した負荷（以下、外部負荷という。）で消費する電力に要する水素量より幾分多めの水素ガスを燃料電池本体の水素極へと供給し、未使用の水素ガスを水素極出口から排出させて、この排水素（以下、循環水素という。）を再度、燃料電池本体の水素極入口へ戻して再利用するようにしている。水素極出口から排出される循環水素は水蒸気を多く含んでいるため、この水蒸気を多く含んだ循環水素が水素タンクからの乾燥している水素に混合されて燃料電池本体の水素極へ供給されることによって、燃料電池本体の固体高分子膜が加湿されることになる。
【０００６】
前記の水素循環形式の燃料電池システムでは、外部負荷で消費する電力に要する水素量より幾分多めの水素ガスを燃料電池本体の水素極へと供給するが、これにさらに循環水素が混合されるため、水素極への供給水素流量が発電に必要な水素量よりも多くなる。このとき、発電に必要な水素量だけを水素極に供給した場合には水素極出口付近のセルに効率的に水素が到達しなくなって発電効率が落ちるため、前述のように発電に必要な水素量よりも多い水素ガスを水素極に供給することによって、燃料電池システムの全てのセルでの発電が高効率で行われるようになる。燃料電池システムでは、同様のことが空気極についても言えるため、発電に必要な酸素（空気）量のみを供給するのではなく、少し余分に酸素を空気極に供給するようにしている。このような発電に要する水素（空気）量に対する実際に供給する水素（空気）量の比を原料ストイキ比と通常呼んでいるが、この原料ストイキ比は、前記理由により１以上の最適値に設定されている。
【０００７】
しかしながら、前記原料ストイキ比を最適値に設定した場合であっても、外部負荷が急激に増加した場合には、さらに多くの水素及び空気が必要となってくる。このような原料増加変化は、燃料電池電極に到達するまでに時間遅れがあるため、燃料電池電極において過渡的に原料不足が生じ、発電電圧の低下を引き起こす。このように過渡的な原料不足が生じた場合であっても、通常外部負荷は一定電力を取り出そうとするため、前記のように発電電圧が低下すると、一定負荷とするために負荷電流を多く取り出すようになる。負荷電流が多くなると、燃料電池本体の内部抵抗等の作用によって電圧降下が生じ、さらなる電圧低下を招いてしまう。このような悪循環によって、電圧下限値を下回ることとなり、燃料電池本体にダメージを与える可能性がある。このため、燃料電池にて外部負荷を駆動する場合、特に外部負荷が急激に増加する過渡時には、負荷電流と同時に燃料電池電圧を考慮する必要がある。
【０００８】
前記過渡時における燃料電池の運転方法としては、燃料電池本体から取り出す負荷電流が所望の軌道になるように、負荷電流取り出し量を制限する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−５７７５３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１のように負荷電流のみを制限する場合でも、運転負荷急増変化時に、原料増加変化の時間遅れによって過渡的に原料不足を生じさせ、発電電圧の低下を引き起こす場合がある。そして、前述のように外部負荷は、一定負荷を取り出し続けるので、負荷電流が増大し、それがさらに電圧低下を引き起こす。このような電圧低下が顕著な場合には、電圧下限値を下回ることとなり、燃料電池本体にダメージが及ぶおそれがある。
【００１１】
ところで、前記燃料電池における原料不足を防止するためには、負荷取り出しをゆっくり行えば良いが、応答性能が悪くなる。逆に、応答性能を上げるために負荷取り出しを急速に行うと、前述のような原料不足を招いてしまう。電池の特性は経年変化し、また電池の運転状態に応じて変化するため、その時々の運転状態に応じた負荷取り出し応答と、前記電圧低下によるダメージの防止との両立を図る必要がある。
【００１２】
そこで、本発明は、外部負荷が増大する場合において、原料不足によって電圧低下を引き起こし電圧下限値以下となることを防止し、且つ負荷電流を応答良く取り出すことを可能とした燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池本体と、前記燃料電池本体に原料ガスである水素を供給する水素供給装置と、前記燃料電池本体に原料ガスである空気を供給する空気供給装置と、所定の負荷電流に基づき必要な原料ガスの前記燃料電池本体への供給流量を算出する必要供給原料流量算出手段と、実際の供給流量が、前記必要な供給流量まで増加する際の各原料ガスの応答特性に基づいた目標応答特性を設定する原料供給応答特性設定手段と、前記目標応答特性に基づき、前記燃料電池本体から前記所定の負荷電流を取り出す軌道を設定する目標負荷取出し軌道設定手段と、前記所定の負荷電流を取り出す軌道に基づき、将来の負荷電流の変化を算出する負荷電流変化予測算出手段と、前記将来の負荷電流の変化と前記燃料電池本体の状態とに基づき、前記燃料電池本体の将来の電圧変化を予測する電圧変化予測算出手段と、前記電圧変化の大きさに基づき、目標負荷取出し軌道設定手段にて設定した軌道を修正する目標負荷取出し軌道修正手段とを備える。そして、前記目標負荷取出し軌道修正手段にて修正された新たな軌道で前記所定の負荷電流が前記燃料電池本体から取り出されることを特徴とする。
【００１４】
上述した本発明に係る燃料電池システムでは、原料ガスの目標応答特性から目標負荷軌道を設定、修正するようにしたため、原料が必要な供給流量まで増加される際の該原料ガスの応答に合わせて負荷電流の取り出しが行われる。また、本発明では、燃料電池本体の状態に基づいて予測された将来の電圧変化に基づいて予め設定された負荷電流の取出し軌道が修正するようにして、その負荷取出しの軌道がその時の燃料電池本体の運転状態に適合しているかどうかを判断することが可能となっている。そして、適合していない場合、具体的には、燃料電池本体の電圧予測値が電圧下限値を下回るような場合には、予め設定された所定の負荷電流の取出し軌道が修正される。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、原料ガスの応答に合わせて負荷電流の取り出しが行われるため、負荷が過渡的に増加変化する際に、燃料電池本体における原料不足を防止することができ、この原料不足に起因するに燃料電池本体の電圧低下をも防止することができる。
【００１６】
また、燃料電池システムによれば、負荷が過渡的に増加変化する際に、その時の燃料電池本体の運転状態に応じて応答良く負荷を取り出すことができるようになるとともに、燃料電池本体の電圧が下限値以下となって電池自体にダメージを及ぼすことを防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池システムの具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。この第１の実施形態の燃料電池システム１は、電解質として固体高分子膜を有する固体高分子タイプの燃料電池本体２を備えている。燃料電池本体２は、原料ガスとして空気極に供給される空気中の酸素と水素極に供給される水素とを電気化学的に反応させて発電するものである。
【００１９】
燃料電池本体２は、空気極入口に、空気供給用配管３を介してコンプレッサやブロワ等の空気供給装置４が接続されている。そして、空気供給装置４により流量及び圧力が調整された空気が、空気供給用配管３を通って燃料電池本体２の空気極入口に供給されるようになっている。
【００２０】
燃料電池システム１では、空気極入口から供給された空気が全て消費されるわけではなく、消費されずに残った酸素及び空気中の他の成分が排空気として排空気用配管５から排出される。この排空気用配管５は大気開放されており、前記排空気は大気中に放出される。
【００２１】
また、燃料電池本体２は、水素極入口に、水素供給用配管６を介して、例えば水素タンク等からなる水素供給装置７が接続されている。水素供給用配管６の中途部には、水素供給バルブ８が配されており、目標流量の水素ガス（以下、原料水素という。）を水素供給装置７から燃料電池本体２の水素極入口側に供給できるようになっている。
【００２２】
前記燃料電池システム１は、水素循環型として構成されており、燃料電池本体２での発電に使用されずに燃料電池本体２から排出された排水素（循環水素）の経路となる循環水素用配管９が設けられている。そして、この循環水素用配管９の中途部に水素循環ポンプ１０が配設されており、燃料電池本体２から排出された水蒸気を多く含む循環水素が、前記水素循環ポンプ１０の駆動によって、循環水素用配管９を通って燃料電池本体２の水素極入口側へと循環され、水素供給装置７から供給される原料水素と合流するようになっている。したがって、燃料電池システム１では、水素供給装置７から供給される原料水素と水蒸気を多く含む循環水素との混合水素が、燃料電池本体２の水素極に供給されることになる。このように、燃料電池システム１では、水蒸気を多く含む循環水素を原料水素と混合して燃料電池本体２の水素極に供給することによって、燃料電池本体２の固体高分子膜を加湿するようにしている。なお、加湿効果を更に良好なものとするために、水素供給装置７の後段に加湿器を別途設置するようにしてもよい。このような加湿器を設置することで、燃料電池本体２の水素極には、加湿器を通過することで加湿された原料水素と循環水素との混合水素が供給されるようになり、燃料電池本体２の固体高分子膜を十分に加湿することができるようになる。
【００２３】
また、前記燃料電池システム１には、前記循環水素用配管９内の余剰水素ガスや水蒸気を大気中へ放出するためのパージバルブ１１が配設された排水素用配管１２が循環水素用配管９に分岐して設けられている。
【００２４】
そして、燃料電池本体２には、当該燃料電池本体２で発電した電力を消費する外部負荷１３が接続されている。具体的には、外部負荷１３として例えばインバータが燃料電池本体２に接続され、燃料電池本体２で発電した電力がこのインバータでエネルギ変換されて駆動モータ等へ供給されるようになっている。この駆動モータは、燃料電池システム１を車両に適用した場合には車両走行の動力として使用されることになる。本実施形態では、前記外部負荷１３に発電量が設定され、該発電量に基づき燃料電池本体２から負荷が負荷電流として取り出される。
【００２５】
燃料電池本体２と外部負荷１３との間には、電圧センサ１４と負荷電流センサ１５とが配設されており、電圧センサ１４によって燃料電池本体２における発電電圧が検出され、負荷電流センサ１５によって燃料電池本体２から外部負荷１３へと供給される負荷電流が検出されるようになっている。
【００２６】
また、燃料電池本体２には、該燃料電池本体２の動作温度を検出する温度センサ１６が配設されている。燃料電池システム１では、燃料電池本体２における反応時に熱が発生するが、図示を省略する冷却機構によって冷却されるとともに、前記温度センサ１６にて燃料電池本体２の動作温度が監視されることによって、最適な温度下での運転が可能とされる。
【００２７】
そして、燃料電池システム１は、本発明の要部となるコントローラ１７を備えている。このコントローラ１７は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ周辺回路等を備え、これらがバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有している。このコントローラ１７では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、図２に示すように、必要供給原料流量算出手段１８としての機能と、原料供給応答特性設定手段１９としての機能と、目標負荷取出し軌道設定手段２０としての機能と、負荷電流変化予測算出手段２１としての機能と、電圧変化予測算出手段２２としての機能と、目標負荷取出し軌道修正手段２３としての機能とが実現されるようになっている。
【００２８】
必要供給原料流量算出手段１８は、外部負荷１３にて要求され、該外部負荷１３に取り出されるべき負荷電流の電流値（目標負荷値）に基づいて、燃料電池本体２において該目標負荷値を得るために必要な原料ガス、具体的には水素或いは空気の供給流量を算出するものである。
【００２９】
また、原料供給応答特性設定手段１９は、前記必要供給原料流量算出手段１８にて算出された原料ガスの供給流量まで、実際の供給流量を増加させる場合の応答特性を、水素及び空気のそれぞれについて設定し、これらからさらに目標応答特性を設定するものである。目標応答特性は、例えば水素及び空気のそれぞれについて設定について設定された応答特性のうち、遅い方が選択されて設定される。
