JP4686957B2

JP4686957B2 - Fuel cell power generation control system

Info

Publication number: JP4686957B2
Application number: JP2003053691A
Authority: JP
Inventors: 逸朗村本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: JP2004265683A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の発電制御システムに関するものであり、燃料電池から取り出し可能な電力を適切に制御するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び酸化剤となる空気を電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。
【０００３】
ところで、燃料電池を例えば車両等へ適用する場合、燃費向上を実現するためには、燃料電池の補機の消費電力は、できる限り低いことが求められ、燃料供給系、空気供給系、冷却水循環系のバルブ、ポンプ、ブロア等の性能は、最大出力に対して最低限の性能に設定されることが多い。一方、出力指令の変化に対しては高応答が要求されるが、上述したように、補機の性能が制限されていることから、過渡的に空気不足や燃料不足を生じる場合がある。このような場合、燃料電池の電圧が下がり、出力電流を大きくすることで、要求出力を実現することになる。
【０００４】
ここで、燃料電池からの出力電流が最大取り出し可能電流を越えてしまうと、燃料電池の負荷が過大になって、燃料電池にダメージを与え性能の劣化に繋がる虞れがある。そこで従来、燃料電池からの出力電流が取り出し可能な最大電流を越えた場合に、要求電力が制限される技術が提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００５】
この特許文献１に記載される技術は、走行用モータに並列に接続した燃料電池及びバッテリと、前記燃料電池の電流を検出する出力検出手段と、この燃料電池の発電量を制御する発電量制御手段と、前記出力検出手段によって検出された電流が予め定めた上限値を上回ったときに前記発電量制御手段を発電量が低減するように駆動する制御手段とを備えた燃料電池車両に係わるものである。特許文献１記載の技術によれば、燃料電池の負荷が過大になったときに発電量が低減されて燃料電池の出力が減少する。そして、燃料電池の出力減少に伴ってバッテリの放電電力量が増大し、モータの出力が維持される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−６４９０２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、燃料電池の負荷が過大になって初めて発電量が低減されるため、短時間ではあるが過大な負荷で燃料電池を運転してしまうことになり、燃料電池にダメージを与え、劣化を促進させてしまう可能性がある。また、仮に出力電流が燃料電池の取り出し可能な最大値を上回っていなくとも、セル電圧のバラツキ等に起因して燃料電池の負荷が過大となり、燃料電池に対してダメージを与えている可能性もある。
【０００８】
さらに、燃料電池から電力を急激に引き出すような場合には、燃料ガス供給手段や酸化剤ガス供給手段の応答遅れにより、燃料ガスや酸化剤ガスが一時的に不足する場合があり、必ずしも出力電流が出力可能最大電流を越えていなくとも、燃料電池にダメージを与えてしまう虞れもある。
【０００９】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の出力を適切に制限することで、燃料電池にダメージを与える可能性のある条件で燃料電池が運転されることを避け、燃料電池の劣化を防止することが可能な燃料電池発電制御システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池発電制御システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて電気化学的な反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、要求出力に応じて燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段とを制御する燃料電池出力制御手段とを備えるものである。そして、本発明の燃料電池発電制御システムでは、燃料電池出力制御手段が、燃料電池の基準となる電流−電圧特性上における最良動作点と実際の動作点との電流又は電圧の乖離度合いが、要求出力の変化時の燃料供給不足による燃料電池へのダメージを考慮して許容される許容値で制限されるように、要求出力の変化時の燃料電池への要求出力を制限することを特徴としている。
【００１１】
より具体的には、燃料電池出力制御手段は、燃料電池の基準となる電流−電圧特性を記憶する燃料電池基本性能記憶手段と、燃料電池の実際の電流、電圧の少なくとも一方を検出する燃料電池動作点検出手段と、要求出力に対する燃料電池の電流−電圧特性上における最良動作点と燃料電池動作点検出手段により検出される実際の動作点との電流又は電圧の乖離度合いに対する前記許容値に基づいて燃料電池の許容動作範囲を求め、燃料電池動作点検出手段により検出される実際の動作点が前記許容動作範囲を越えないように燃料電池への要求出力の制限値を算出する要求出力制限手段とを有し、この要求出力制限手段による算出結果に基づいて、燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段とを制御する。
【００１２】
本発明の燃料電池発電制御システムでは、電流−電圧特性上における最良動作点と実際の動作点との電流又は電圧の乖離度合いが、要求出力の変化時の燃料供給不足による燃料電池へのダメージを考慮して許容される許容値で制限されるように、要求出力の変化時の燃料電池への要求出力が制限される。このような制限が加えられることにより、最大取り出し可能電流や最低電圧に達する前に燃料電池への要求出力が制限され、燃料電池にダメージを与える可能性のある動作点での燃料電池の運転が回避される。また、要求出力の制限は、電流−電圧特性上の最良動作点に対する燃料電池の実際の動作点の乖離度合いに対する許容値に応じて行われるので、簡易な構成で適切に燃料電池の出力が制限される。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の燃料電池発電制御システムによれば、燃料電池の基準となる電流−電圧特性上における最良動作点と実際の動作点との電流又は電圧の乖離度合いが、要求出力の変化時の燃料供給不足による燃料電池へのダメージを考慮して許容される許容値で制限されるように、要求出力の変化時の燃料電池への要求出力が制限されるので、燃料電池の出力電流や出力電圧が最大取り出し可能電流や最低電圧に達する前に、燃料電池にダメージを与える可能性のある条件での燃料電池の運転を回避することができ、燃料電池の劣化を防止することが可能である。また、本発明の燃料電池発電制御システムにおいては、簡易な構成で燃料電池の出力を適切に制限することが可能であり、燃料電池にダメージを与える可能性を確実に小さくすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池発電制御システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１に本実施形態の燃料電池発電制御システムの全体構成を示す。本実施形態の燃料電池発電制御システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて電気化学的な反応により発電を行う燃料電池１を備える。この燃料電池１は、燃料ガス（水素）が供給される燃料極と酸化剤ガス（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。
【００１６】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１７】
燃料電池１の空気極側には、当該燃料電池１に酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス供給系が設けられ、また、燃料電池１の燃料極側には、当該燃料電池１に燃料ガスである水素を供給するための燃料ガス供給系が設けられている。そして、これら燃料電池１及び酸化剤ガス供給系、燃料ガス供給系によって、燃料電池システムが構成されている。
【００１８】
酸化剤ガス供給系は、燃料電池１の空気極入口に空気を加圧供給する酸化剤