【００３０】
また、目標負荷取出し軌道設定手段２０は、前記原料供給応答特性設定手段１９にて設定された目標応答特性に基づいて、目標負荷値を外部負荷１３が取り出す軌道（目標負荷軌道）を設定するものである。
【００３１】
また、負荷電流変化予測算出手段２１は、前記目標負荷取出し軌道設定手段２０にて設定された目標負荷軌道に基づいて、将来の負荷電流の変化を算出するものである。
【００３２】
また、電圧変化予測算出手段２２は、前記負荷電流変化予測算出手段２１にて算出された目標負荷電流の変化と、その時の燃料電池本体２の状態とに基づいて、燃料電池本体２における将来の電圧変化を予測するものである。
【００３３】
また、目標負荷取出し軌道修正手段２３は、前記電圧変化予測算出手段２２にて予測された電圧変化の大きさに基づいて、前記目標負荷取出し軌道設定手段２０にて設定された目標負荷軌道を修正するものである。
【００３４】
燃料電池システム１では、前記コントローラ１７での処理により、原料ガスの目標応答特性に基づいて、外部負荷１３が目標負荷値を取り出す目標負荷軌道が設定される。そして、この目標負荷軌道から、負荷電流の変化と燃料電池本体２の電圧の変化とを予測し、この予測に基づいて前記目標負荷軌道を修正する必要がある場合には修正し、新たな軌道にて負荷電流が取り出されるようになっている。また、燃料電池システム１では、前記燃料電池本体２の電圧の変化の予測が、燃料電池本体２の状態、例えば温度センサ１６にて検出される動作温度等に応じて行われている。
【００３５】
以上のような燃料電池システム１によれば、原料ガスの目標応答特性から目標負荷軌道を設定するようにしたため、原料が必要量まで増加される際の該原料の応答に合わせて負荷取り出し、すなわち外部負荷１３への負荷電流の供給が行われる。したがって、負荷が過渡的に増加変化する際に、燃料電池本体２において原料不足による電圧低下を防止することができる。
【００３６】
また、燃料電池システム１によれば、燃料電池本体２の状態に基づいて予測された将来の電圧変化から外部負荷１３による負荷取出しが行われるため、目標負荷軌道がその時の燃料電池本体２の運転状態に適合しているかどうかを判断することができるようになる。そして、適合していない場合、具体的には、燃料電池本体２の電圧予測値が電圧下限値を下回るような場合には、外部負荷１３による負荷取出しの軌道が修正され、その新たな目標負荷軌道で負荷取出しが行われる。したがって、負荷が過渡的に増加変化する際に、その時の燃料電池本体２の運転状態に応じて応答良く負荷を取り出すことができるようになるとともに、燃料電池本体２の電圧が下限値以下となって電池自体にダメージを及ぼすことを防止することができる。
【００３７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照して説明する。この第２の実施形態の燃料電池システムは、基本構成が前記第１の実施形態の燃料電池システム１と同様であるが、コントローラ３０における処理内容が前記第１の実施形態の燃料電池システム１と異なるものである。以下、この第２の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラ３０の処理内容について説明する。なお、前記第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３８】
第２の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ３０は、前記燃料電池システム１が備えるコントローラ１７と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、コントローラ３０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、同図に示すように、前記コントローラ１７と同様に、必要供給原料流量算出手段１８としての機能と、原料供給応答特性設定手段１９としての機能と、目標負荷取出し軌道設定手段２０としての機能と、負荷電流変化予測算出手段２１としての機能と、電圧変化予測算出手段２２としての機能と、目標負荷取出し軌道修正手段２３としての機能とが実現されるようになっており、さらにこれら各機能に加え、電圧補正量算出手段３１としての機能と、負荷電流補正量算出手段３２としての機能とが実現されるようになっている。
【００３９】
電圧補正量算出手段３１は、前記電圧変化予測手段２２において予測された燃料電池本体２の電圧変化において所定の電圧下限値を下回ることがある場合に、燃料電池本体２の電圧が下限値以上となるように電圧の補正量を算出するものである。
【００４０】
また、負荷電流補正量算出手段３２は、前記電圧補正量算出手段３１で算出された電圧補正量と、その時の燃料電池本体２の状態とに基づく負荷電流の補正量を算出するものである。
【００４１】
そして、このコントローラ３０では、目標負荷取出し軌道修正手段２３が、負荷電流補正量算出手段３２で算出された負荷電流の補正量に基づいて、前記目標負荷取出し軌道設定手段２０にて設定された目標負荷軌道を修正する。
【００４２】
以上のようなコントローラ３０を有する燃料電池システムでは、コントローラ３０での処理により、燃料電池本体２での電圧変化が所定の電圧下限値を下回る場合に、下限値を上回るような電圧と負荷電流の補正量が算出される。そして、算出された負荷電流の補正量に基づいて目標負荷軌道が修正され、新たな目標負荷軌道にて負荷取出しが行われるようになっている。また、本実施形態の燃料システムでは、前記負荷電流の補正量の算出が、燃料電池本体２の状態に基づいて行われている。
【００４３】
以上のような第２の実施形態の燃料電池システムによれば、負荷が過渡的に増加変化する際に、燃料電池本体２における電圧変化の予測値が電圧下限値を下回るような場合であっても、常に下限値以上となるように、燃料電池本体２の状態に基づいて負荷取出しの軌道が修正されるため、燃料電池本体２において原料不足を起こし、電圧低下によって電池自体にダメージを及ぼすことを防止することができる。また、負荷が過渡的に増加変化する際に、燃料電池電圧が過渡的に低下することが防止できるとともに、負荷取り出し軌道の修正を最小限に抑えて負荷応答を必要以上に遅らせることがないようにすることができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図４を参照して説明する。この第３の実施形態の燃料電池システムは、基本構成が前記第１及び第２の実施形態の燃料電池システム１と同様であるが、コントローラ４０における処理内容が前記第１及び第２の実施形態と異なるものである。以下、この第３の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラ４０の処理内容について説明する。なお、前記第１及び第２の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４５】
第３の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ４０は、前記燃料電池システム１が備えるコントローラ１７と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。そして、コントローラ４０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、同図に示すように、前記のような必要供給原料流量算出手段１８としての機能と、原料供給応答特性設定手段１９としての機能と、目標負荷取出し軌道設定手段２０としての機能と、負荷電流変化予測算出手段２１としての機能と、電圧変化予測算出手段２２としての機能と、目標負荷取出し軌道修正手段２３としての機能と、電圧補正量算出手段３１としての機能と、負荷電流補正量算出手段３２としての機能とが実現されるようになっており、これら各機能に加え水素供給量補正手段４１としての機能と、水素供給応答特性修正手段４２としての機能と、空気供給量補正手段４３としての機能と、空気供給応答特性修正手段４４としての機能と、原料応答特性修正手段４５としての機能とが実現されるようになっている。
【００４６】
水素供給量補正手段４１は、前記負荷電流補正量算出手段３２の算出結果によって補正される前の、負荷電流変化予測手段２１において変化が予測される負荷電流と、実際の負荷電流、具体的には負荷電流センサ１５にて検出された負荷電流とが一致するように、燃料電池本体２に供給される水素流量を補正するものである。このように水素供給量補正手段４１において水素流量を補正するために実行される補正操作としては、パージバルブ１１の開度操作、水素循環ポンプ１０の回転数操作及び水素供給バルブ８の開度操作があり、水素供給量補正手段４１では、これら各操作のうちから一つ以上の操作を選択し、選択されたパージバルブ１１、水素循環ポンプ１０或いは水素供給バルブ８の操作量を算出する。
【００４７】
また、水素供給応答特性修正手段４２は、前記水素供給量補正手段４１にて選択された補正操作に基づいて、前記原料供給応答特性設定手段１９にて設定された水素の応答特性を修正するものである。
【００４８】
また、空気供給量補正手段４３は、前記負荷電流補正量算出手段３２の算出結果によって補正される前の、負荷電流変化予測手段２１において変化が予測される負荷電流と、実際の負荷電流とが一致するように、燃料電池本体２に供給される空気流量を補正するものである。このように空気供給量補正手段４３において空気流量を補正するために実行される補正操作としては、空気供給装置４の回転数操作や空気極圧力調整バルブの開度操作があり、空気供給量補正手段４３では、これら各操作のうちから一つ以上の操作を選択し、選択された空気供給装置４や空気極圧力調整バルブの操作量を算出する。
【００４９】
また、空気供給応答特性修正手段４４は、前記空気供給量補正手段４３にて選択された補正操作に基づいて、前記原料供給応答特性設定手段１９にて設定された空気の応答特性を修正するものである。
【００５０】
また、原料応答特性修正手段４５は、前記水素供給応答特性修正手段４２で修正された水素の応答特性と、前記空気供給応答特性修正手段４４で修正された空気の応答特性とのうち、より遅い応答特性を選択し、その選択した応答特性に前記原料供給応答特性設定手段１８にて設定された目標応答特性を修正するものである。
【００５１】
以上のようなコントローラ４０を有する燃料電池システムでは、コントローラ４０での処理により、燃料電池本体２での電圧変化が所定の電圧下限値を下回る場合、目標負荷軌道が修正されるだけでなく、修正前の目標負荷軌道を実現する原料流量となるように、原料流量を増加するような流量の補正操作が実行され、各原料の応答特性が流量増加後の応答特性に修正される。そして、これら新たな各原料の応答特性のうち遅い方の応答特性が新たな目標応答特性として設定される。
【００５２】
ここで、以上のようなコントローラ４０による処理の一例について、図５のフローチャートを参照して具体的に説明する。
【００５３】
まず、一回でもこの動作フローが実行されたか否かを判定するフラグ（ＦＬＡＧ＿Ａ）がチェックされる（ステップＳ１）。前記フラグの値が１の場合、すなわち１回以上、この動作フローが実行されている場合には、後述するステップＳ４へと進む。前記フラグの値が０の場合、すなわちこの動作フローが１回も実行されていない場合には、コントローラ４０が原料供給応答特性設定手段１９として機能して、原料ガスの目標応答特性が設定される（ステップＳ２）。この目標応答特性は、本実施形態では必要供給原料流量算出手段１８として機能したコントローラ４０において目標負荷値と原料ストイキ比とから算出される必要な原料流量に基づいて算出される。
【００５４】
なお、本実施形態では、予め実験で各原料の応答特性を測定して、一次遅れ特性で近似して記憶させておき、これらに基づき前記ステップＳ２における目標応答特性の設定が行われる。また、前記必要な原料流量は、下記式（１）或いは式（２）を用いて算出する。
【００５５】
必要な水素流量［Ｌ／ｍｉｎ］＝反応に必要な水素流量［Ｌ／ｍｉｎ］×水素ストイキ比・・・式（１）
但し、反応に必要な水素流量［Ｌ／ｍｉｎ］＝負荷電流［Ａ］×係数×セル数とする。ここで、係数＝０．００６９６＝（１/ファラデー定数）／２×２２．４［Ｌ／ｍｏｌ］×６０、セル数＝２７０であり、ファラデー定数＝９．６４８４５６×１０４［ｃ／ｍｏｌ］である。
【００５６】
必要な空気流量［Ｌ／ｍｉｎ］＝反応に必要な空気流量［Ｌ／ｍｉｎ］×空気ストイキ比・・・式（２）
但し、反応に必要な空気流量［Ｌ／ｍｉｎ］＝反応に必要な酸素流量［Ｌ／ｍｉｎ］／空気中の酸素の割合とし、反応に必要な酸素流量［Ｌ／ｍｉｎ］＝係数×負荷電流［Ａ］×セル数、空気中の酸素の割合＝０．２１とする。ここで、係数＝０．０３４８＝０．０６９２／２、セル数＝２７０である。
【００５７】
ここで、これら水素と空気とのうち、遅いほうの応答特性が目標応答特性として設定されるが、どちらの応答が速いかはシステム構成により依存する。通常、コンプレッサやブロワ等からなる空気供給装置によって供給される空気の方が応答が遅く、本実施形態でも空気の方が水素よりも応答が遅いため、この空気の供給応答特性が前記ステップＳ２における目標応答特性として設定される。
【００５８】
次に、コントローラ４０が目標負荷取出し軌道設定手段２０として機能し、前記ステップＳ２にて設定された目標応答特性と一致する応答特性の負荷軌道が目標負荷軌道として設定される（ステップＳ３）。本実施形態では、前記目標応答特性が一次遅れ関数で近似したので、目標負荷軌道も同じ時定数を有する一次遅れ関数として設定される。
【００５９】
次に、コントローラ４０が負荷電流変化予測算出手段２１として機能し、前記ステップＳ３にて設定された目標負荷軌道に基づいて、将来の負荷電流の変化（目標負荷電流）が予測、算出される（ステップＳ４）。本実施形態では、前記目標負荷軌道が一次遅れ関数なので、目標負荷電流は時系列に算出することができる一次遅れ関数となる。このため、目標負荷電流は、前記負荷電流変化予測算出手段２１にて所定の将来時刻まで予測され、且つ算出することが可能となる。
【００６０】
次に、コントローラ４０が電圧変化予測算出手段２２として機能し、前記ステップＳ４にて予測、算出された目標負荷電流の予測値を用いて、燃料電池本体２における電圧の変化が予測される（ステップＳ５）。本実施形態では、燃料電池システムの電流電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を参照することによって、前記電圧の変化を予測している。Ｉ−Ｖ特性は、図６に示すように、燃料電池本体２の動作温度に応じて複数用意しておけば、例えば温度センサ１６にて検出される燃料電池本体２の動作温度に応じて電圧の変化を予測することができる。
【００６１】
そして、前記電圧の変化が、下限値を下回ることがあるかどうかが判定される（ステップＳ６）。下限値を下回ることがない場合には、次の制御周期にて再度ステップＳ２から処理が開始されるように識別変数ＦＬＡＧ＿Ａに０を代入して（初期化）（ステップＳ７）、以降再び各処理が繰り返されるよう処理される。これに対し、下限値を下回ることがある場合には、コントローラ４０が電圧補正量算出手段３１として機能し、燃料電池本体２の電圧を下限値以上とする電圧の補正量が算出される（ステップＳ８）。
【００６２】
次に、コントローラ４０が負荷電流補正量算出手段３２として機能し、前記ステップＳ８にて算出された電圧補正量に基づいて負荷電流補正量が算出される（ステップＳ９）。本実施形態では、この負荷電流補正量の算出は、前記ステップＳ５での電圧変化予測と同様に、燃料電池システムのＩ−Ｖ特性（図６参照）を参照して算出するようにしている。
【００６３】
その後、コントローラ４０が目標負荷取出し軌道修正手段２３として機能し、前記ステップＳ９にて算出された負荷電流補正量に基づいて、前記ステップＳ３にて設定した目標負荷軌道が修正される（ステップＳ１０）。本実施形態では、図７に示すように、目標負荷電流の軌道と目標負荷軌道とは同じ応答特性を有しているため、まず負荷電流補正量に基づいてステップＳ４で算出された目標負荷電流を修正し、この修正した目標負荷電流の軌道の応答特性の形状を、目標負荷軌道の応答特性とするようにして目標負荷軌道を修正している。
【００６４】
さらに、コントローラ４０においては、目標負荷軌道の修正とともに、前記ステップＳ２にて設定された原料ガスの供給流量の目標応答特性の修正が行われる。まず、コントローラ４０では、水素供給量補正手段４１として機能することによって、前記ステップＳ９にて算出された負荷電流補正量による補正前、すなわち前記ステップＳ４にて算出された目標負荷電流と、負荷電流センサ１５にて検出された実際の負荷電流とを一致させるために実行される水素流量の補正操作が選択され、その選択操作における操作量が算出される（ステップＳ１１）。本実施形態では、パージバルブ１１の開度操作、水素循環ポンプ１０の回転数操作及び水素供給バルブ８の開度操作のうち、パージバルブ１１の開度操作が選択されて実行される。また、このパージバルブ１１の開度操作が飽和した場合、すなわちパージバルブ１１を最大開度となるまで操作しても前記ステップＳ４にて算出された目標負荷電流と実際の負荷電流とが一致せず水素流量が不足する場合には、水素循環ポンプ１０の回転数操作が実行され、水素循環ポンプ１０の回転数操作が飽和した場合には、水素供給バルブ８の開度操作が実行されるようになされている。
【００６５】
なお、本実施形態では、負荷電流の補正（ステップＳ９）によって応答が遅くなった分を補償することに重点を置き、この応答遅延が効率よく解消されるように水素供給応答（システム構成により異なるので予め実験を行って調べておく）が速い順に前記各補正操作を選択して実行しているが、このような順番に限定されるものではなく、例えば燃費に重点を置いて消費電力の少ない順に選択するようにしてもよい。
【００６６】
次に、コントローラ４０が水素供給応答特性修正手段４２として機能し、前記ステップＳ１１にて算出された操作量の補正操作に基づいて、前記目標応答特性の設定に際して用いられた水素の応答特性が修正される（ステップＳ１２）。本実施形態では、予め実験から応答特性を測定しておき、これをコントローラ４０に記憶させておいて参照するようにしている。
【００６７】
そして、コントローラ４０においては、前記水素の応答特性の修正だけでなく、空気の応答特性の修正も行われる。コントローラ４０では、空気供給量補正手段４３として機能することによって、前記ステップＳ４にて算出された目標負荷電流と実際の負荷電流とを一致させるために実行される空気流量の補正操作が選択され、その選択操作における操作量が算出される（ステップＳ１３）。このステップＳ１３では、空気供給装置４の回転数操作や空気極圧力調整バルブの開度操作のうち、一つ以上の操作を選択するが、本実施形態では空気極圧力調整バルブを設けていないので、空気供給装置４の回転数操作が実行される。なお、空気極圧力調整バルブが設けられており、且つ負荷電流の補正（ステップＳ９）によって応答が遅くなった分を補償することに重点を置く場合には、まず空気極圧力調整バルブの開度操作を選択して実行し、この空気極圧力調整バルブの開度操作が飽和したら空気供給装置４の回転数操作を実行するようにしてもよく、燃費に重点を置いて消費電力の少ない順に選択するようにしてもよい。
【００６８】
次に、コントローラ４０が空気供給応答特性修正手段４４として機能し、前記ステップＳ１３にて算出された操作量の補正操作に基づいて、前記目標応答特性の設定に際して用いられた空気の応答特性が修正される（ステップＳ１４）。本実施形態では、予め実験から応答特性を測定しておき、これをコントローラ４０に記憶させておいて参照するようにしている。
【００６９】
そして、コントローラ４０が原料応答特性修正手段４５として機能し、前記ステップ１２で修正された水素の応答特性と前記ステップＳ１４で修正された空気の応答特性とが比較され、より遅いほうの応答特性が選択されて、前記ステップＳ２にて設定された目標応答特性と入れ替えることによって目標応答特性が修正される（ステップＳ１５）。
【００７０】
最後に、次の制御周期にてステップＳ４から処理が開始されるように識別変数ＦＬＡＧ＿Ａに１が代入され（ステップＳ１６）、以降再び各処理が繰り返されるよう処理される。
【００７１】
以上のような第３の実施形態の燃料電池システムによれば、負荷電流補正量算出手段３２による補正前に負荷電流変化予測算出手段２１の出力と、負荷電流センサ１５にて検出された実際の負荷電流とが一致するように、複数ある補正操作から一つ以上を選択して実行し、原料ガスの供給流量を補正するようにしたため、負荷が過渡的に増加変化した場合でも、燃料電池本体２における原料不足を低減することができる。
【００７２】
また、目標負荷軌道の修正とともに、原料流量の目標応答特性の修正を行うようにしたため、修正前に目標負荷軌道に応じた速い応答が実現され、負荷が過渡的に増加変化した場合の燃料電池本体２における原料不足をより効果的に低減することができるようになるとともに、原料ガスの流量を増加する補正後には目標応答特性を速くすることが可能となり、原料不足に起因する電圧低下によって電池自体にダメージを及ぼすことを防止でき、且つ負荷応答を必要以上に遅らせることがないようにすることができる。
【００７３】
さらに、複数の補正操作、具体的には水素流量の補正する場合にはパージバルブ１１の開度操作、水素循環ポンプ１０の回転数操作及び水素供給バルブ８の開度操作、空気流量を補正する場合には空気供給装置４の回転数操作や空気極圧力調整バルブの開度操作のうちから一つ以上を選択して実行するようにしたため、ある一つの操作範囲が飽和に達した場合でも、引き続き他の操作を実行することによって、より大きな負荷変化にも対応することができるようになり、対応可能な負荷変化の範囲を拡大することができる。
【００７４】
また、水素供給量補正手段４１及び空気供給量補正手段４３によって各原料流量を増加するよう補正した場合、例えばパージバルブ１１の開度を増加するようにすると、燃料電池本体２の水素極の入口側と出口側の圧力差が拡大し、水素供給応答特性が速くなるよう作用する。同様な作用は、水素循環ポンプ１０の回転数等を増加した場合や、空気流量を増加するように補正操作を実行した場合にもみられる。本実施形態では、このような各原料ガスの応答特性が速くなるような補正操作を実行した場合であっても、水素供給応答特性修正手段４２及び空気供給応答特性修正手段４４によって前述のような応答変化を考慮して各原料の応答特性が修正されるため、原料ガスの増加変化が燃料電池本体２に到達するまでの時間遅れを修正することができるようになる。また、本実施形態では、負荷取り出しの目標負荷軌道が目標応答特性に基づいて設定されているため、前述のように各原料ガスの応答特性を修正することで、負荷応答を必要以上に遅らせることがないようにすることができる。また、原料応答特性修正手段４５によって、新たな水素の応答特性と空気の応答特性とのうち遅いほうが選択されて目標応答特性とされるため、燃料電池本体２において水素不足のみが起こる、或いは空気不足のみが起こるといった一方の原料は十分に供給されているが、他方の原料が不足するという事態の発生を防止することができるようになる。
【００７５】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について図８を参照して説明する。この第４の実施形態の燃料電池システムは、基本構成が前記第１乃至第３の実施形態の燃料電池システム１と同様であるが、コントローラ５０における処理内容が前記各実施形態と異なるものである。以下、この第４の実施形態の燃料電池システムの特徴点であるコントローラ５０の処理内容について説明する。なお、前記各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００７６】
第４の実施形態の燃料電池システムが備えるコントローラ５０は、前記燃料電池システム１が備えるコントローラ１７と同様のマイクロプロセッサ構成を有している。コントローラ５０では、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することによって、同図に示すように、前記のような必要供給原料流量算出手段１８としての機能と、原料供給応答特性設定手段１９としての機能と、目標負荷取出し軌道設定手段２０としての機能と、負荷電流変化予測算出手段２１としての機能と、電圧変化予測算出手段２２としての機能と、目標負荷取出し軌道修正手段２３としての機能と、電圧補正量算出手段３１としての機能と、負荷電流補正量算出手段３２としての機能と、水素供給量補正手段４１としての機能と、水素供給応答特性修正手段４２としての機能と、空気供給量補正手段４３としての機能と、空気供給応答特性修正手段４４としての機能と、原料応答特性修正手段４５としての機能とが実現されるようになっており、これら各機能に加え目標電圧軌道設定手段５１としての機能と、負荷制御モード選択手段５２としての機能が実現されるようになっている。
【００７７】
目標電圧軌道設定手段５１は、前記電圧補正量算出手段３１によって算出された電圧補正量に基づいて目標電圧軌道を設定するものである。
【００７８】
負荷制御モード選択手段５２は、前記電圧補正量算出手段３１によって算出された電圧補正量に応じて、前記目標負荷取出し軌道修正手段２３又は前記目標電圧軌道設定手段５１の何れを実行するかを選択するものである。具体的には、負荷制御モード選択手段５２は、電圧補正量が所定値を超える場合には目標電圧軌道設定手段５１を選択して実行するようにし、電圧補正量が所定値を超えない場合には目標負荷取出し軌道修正手段２３を選択して実行するようにする。
【００７９】
以上のようなコントローラ５０を有する燃料電池システムでは、コントローラ５０での処理により、電圧補正量が所定値を超える場合に、前述の第２及び第３の実施形態における負荷電流の補正量に基づく目標負荷軌道の修正は実行されず、目標電圧軌道設定手段５１にて設定された目標電圧軌道に基づいて水素供給量補正手段４１及び空気供給量補正手段４３での補正操作の操作量の算出が行われる。このとき、水素供給量補正手段４１及び空気供給量補正手段４３では、前記目標電圧軌道と実際の燃料電池本体２の電圧、具体的には電圧センサ１４にて検出された電圧とが一致するように一つ以上の補正操作が選択され、その操作量が算出される。
【００８０】
ここで、以上のようなコントローラ５０による処理の一例について、図９のフローチャートを参照して具体的に説明する。
【００８１】
まず、図示は省略しているが、この動作フローが実行されたか否かを判定するフラグ（ＦＬＡＧ＿Ａ）がチェックされ、このフラグの値が０の場合には原料ガスの目標応答特性が設定される（ステップＳ２１）。次に、目標負荷軌道が設定され（ステップＳ２２）、この目標負荷軌道に基づいて目標負荷電流が算出される（ステップＳ２３）。そして、目標負荷電流の予測値を用いて、燃料電池本体２における電圧の変化が予測され（ステップＳ２４）、この電圧の変化が、下限値を下回ることがあるかどうかが判定される（ステップＳ２５）。下限値を下回ることがない場合には、次の制御周期にて再度ステップＳ２３から処理が開始されるように識別変数ＦＬＡＧ＿Ａに０を代入して（初期化）（ステップＳ２６）、以降再び各処理が繰り返されるよう処理され、下限値を下回ることがある場合には、燃料電池本体２の電圧を下限値以上とする電圧の補正量が算出される（ステップＳ２７）。
【００８２】
そして、前記ステップＳ２７にて算出された電圧補正量が所定値を超えるかどうかが判定される（ステップＳ２８）。電圧補正量が所定値を超える場合には、まず、コントローラ５０が負荷制御モード選択手段５２として機能し、目標電圧軌道設定手段５１としての機能を実行することを選択する。そして、コントローラ５０が目標電圧軌道設定手段５１として機能することにより、燃料電池本体２の電圧を下限値以上に復帰させる目標電圧軌道が設定される（ステップＳ２９）。本実施形態では、図１０に示す燃料電池システムのＩ−Ｖ特性を参照することによって、目標電圧軌道を算出し、設定している。
【００８３】
次に、コントローラ５０が水素供給量補正手段４１として機能し、前記ステップＳ２９にて設定された目標電圧軌道と電圧センサ１４にて検出された実際の燃料電池本体２の電圧とを一致させるために実行される水素流量の補正操作が選択され、その選択操作における操作量が算出される（ステップＳ３０）。なお、前記補正操作は、第３の実施形態における補正操作と同様である。そして、この操作量の補正操作に基づいて水素の応答特性が修正される（ステップＳ３１）。
【００８４】
次に、コントローラ５０では、目標電圧軌道と実際の燃料電池本体２の電圧とを一致させるために実行される空気流量の補正操作が選択され、その選択操作における操作量が算出される（ステップＳ３２）そして、この操作量の補正操作に基づいて空気の応答特性が修正される（ステップＳ３３）。さらに、前記ステップ３１で修正された水素の応答特性と前記ステップＳ３３で修正された空気の応答特性とが比較され、より遅いほうの応答特性が選択されて、前記ステップＳ２１にて設定された目標応答特性と入れ替えることによって目標応答特性が修正され（ステップＳ３４）、その後、次の制御周期にてステップＳ２３から処理が開始されるように識別変数ＦＬＡＧ＿Ａに１が代入され（ステップＳ３５）、以降再び各処理が繰り返されるよう処理される。
【００８５】
また、電圧の補正量が所定値を超えない場合には、まず、コントローラ５０が負荷制御モード選択手段５２として機能し、負荷電流補正量算出手段３２としての機能を実行することを選択する。そして、コントローラ５０が負荷電流補正量算出手段３２として機能し、前記ステップＳ２７にて算出された電圧補正量に基づいて負荷電流補正量が算出される（ステップＳ３６）。その後、コントローラ５０が目標負荷取出し軌道修正手段２３として機能して、目標負荷軌道が修正され（ステップＳ３７）、以降は前記ステップＳ３０乃至ステップＳ３５の処理が実行される。なお、負荷制御モード選択手段６１にて負荷電流補正量算出手段３２が選択された場合には、ステップＳ３０とステップＳ３２とでは目標負荷電流と実際の負荷電流とを一致させるために実行される補正操作が選択され、その選択操作における操作量が算出される。
【００８６】
以上のような第４の実施形態の燃料電池システムによれば、負荷が過渡的に増加変化する際に、燃料電池本体２の原料不足を低減することができる。また、電圧補正量が所定値を超える場合、すなわち電圧低下が著しい状況になっている場合には、目標電圧軌道設定手段５１を選択して燃料電池本体２の電圧低下防止に重点を置いた制御が実行されるため、燃料電池本体２の電圧が下限値を下回ることで電池自体にダメージを及ぼすことをより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラで実現される各機能を示す機能ブロック図である。
【図３】第２の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラで実現される各機能を示す機能ブロック図である。
【図４】第３の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラで実現される各機能を示す機能ブロック図である。
【図５】第３の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラによる処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】第３の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラにおいて、電圧変化を予測する方法を説明するための図である。
【図７】第３の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラにおいて、目標負荷軌道を修正する方法を説明するための図である。
【図８】第４の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラで実現される各機能を示す機能ブロック図である。
【図９】第４の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラによる処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】第４の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラにおいて、目標電圧軌道を算出、設定する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１燃料電池システム
２燃料電池本体
４空気供給装置
７水素供給装置
１０水素循環ポンプ
１１パージバルブ
１３外部負荷
１４電圧センサ
１５負荷電流センサ
１７、３０、４０、５０コントローラ
１８必要供給原料流量算出手段
１９原料供給応答特性設定手段
２０目標負荷取出し軌道設定手段
２１負荷電流変化予測算出手段
２２電圧変化予測算出手段
２３目標負荷取出し軌道修正手段
３１電圧補正量算出手段
３２負荷電流補正量算出手段
４１水素供給量補正手段
４２水素供給応答特性修正手段
４３空気供給量補正手段
４４空気供給応答特性修正手段
４５原料応答特性修正手段
５１目標電圧軌道設定手段
５２負荷制御モード選択手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that supplies hydrogen and air to a fuel cell body to generate power, and in particular, a hydrogen circulation type fuel cell system that circulates unused hydrogen in the fuel cell body to the inlet side of the fuel cell body. About.
[0002]
[Prior art]
In the fuel cell system, hydrogen gas and air are supplied to the hydrogen electrode and the air electrode of the fuel cell main body, respectively, and hydrogen and oxygen are reacted electrochemically in the fuel cell main body to obtain generated power. Such a fuel cell system is highly expected to be put into practical use, for example, as a power source for automobiles. Currently, research and development for practical use is actively performed.
[0003]
As a fuel cell main body used in a fuel cell system, a solid polymer type fuel cell main body is known as one particularly suitable for mounting in an automobile. In this solid polymer type fuel cell body, a membrane solid polymer is provided between a hydrogen electrode and an air electrode, and this solid polymer membrane functions as a hydrogen ion conductor. ing. In this solid polymer type fuel cell body, a reaction occurs in which hydrogen gas is separated into hydrogen ions and electrons at the hydrogen electrode, and water is generated from oxygen gas, hydrogen ions, and electrons at the air electrode. . At this time, the solid polymer film functions as an ionic conductor, and hydrogen ions move through the solid polymer film toward the air electrode.
[0004]
By the way, in order for the solid polymer film to function as an ion conductor, it is necessary to include a certain amount of moisture in the solid polymer film. For this reason, in a fuel cell system using such a solid polymer type fuel cell main body, the solid polymer membrane of the fuel cell main body is supplied by supplying hydrogen gas to the fuel cell main body while being humidified by a humidifier. It is generally performed to humidify.
[0005]
Further, as an effective method for humidifying the solid polymer membrane, a hydrogen circulation type fuel cell system is known in which unused hydrogen gas in the fuel cell body is circulated again to the fuel cell body for reuse. Yes. In this hydrogen circulation type fuel cell system, a little more hydrogen gas than the amount of hydrogen required for electric power consumed by a load connected to the outside of the fuel cell body (hereinafter referred to as an external load) is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell body. Then, unused hydrogen gas is discharged from the hydrogen electrode outlet, and this exhausted hydrogen (hereinafter referred to as circulating hydrogen) is returned to the hydrogen electrode inlet of the fuel cell main body for reuse. Since the circulating hydrogen discharged from the hydrogen electrode outlet contains a lot of water vapor, the circulating hydrogen containing a lot of water vapor is mixed with the dry hydrogen from the hydrogen tank and supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell body. As a result, the solid polymer membrane of the fuel cell body is humidified.
[0006]
In the hydrogen circulation type fuel cell system described above, a slightly larger amount of hydrogen gas than the amount of hydrogen required for the electric power consumed by the external load is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell main body. Therefore, the flow rate of hydrogen supplied to the hydrogen electrode is larger than the amount of hydrogen necessary for power generation. At this time, if only the amount of hydrogen necessary for power generation is supplied to the hydrogen electrode, hydrogen will not efficiently reach the cells near the hydrogen electrode outlet and the power generation efficiency will be reduced. By supplying more hydrogen gas than the amount to the hydrogen electrode, power generation in all the cells of the fuel cell system can be performed with high efficiency. In the fuel cell system, the same can be said for the air electrode. Therefore, not only the amount of oxygen (air) necessary for power generation is supplied, but a little extra oxygen is supplied to the air electrode. The ratio of the amount of hydrogen (air) actually supplied to the amount of hydrogen (air) required for power generation is usually called the raw material stoichiometric ratio, but this raw material stoichiometric ratio is set to an optimum value of 1 or more for the above reason. Has been.
[0007]
However, even when the raw material stoichiometric ratio is set to an optimum value, more hydrogen and air are required when the external load increases rapidly. Such a change in the raw material increases because there is a time delay until it reaches the fuel cell electrode, and thus a shortage of the raw material occurs transiently in the fuel cell electrode, causing a decrease in the generated voltage. Even when a transient shortage of raw materials occurs in this way, the external load usually tries to take out constant power. Therefore, when the generated voltage decreases as described above, a large amount of load current is taken out to make the load constant. It becomes like this. When the load current increases, a voltage drop occurs due to the action of the internal resistance of the fuel cell main body, which causes a further voltage drop. Due to such a vicious cycle, the voltage lowers below the lower limit value, which may damage the fuel cell body. For this reason, when driving an external load with a fuel cell, it is necessary to consider the fuel cell voltage simultaneously with the load current, especially during a transient when the external load increases rapidly.
[0008]
As a method of operating the fuel cell during the transition, a method is known in which the load current extraction amount is limited so that the load current extracted from the fuel cell main body has a desired trajectory (see, for example, Patent Document 1). .
[0009]
[Patent Document 1]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-57553
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, even when only the load current is limited as in Patent Document 1, a shortage of the raw material may occur transiently due to a time delay of the increase in the raw material during a sudden change in the operating load, causing a decrease in the generated voltage. As described above, since the external load keeps taking out a constant load, the load current increases, which further causes a voltage drop. When such a voltage drop is significant, the voltage lowers below the lower limit value, which may damage the fuel cell body.
[0011]
By the way, in order to prevent the shortage of raw materials in the fuel cell, it is sufficient to take out the load slowly, but the response performance deteriorates. On the contrary, if the load is taken out rapidly in order to improve the response performance, the above-mentioned raw material shortage is caused. Since the characteristics of the battery change over time and change according to the operating state of the battery, it is necessary to achieve both a load take-out response corresponding to the operating state at that time and prevention of damage due to the voltage drop.
[0012]
Therefore, the present invention provides a fuel cell system that can prevent a voltage drop due to a shortage of raw materials and cause a voltage lower than a lower limit value when an external load increases, and can take out a load current with good response. For the purpose.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell main body, a hydrogen supply device that supplies hydrogen as a raw material gas to the fuel cell main body, an air supply device that supplies air as a raw material gas to the fuel cell main body, Necessary supply raw material flow rate calculation means for calculating a supply flow rate of the required raw material gas to the fuel cell main body based on a predetermined load current, and each raw material gas when the actual supply flow rate increases to the required supply flow rate Raw material supply response characteristic setting means for setting a target response characteristic based on the response characteristic; target load extraction trajectory setting means for setting a trajectory for extracting the predetermined load current from the fuel cell main body based on the target response characteristic; Load current change prediction calculating means for calculating a change in the future load current based on the trajectory for taking out the predetermined load current, the change in the future load current and the fuel cell book And a target load for correcting the trajectory set by the target load take-out trajectory setting means based on the magnitude of the voltage change. And a take-out trajectory correcting means. The predetermined load current is extracted from the fuel cell main body in a new trajectory corrected by the target load extraction trajectory correcting means.
[0014]
In the fuel cell system according to the present invention described above, the target load trajectory is set and corrected based on the target response characteristics of the source gas, so that the source gas responds to the response of the source gas when it is increased to the required supply flow rate. The load current is taken out. Further, according to the present invention, the load current extraction trajectory set in advance is corrected based on the future voltage change predicted based on the state of the fuel cell main body, and the load extraction trajectory is the fuel cell at that time. It is possible to determine whether or not it is suitable for the operating state of the main body. If not, specifically, if the predicted voltage value of the fuel cell body is lower than the voltage lower limit value, a predetermined load current extraction trajectory set in advance is corrected.
[0015]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, since the load current is taken out in accordance with the response of the raw material gas, the shortage of the raw material in the fuel cell main body can be prevented when the load changes transiently. Further, it is possible to prevent a voltage drop of the fuel cell main body due to the shortage of raw materials.
[0016]
Further, according to the fuel cell system, when the load changes in a transient manner, the load can be taken out with good response according to the operating state of the fuel cell main body at that time, and the voltage of the fuel cell main body is increased. It becomes possible to prevent the battery itself from being damaged below the lower limit value.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0018]
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fuel cell system 1 of the first embodiment includes a solid polymer type fuel cell main body 2 having a solid polymer film as an electrolyte. The fuel cell main body 2 generates electricity by electrochemically reacting oxygen in the air supplied to the air electrode as a raw material gas and hydrogen supplied to the hydrogen electrode.
[0019]
In the fuel cell main body 2, an air supply device 4 such as a compressor or a blower is connected to an air electrode inlet via an air supply pipe 3. The air whose flow rate and pressure are adjusted by the air supply device 4 is supplied to the air electrode inlet of the fuel cell main body 2 through the air supply pipe 3.
[0020]
In the fuel cell system 1, not all of the air supplied from the air electrode inlet is consumed, but oxygen remaining without being consumed and other components in the air are discharged from the exhaust air pipe 5 as exhaust air. . The exhaust air pipe 5 is open to the atmosphere, and the exhaust air is released into the atmosphere.
[0021]
In addition, the fuel cell main body 2 is connected to a hydrogen electrode inlet via a hydrogen supply pipe 6, for example, a hydrogen supply device 7 composed of a hydrogen tank or the like. A hydrogen supply valve 8 is arranged in the middle of the hydrogen supply pipe 6, and a target flow rate of hydrogen gas (hereinafter referred to as raw material hydrogen) is supplied from the hydrogen supply device 7 to the hydrogen electrode inlet side of the fuel cell body 2. It can be supplied.
[0022]
The fuel cell system 1 is configured as a hydrogen circulation type, and is a circulating hydrogen pipe that serves as a path for exhaust hydrogen (circulated hydrogen) discharged from the fuel cell main body 2 without being used for power generation in the fuel cell main body 2. 9 is provided. A hydrogen circulation pump 10 is disposed in the middle of the circulation hydrogen pipe 9, and circulating hydrogen containing a large amount of water vapor discharged from the fuel cell main body 2 is circulated by the hydrogen circulation pump 10. It is circulated to the hydrogen electrode inlet side of the fuel cell main body 2 through the pipe 9 for use and joins the raw material hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7. Therefore, in the fuel cell system 1, the mixed hydrogen of the raw hydrogen supplied from the hydrogen supply device 7 and the circulating hydrogen containing a large amount of water vapor is supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell main body 2. Thus, in the fuel cell system 1, the solid hydrogen film of the fuel cell main body 2 is humidified by mixing the circulating hydrogen rich in water vapor with the raw material hydrogen and supplying it to the hydrogen electrode of the fuel cell main body 2. ing. In addition, in order to further improve the humidification effect, a humidifier may be separately installed at the subsequent stage of the hydrogen supply device 7. By installing such a humidifier, the hydrogen electrode of the fuel cell main body 2 is supplied with the mixed hydrogen of the raw material hydrogen and the circulating hydrogen that are humidified by passing through the humidifier. The solid polymer film of the main body 2 can be sufficiently humidified.
[0023]
Further, in the fuel cell system 1, an exhaust hydrogen pipe 12 provided with a purge valve 11 for releasing surplus hydrogen gas and water vapor in the circulating hydrogen pipe 9 into the atmosphere is a circulating hydrogen pipe. 9 It is branched and provided.
[0024]
The fuel cell body 2 is connected to an external load 13 that consumes the power generated by the fuel cell body 2. Specifically, for example, an inverter is connected to the fuel cell main body 2 as the external load 13, and power generated by the fuel cell main body 2 is converted into energy by the inverter and supplied to a drive motor or the like. This drive motor is used as power for driving the vehicle when the fuel cell system 1 is applied to a vehicle. In the present embodiment, a power generation amount is set for the external load 13, and the load is taken out as a load current from the fuel cell main body 2 based on the power generation amount.
[0025]
A voltage sensor 14 and a load current sensor 15 are arranged between the fuel cell main body 2 and the external load 13, and the generated voltage in the fuel cell main body 2 is detected by the voltage sensor 14, and the load current sensor 15 A load current supplied from the fuel cell main body 2 to the external load 13 is detected.
[0026]
The fuel cell main body 2 is provided with a temperature sensor 16 that detects the operating temperature of the fuel cell main body 2. In the fuel cell system 1, heat is generated during the reaction in the fuel cell main body 2, but it is cooled by a cooling mechanism (not shown) and the operating temperature of the fuel cell main body 2 is monitored by the temperature sensor 16. Operation at an optimum temperature is possible.
[0027]
And the fuel cell system 1 is provided with the controller 17 used as the principal part of this invention. The controller 17 includes a CPU, a ROM, a RAM, a CPU peripheral circuit, and the like, and has a microprocessor configuration in which these are connected via a bus. In the controller 17, the CPU executes a control program stored in the ROM using the RAM as a work area, and as shown in FIG. A function as the characteristic setting means 19, a function as the target load take-out trajectory setting means 20, a function as the load current change prediction calculation means 21, a function as the voltage change prediction calculation means 22, and a target load take-out trajectory correction means 23 as a function is realized.
[0028]
The required feed flow rate calculation means 18 obtains the target load value in the fuel cell body 2 based on the current value (target load value) of the load current that is requested by the external load 13 and should be taken out to the external load 13. For this purpose, the supply flow rate of the raw material gas, specifically hydrogen or air, is calculated.
[0029]
Further, the raw material supply response characteristic setting means 19 shows the response characteristics when the actual supply flow rate is increased up to the supply flow rate of the raw material gas calculated by the necessary supply raw material flow rate calculation means 18 for each of hydrogen and air. The target response characteristics are further set from these. The target response characteristic is selected and set, for example, among the response characteristics set for the settings of hydrogen and air.
[0030]
The target load take-out trajectory setting means 20 sets a trajectory (target load trajectory) from which the external load 13 takes out the target load value based on the target response characteristic set by the raw material supply response characteristic setting means 19. It is.
[0031]
Further, the load current change prediction calculating means 21 calculates a future change in load current based on the target load trajectory set by the target load take-out trajectory setting means 20.
[0032]
Further, the voltage change prediction calculation means 22 is based on the change in the target load current calculated by the load current change prediction calculation means 21 and the state of the fuel cell main body 2 at that time. It predicts voltage changes.
[0033]
The target load take-out trajectory correcting means 23 corrects the target load trajectory set by the target load take-out trajectory setting means 20 based on the magnitude of the voltage change predicted by the voltage change prediction calculating means 22. To do.
[0034]
In the fuel cell system 1, a target load trajectory in which the external load 13 extracts the target load value is set based on the target response characteristic of the raw material gas by the processing in the controller 17. Then, from this target load trajectory, a change in load current and a change in the voltage of the fuel cell main body 2 are predicted, and if it is necessary to correct the target load trajectory based on this prediction, a new trajectory is corrected. The load current is taken out at. In the fuel cell system 1, the change in the voltage of the fuel cell body 2 is predicted according to the state of the fuel cell body 2, for example, the operating temperature detected by the temperature sensor 16.
[0035]
According to the fuel cell system 1 as described above, since the target load trajectory is set based on the target response characteristics of the raw material gas, the load is taken out in accordance with the response of the raw material when the raw material is increased to the required amount, that is, Supply of load current to the external load 13 is performed. Accordingly, it is possible to prevent a voltage drop due to a shortage of raw material in the fuel cell main body 2 when the load changes transiently.
[0036]
Further, according to the fuel cell system 1, since the load is taken out by the external load 13 from the future voltage change predicted based on the state of the fuel cell main body 2, the target load trajectory is the operation of the fuel cell main body 2 at that time. It becomes possible to judge whether or not the state is adapted. If not, specifically, if the predicted voltage value of the fuel cell main body 2 is lower than the lower voltage limit, the load extraction trajectory by the external load 13 is corrected and the new target load is corrected. The load is taken out on the track. Therefore, when the load changes transiently, the load can be taken out with good response according to the operating state of the fuel cell main body 2 at that time, and the voltage of the fuel cell main body 2 becomes lower than the lower limit value. Damage to the battery itself can be prevented.
[0037]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configuration of the fuel cell system of the second embodiment is the same as that of the fuel cell system 1 of the first embodiment, but the processing content in the controller 30 is the same as that of the fuel cell system 1 of the first embodiment. Is different. Hereinafter, the processing content of the controller 30 which is a characteristic point of the fuel cell system of the second embodiment will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to the said 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.
[0038]
The controller 30 included in the fuel cell system according to the second embodiment has the same microprocessor configuration as the controller 17 included in the fuel cell system 1. In the controller 30, the CPU executes the control program stored in the ROM using the RAM as a work area, and as shown in FIG. , Function as raw material supply response characteristic setting means 19, function as target load extraction trajectory setting means 20, function as load current change prediction calculation means 21, function as voltage change prediction calculation means 22 And the function as the target load take-out trajectory correcting means 23 are realized. In addition to these functions, the function as the voltage correction amount calculating means 31 and the function as the load current correction amount calculating means 32 are provided. Functions are realized.
[0039]
The voltage correction amount calculation means 31 determines that the voltage of the fuel cell body 2 is equal to or higher than the lower limit value when the voltage change of the fuel cell body 2 predicted by the voltage change prediction means 22 may fall below a predetermined voltage lower limit value. Thus, the voltage correction amount is calculated.
[0040]
The load current correction amount calculation means 32 calculates a load current correction amount based on the voltage correction amount calculated by the voltage correction amount calculation means 31 and the state of the fuel cell main body 2 at that time.
[0041]
In this controller 30, the target load take-out trajectory correcting means 23 is set to the target load take-out trajectory setting means 20 based on the load current correction amount calculated by the load current correction amount calculating means 32. Correct the load trajectory.
[0042]
In the fuel cell system having the controller 30 as described above, when the voltage change in the fuel cell main body 2 is lower than a predetermined voltage lower limit value due to processing in the controller 30, the voltage and load current exceed the lower limit value. A correction amount is calculated. Then, the target load trajectory is corrected based on the calculated load current correction amount, and the load is taken out using the new target load trajectory. Further, in the fuel system of the present embodiment, the calculation of the correction amount of the load current is performed based on the state of the fuel cell main body 2.
[0043]
According to the fuel cell system of the second embodiment as described above, when the load transiently increases and changes, the predicted value of the voltage change in the fuel cell main body 2 is less than the voltage lower limit value. However, since the load take-out trajectory is corrected based on the state of the fuel cell main body 2 so that it always exceeds the lower limit value, the fuel cell main body 2 will run out of raw materials and damage the battery itself due to a voltage drop. Can be prevented. In addition, when the load changes transiently, the fuel cell voltage can be prevented from dropping transiently, and the load response is not delayed more than necessary by minimizing the correction of the load take-out trajectory. Can be.
[0044]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configuration of the fuel cell system of the third embodiment is the same as that of the fuel cell system 1 of the first and second embodiments, but the processing content in the controller 40 is the first and second embodiments. Is different. Hereinafter, the processing content of the controller 40 which is a characteristic point of the fuel cell system of the third embodiment will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to the said 1st and 2nd embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.
[0045]
The controller 40 included in the fuel cell system according to the third embodiment has the same microprocessor configuration as the controller 17 included in the fuel cell system 1. In the controller 40, the CPU functions as the required feed flow rate calculation means 18 as shown in the figure by executing a control program stored in the ROM using the RAM as a work area as shown in FIG. A function as the raw material supply response characteristic setting means 19, a function as the target load take-out trajectory setting means 20, a function as the load current change prediction calculation means 21, a function as the voltage change prediction calculation means 22, and a target A function as the load take-out trajectory correcting means 23, a function as the voltage correction amount calculating means 31, and a function as the load current correction amount calculating means 32 are realized. In addition to these functions, hydrogen supply A function as the amount correction means 41, a function as the hydrogen supply response characteristic correction means 42, and a function as the air supply amount correction means 43; And functions as an air supply response characteristics correcting means 44, and the function as a starting material response characteristic modifying means 45 is adapted to be realized.
[0046]
The hydrogen supply amount correction means 41 is a load current whose change is predicted by the load current change prediction means 21 before being corrected by the calculation result of the load current correction amount calculation means 32, an actual load current, specifically Is to correct the flow rate of hydrogen supplied to the fuel cell body 2 so that the load current detected by the load current sensor 15 matches. As the correction operations executed to correct the hydrogen flow rate in the hydrogen supply amount correction means 41 in this way, the opening operation of the purge valve 11, the rotation speed operation of the hydrogen circulation pump 10, and the opening operation of the hydrogen supply valve 8 are performed. Yes, the hydrogen supply amount correction means 41 selects one or more of these operations, and calculates the operation amount of the selected purge valve 11, hydrogen circulation pump 10 or hydrogen supply valve 8.
[0047]
The hydrogen supply response characteristic correcting means 42 corrects the hydrogen response characteristic set by the raw material supply response characteristic setting means 19 based on the correction operation selected by the hydrogen supply amount correction means 41. It is.
[0048]
In addition, the air supply amount correction unit 43 calculates the load current that is predicted to change in the load current change prediction unit 21 and the actual load current before being corrected based on the calculation result of the load current correction amount calculation unit 32. The flow rate of air supplied to the fuel cell main body 2 is corrected so as to match. As the correction operation executed to correct the air flow rate in the air supply amount correction means 43 in this way, there are the rotation speed operation of the air supply device 4 and the opening operation of the air electrode pressure adjustment valve, and the air supply amount correction The means 43 selects one or more of these operations and calculates the operation amount of the selected air supply device 4 or air electrode pressure adjustment valve.
[0049]
The air supply response characteristic correcting means 44 corrects the air response characteristic set by the raw material supply response characteristic setting means 19 based on the correction operation selected by the air supply amount correction means 43. It is.
[0050]
The raw material response characteristic correcting means 45 is slower among the hydrogen response characteristic corrected by the hydrogen supply response characteristic correcting means 42 and the air response characteristic corrected by the air supply response characteristic correcting means 44. A response characteristic is selected, and the target response characteristic set by the raw material supply response characteristic setting means 18 is corrected to the selected response characteristic.
[0051]
In the fuel cell system having the controller 40 as described above, when the voltage change in the fuel cell main body 2 falls below a predetermined voltage lower limit value due to processing by the controller 40, not only the target load trajectory is corrected, but also the correction is made. A flow rate correcting operation for increasing the raw material flow rate is executed so as to achieve the raw material flow rate that realizes the previous target load trajectory, and the response characteristics of each raw material are corrected to the response characteristics after the flow rate increase. Then, the slower response characteristic among the response characteristics of these new raw materials is set as a new target response characteristic.
[0052]
Here, an example of the processing by the controller 40 as described above will be specifically described with reference to the flowchart of FIG.
[0053]
First, a flag (FLAG_A) for determining whether or not this operation flow has been executed even once is checked (step S1). When the value of the flag is 1, that is, when this operation flow is executed once or more, the process proceeds to Step S4 described later. When the value of the flag is 0, that is, when this operation flow has never been executed, the controller 40 functions as the raw material supply response characteristic setting means 19 to set the target response characteristic of the raw material gas. (Step S2). This target response characteristic is calculated based on the required raw material flow rate calculated from the target load value and the raw material stoichiometric ratio in the controller 40 functioning as the necessary supply raw material flow rate calculating means 18 in this embodiment.
[0054]
In the present embodiment, the response characteristics of each raw material are measured in advance by experiments, approximated by first-order lag characteristics and stored, and based on these, the target response characteristics are set in step S2. The necessary raw material flow rate is calculated using the following formula (1) or formula (2).
[0055]
Required hydrogen flow rate [L / min] = hydrogen flow rate required for reaction [L / min] × hydrogen stoichiometric ratio (1)
However, the hydrogen flow rate required for the reaction [L / min] = load current [A] × coefficient × number of cells. Here, the coefficient = 0.00696 = (1 / Faraday constant) /2×22.4 [L / mol] × 60, the number of cells = 270, and the Faraday constant = 9.6648456 × 104 [c / mol]. is there.
[0056]
Necessary air flow rate [L / min] = required air flow rate [L / min] × air stoichiometric ratio (2)
However, the air flow rate required for the reaction [L / min] = the oxygen flow rate required for the reaction [L / min] / the ratio of oxygen in the air, and the oxygen flow rate required for the reaction [L / min] = coefficient × load current. [A] × number of cells, ratio of oxygen in air = 0.21. Here, coefficient = 0.0348 = 0.0692 / 2, and the number of cells = 270.
[0057]
Here, of these hydrogen and air, the slower response characteristic is set as the target response characteristic, and which response is faster depends on the system configuration. Usually, the air supplied by an air supply device such as a compressor or a blower has a slower response, and even in this embodiment, the air has a slower response than hydrogen. Set as target response characteristics.
[0058]
Next, the controller 40 functions as the target load take-out trajectory setting means 20, and a load trajectory having a response characteristic that matches the target response characteristic set in step S2 is set as the target load trajectory (step S3). In this embodiment, since the target response characteristic is approximated by a first-order lag function, the target load trajectory is also set as a first-order lag function having the same time constant.
[0059]
Next, the controller 40 functions as the load current change prediction calculation means 21, and a future load current change (target load current) is predicted and calculated based on the target load trajectory set in step S3 ( Step S4). In the present embodiment, since the target load trajectory is a first order lag function, the target load current is a first order lag function that can be calculated in time series. Therefore, the target load current can be predicted and calculated by the load current change prediction calculating means 21 until a predetermined future time.
[0060]
Next, the controller 40 functions as the voltage change prediction calculation means 22 and the change in voltage in the fuel cell body 2 is predicted using the predicted value of the target load current predicted and calculated in step S4 (step S4). S5). In the present embodiment, the voltage change is predicted by referring to the current-voltage characteristics (IV characteristics) of the fuel cell system. As shown in FIG. 6, if a plurality of IV characteristics are prepared according to the operating temperature of the fuel cell main body 2, for example, the voltage according to the operating temperature of the fuel cell main body 2 detected by the temperature sensor 16. Can be predicted.
[0061]
Then, it is determined whether or not the voltage change may fall below a lower limit value (step S6). If the value does not fall below the lower limit, 0 is substituted into the identification variable FLAG_A (initialization) so that the process starts again from step S2 in the next control cycle (step S7), and thereafter each process is performed again. Is processed to be repeated. On the other hand, if the lower limit value is sometimes exceeded, the controller 40 functions as the voltage correction amount calculating means 31 to calculate the voltage correction amount that makes the voltage of the fuel cell body 2 equal to or higher than the lower limit value (step). S8).
[0062]
Next, the controller 40 functions as the load current correction amount calculation means 32, and the load current correction amount is calculated based on the voltage correction amount calculated in step S8 (step S9). In the present embodiment, the load current correction amount is calculated with reference to the IV characteristic (see FIG. 6) of the fuel cell system, similarly to the voltage change prediction in step S5.
[0063]
Thereafter, the controller 40 functions as the target load take-out trajectory correcting means 23, and the target load trajectory set in the step S3 is corrected based on the load current correction amount calculated in the step S9 (step S10). . In the present embodiment, as shown in FIG. 7, since the target load current trajectory and the target load trajectory have the same response characteristics, first, the target load current calculated in step S4 based on the load current correction amount is used. The target load trajectory is corrected such that the shape of the response characteristic of the trajectory of the target load current thus corrected is the response characteristic of the target load trajectory.
[0064]
Further, the controller 40 corrects the target response characteristic of the supply flow rate of the raw material gas set in step S2 along with the correction of the target load trajectory. First, the controller 40 functions as the hydrogen supply amount correction means 41, so that the target load current calculated before the load current correction amount calculated at step S9, that is, the target load current calculated at step S4, and the load current are calculated. A hydrogen flow rate correction operation that is executed to match the actual load current detected by the sensor 15 is selected, and an operation amount in the selection operation is calculated (step S11). In the present embodiment, the opening operation of the purge valve 11 is selected and executed among the opening operation of the purge valve 11, the rotation speed operation of the hydrogen circulation pump 10, and the opening operation of the hydrogen supply valve 8. Further, when the opening operation of the purge valve 11 is saturated, that is, even if the purge valve 11 is operated until the maximum opening is reached, the target load current calculated in step S4 and the actual load current do not coincide with each other. When the flow rate is insufficient, the rotation operation of the hydrogen circulation pump 10 is executed, and when the rotation operation of the hydrogen circulation pump 10 is saturated, the opening operation of the hydrogen supply valve 8 is executed. ing.
[0065]
In this embodiment, the emphasis is on compensating for the response slowed down by the correction of the load current (step S9), and the hydrogen supply response (varies depending on the system configuration) so that this response delay is efficiently eliminated. Therefore, the correction operations are selected and executed in order of speed, but the order is not limited to this order. For example, the power consumption is low with an emphasis on fuel efficiency. You may make it select in order.
[0066]
Next, the controller 40 functions as the hydrogen supply response characteristic correcting means 42, and the hydrogen response characteristic used in setting the target response characteristic is corrected based on the operation amount correction operation calculated in step S11. (Step S12). In the present embodiment, response characteristics are measured in advance from experiments and stored in the controller 40 for reference.
[0067]
The controller 40 corrects not only the hydrogen response characteristic but also the air response characteristic. In the controller 40, by functioning as the air supply amount correction means 43, an air flow rate correction operation that is executed to match the target load current calculated in step S4 with the actual load current is selected. The operation amount in the selection operation is calculated (step S13). In step S13, one or more operations are selected from among the rotation speed operation of the air supply device 4 and the opening operation of the air electrode pressure adjustment valve. However, in this embodiment, the air electrode pressure adjustment valve is not provided. The rotation speed operation of the air supply device 4 is executed. In the case where an air electrode pressure adjusting valve is provided and when emphasis is placed on compensating for the response slowed down by the correction of the load current (step S9), the opening of the air electrode pressure adjusting valve is firstly performed. The operation may be selected and executed, and when the opening operation of the air electrode pressure adjustment valve is saturated, the rotation speed operation of the air supply device 4 may be executed. You may make it do.
[0068]
Next, the controller 40 functions as the air supply response characteristic correction means 44, and the air response characteristic used in setting the target response characteristic is corrected based on the operation amount correction operation calculated in step S13. (Step S14). In the present embodiment, response characteristics are measured in advance from experiments and stored in the controller 40 for reference.
[0069]
Then, the controller 40 functions as the raw material response characteristic correcting means 45, and the hydrogen response characteristic corrected in the step 12 is compared with the air response characteristic corrected in the step S14, and the slower response characteristic is obtained. The target response characteristic is corrected by selecting and replacing the target response characteristic set in step S2 (step S15).
[0070]
Finally, 1 is assigned to the identification variable FLAG_A so that the process is started from step S4 in the next control cycle (step S16), and thereafter, the process is repeated again.
[0071]
According to the fuel cell system of the third embodiment as described above, the output of the load current change prediction calculation unit 21 and the actual detected by the load current sensor 15 before correction by the load current correction amount calculation unit 32 are performed. Since one or more correction operations are selected and executed to match the load current and the supply flow rate of the raw material gas is corrected, the fuel cell main body can be used even when the load changes transiently. The shortage of raw materials in 2 can be reduced.
[0072]
In addition, the target response trajectory is corrected along with the target load trajectory, so that a fast response according to the target load trajectory is realized before the correction, and the fuel cell when the load changes transiently The shortage of raw material in the main body 2 can be more effectively reduced, and the target response characteristic can be accelerated after correction for increasing the flow rate of the raw material gas. It is possible to prevent damage to itself and to prevent the load response from being delayed more than necessary.
[0073]
Further, when correcting a plurality of correction operations, specifically, the hydrogen flow rate, the opening operation of the purge valve 11, the rotation speed operation of the hydrogen circulation pump 10, the opening operation of the hydrogen supply valve 8, and the air flow rate are corrected. Since one or more of the rotation speed operation of the air supply device 4 and the opening operation of the air electrode pressure adjustment valve are selected and executed, even when one operating range reaches saturation, it continues. By executing other operations, it becomes possible to cope with a larger load change, and it is possible to expand the range of load changes that can be handled.
[0074]
Further, when each raw material flow rate is corrected to be increased by the hydrogen supply amount correction means 41 and the air supply amount correction means 43, for example, when the opening of the purge valve 11 is increased, the inlet side of the hydrogen electrode of the fuel cell body 2 The pressure difference between the outlet and the outlet increases, and the hydrogen supply response characteristic becomes faster. A similar effect can be seen when the number of revolutions of the hydrogen circulation pump 10 is increased or when a correction operation is performed so as to increase the air flow rate. In the present embodiment, even when a correction operation is performed such that the response characteristics of each source gas become faster, the hydrogen supply response characteristic correction means 42 and the air supply response characteristic correction means 44 as described above. Since the response characteristic of each raw material is corrected in consideration of the response change, the time delay until the increase change of the raw material gas reaches the fuel cell main body 2 can be corrected. In the present embodiment, since the target load trajectory for load extraction is set based on the target response characteristic, the load response is delayed more than necessary by correcting the response characteristic of each raw material gas as described above. There can be no. Further, the raw material response characteristic correcting means 45 selects a later one of the new hydrogen response characteristic and the air response characteristic as the target response characteristic, so that only hydrogen shortage occurs in the fuel cell main body 2 or air One of the raw materials where only a shortage occurs is sufficiently supplied, but the occurrence of a situation where the other raw material is insufficient can be prevented.
[0075]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configuration of the fuel cell system of the fourth embodiment is the same as that of the fuel cell system 1 of the first to third embodiments, but the processing contents in the controller 50 are different from those of the respective embodiments. . Hereinafter, the processing content of the controller 50 which is a characteristic point of the fuel cell system of the fourth embodiment will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to each said embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.
[0076]
The controller 50 included in the fuel cell system according to the fourth embodiment has the same microprocessor configuration as the controller 17 included in the fuel cell system 1. In the controller 50, the CPU uses the RAM as a work area to execute a control program stored in the ROM, and as shown in FIG. A function as the raw material supply response characteristic setting means 19, a function as the target load extraction trajectory setting means 20, a function as the load current change prediction calculation means 21, a function as the voltage change prediction calculation means 22, and a target load extraction A function as the trajectory correction means 23, a function as the voltage correction amount calculation means 31, a function as the load current correction amount calculation means 32, a function as the hydrogen supply amount correction means 41, and a hydrogen supply response characteristic correction means 42 Function as the air supply amount correction means 43, function as the air supply response characteristic correction means 44, and raw material response In addition to these functions, a function as the target voltage trajectory setting means 51 and a function as the load control mode selection means 52 are realized. ing.
[0077]
The target voltage trajectory setting means 51 sets the target voltage trajectory based on the voltage correction amount calculated by the voltage correction amount calculation means 31.
[0078]
The load control mode selection means 52 selects either the target load take-out trajectory correction means 23 or the target voltage trajectory setting means 51 depending on the voltage correction amount calculated by the voltage correction amount calculation means 31. To do. Specifically, the load control mode selection unit 52 selects and executes the target voltage trajectory setting unit 51 when the voltage correction amount exceeds a predetermined value, and when the voltage correction amount does not exceed the predetermined value. Selects and executes the target load take-out trajectory correcting means 23.
[0079]
In the fuel cell system having the controller 50 as described above, when the voltage correction amount exceeds a predetermined value as a result of the processing by the controller 50, the target based on the correction amount of the load current in the second and third embodiments described above. The load trajectory is not corrected, and the operation amount of the correction operation by the hydrogen supply amount correcting means 41 and the air supply amount correcting means 43 is calculated based on the target voltage trajectory set by the target voltage trajectory setting means 51. Is called. At this time, in the hydrogen supply amount correction means 41 and the air supply amount correction means 43, the target voltage trajectory and the actual voltage of the fuel cell body 2, specifically, the voltage detected by the voltage sensor 14 are made to coincide. One or more correction operations are selected, and the operation amount is calculated.
[0080]
Here, an example of processing by the controller 50 as described above will be specifically described with reference to the flowchart of FIG.
[0081]
First, although not shown in the figure, a flag (FLAG_A) for determining whether or not this operation flow has been executed is checked. When the value of this flag is 0, the target response characteristic of the source gas is set. (Step S21). Next, a target load trajectory is set (step S22), and a target load current is calculated based on the target load trajectory (step S23). Then, using the predicted value of the target load current, a change in voltage in the fuel cell main body 2 is predicted (step S24), and it is determined whether or not this change in voltage may fall below the lower limit value (step S25). ). If the value does not fall below the lower limit, 0 is substituted into the identification variable FLAG_A (initialization) so that the process is started again from step S23 in the next control cycle (step S26), and thereafter each process is performed again. Is repeated, and a voltage correction amount that makes the voltage of the fuel cell body 2 equal to or higher than the lower limit value is calculated (step S27).
[0082]
Then, it is determined whether or not the voltage correction amount calculated in step S27 exceeds a predetermined value (step S28). When the voltage correction amount exceeds a predetermined value, first, the controller 50 functions as the load control mode selection means 52 and selects to execute the function as the target voltage trajectory setting means 51. Then, when the controller 50 functions as the target voltage trajectory setting means 51, a target voltage trajectory for returning the voltage of the fuel cell main body 2 to the lower limit value or more is set (step S29). In the present embodiment, the target voltage trajectory is calculated and set by referring to the IV characteristics of the fuel cell system shown in FIG.
[0083]
Next, the controller 50 functions as the hydrogen supply amount correction means 41 so that the target voltage trajectory set in step S29 matches the actual voltage of the fuel cell body 2 detected by the voltage sensor 14. The hydrogen flow correction operation to be executed is selected, and the operation amount in the selection operation is calculated (step S30). The correction operation is the same as the correction operation in the third embodiment. Then, based on this operation amount correction operation, the hydrogen response characteristic is corrected (step S31).
[0084]
Next, the controller 50 selects an air flow rate correction operation to be executed in order to match the target voltage trajectory with the actual voltage of the fuel cell body 2, and calculates an operation amount in the selection operation (step S32). Then, the air response characteristic is corrected based on the operation amount correction operation (step S33). Further, the response characteristic of hydrogen corrected in step 31 is compared with the response characteristic of air corrected in step S33, the slower response characteristic is selected, and the target set in step S21 is selected. The target response characteristic is corrected by replacing the response characteristic (step S34), and then 1 is substituted into the identification variable FLAG_A so that the process is started from step S23 in the next control cycle (step S35), and thereafter again. Each process is repeated.
[0085]
When the voltage correction amount does not exceed the predetermined value, first, the controller 50 functions as the load control mode selection unit 52 and selects to execute the function as the load current correction amount calculation unit 32. The controller 50 functions as the load current correction amount calculation means 32, and the load current correction amount is calculated based on the voltage correction amount calculated in step S27 (step S36). Thereafter, the controller 50 functions as the target load take-out trajectory correcting means 23 to correct the target load trajectory (step S37). Thereafter, the processing from step S30 to step S35 is executed. When the load current correction amount calculation means 32 is selected by the load control mode selection means 61, the correction executed to make the target load current and the actual load current coincide in step S30 and step S32. An operation is selected, and an operation amount in the selection operation is calculated.
[0086]
According to the fuel cell system of the fourth embodiment as described above, the shortage of raw materials of the fuel cell main body 2 can be reduced when the load transiently increases and changes. Further, when the voltage correction amount exceeds a predetermined value, that is, when the voltage drop is in a significant situation, the target voltage trajectory setting means 51 is selected to control the fuel cell main body 2 with a focus on preventing the voltage drop. Therefore, it is possible to more reliably prevent the battery itself from being damaged when the voltage of the fuel cell body 2 falls below the lower limit value.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a functional block diagram showing each function realized by a controller of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a functional block diagram showing functions realized by a controller of a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 4 is a functional block diagram showing functions realized by a controller of a fuel cell system according to a third embodiment.
FIG. 5 is a flowchart showing an example of processing by a controller of a fuel cell system according to a third embodiment.
FIG. 6 is a diagram for explaining a method of predicting a voltage change in the controller of the fuel cell system according to the third embodiment.
FIG. 7 is a diagram for explaining a method of correcting a target load trajectory in a controller of a fuel cell system according to a third embodiment.
FIG. 8 is a functional block diagram showing functions realized by a controller of a fuel cell system according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a flowchart showing an example of processing by a controller of a fuel cell system according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a diagram for explaining a method of calculating and setting a target voltage trajectory in the controller of the fuel cell system according to the fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell system
2 Fuel cell body
4 Air supply device
7 Hydrogen supply equipment
10 Hydrogen circulation pump
11 Purge valve
13 External load
14 Voltage sensor
15 Load current sensor
17, 30, 40, 50 controller
18 Required feed flow rate calculation means
19 Raw material supply response characteristic setting means
20 Target load extraction trajectory setting means
21 Load current change prediction calculation means
22 Voltage change prediction calculation means
23 Target load extraction trajectory correction means
31 Voltage correction amount calculation means
32 Load current correction amount calculation means
41 Hydrogen supply amount correction means
42 Hydrogen supply response characteristic correction means
43 Air supply amount correction means
44 Air supply response characteristic correction means
45 Raw material response characteristic correction means
51 Target voltage trajectory setting means
52 Load control mode selection means

Claims

A fuel cell body;
A hydrogen supply device for supplying hydrogen as a raw material gas to the fuel cell body;
An air supply device for supplying air as a raw material gas to the fuel cell body;
A necessary supply material flow rate calculation means for calculating a supply flow rate of the necessary material gas to the fuel cell main body based on a predetermined load current;
Raw material supply response characteristic setting means for setting a target response characteristic based on the response characteristic of each raw material gas when the actual supply flow rate increases to the required supply flow rate,
Based on the target response characteristics, target load extraction trajectory setting means for setting a trajectory for extracting the predetermined load current from the fuel cell main body,
A load current change prediction calculating means for calculating a change in the future load current based on the trajectory for taking out the predetermined load current;
Voltage change prediction calculation means for predicting a future voltage change of the fuel cell body based on the change in the future load current and the state of the fuel cell body;
A target load take-out trajectory correcting means for correcting the trajectory set by the target load take-out trajectory setting means based on the magnitude of the voltage change;
The fuel cell system, wherein the predetermined load current is extracted from the fuel cell main body in a new trajectory corrected by the target load extraction trajectory correcting means.

A voltage correction amount calculating means for calculating a correction amount of the voltage of the fuel cell body with reference to the voltage change;
Load current correction amount calculating means for calculating a correction amount of the load current based on the correction amount of the voltage and the state of the fuel cell main body;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the target load extraction trajectory correcting means corrects the trajectory set by the target load extraction trajectory setting means based on the correction amount of the load current.

Load current detecting means for detecting a load current taken out from the fuel cell body;
At least one of the plurality of correction operations is performed so that the load current before being corrected by the calculation result of the load current correction amount calculating means matches the actual load current detected by the load current detecting means. Hydrogen supply amount correction means for selecting and calculating the operation amount to correct the hydrogen supply flow rate;
At least one of the plurality of correction operations is performed so that the load current before being corrected by the calculation result of the load current correction amount calculating means matches the actual load current detected by the load current detecting means. Air supply amount correction means for selecting and calculating the operation amount to correct the air supply flow rate ;
A raw material response characteristic for correcting a target response characteristic set by the raw material supply response characteristic setting unit based on a correction operation selected by the hydrogen supply flow rate correction unit or a correction operation selected by the air supply flow rate correction unit. The fuel cell system according to claim 2, further comprising correction means .

The correction operations for correcting the hydrogen supply flow rate are the opening operation of the purge valve, the rotation speed operation of the hydrogen circulation pump and the opening operation of the hydrogen supply valve, and the correction operation for correcting the air supply flow rate is the air 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the rotation speed operation of the supply device and the opening operation of the air electrode pressure adjustment valve are performed.

Hydrogen supply response characteristic correcting means for correcting the response characteristic of hydrogen based on the correction operation selected by the hydrogen supply amount correcting means;
An air supply response characteristic correcting means for correcting an air response characteristic based on the correction operation selected by the air supply amount correcting means ,
The raw material response characteristic correction means is slower among the hydrogen response characteristic corrected by the hydrogen supply response characteristic correction means and the air response characteristic corrected by the air supply response characteristic correction means. 4. The fuel cell system according to claim 3 , wherein a response characteristic is selected, and the target response characteristic set by the raw material supply response characteristic setting means is corrected to the selected response characteristic .

Voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell body;
Target voltage trajectory setting means for setting a target voltage trajectory based on the voltage correction amount calculated by the voltage correction amount calculating means;
Load control mode selection means for selecting whether to execute the target load take-out trajectory correction means or the target voltage trajectory setting means according to the voltage correction amount;
When the correction amount of the voltage exceeds a predetermined value, the target voltage trajectory setting means is selected by the load control mode selection means, and the target voltage trajectory and the actual voltage detected by the voltage detection means coincide with each other. 4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the operation amount of the correction operation is calculated in the hydrogen supply amount correction means and the air supply amount correction means.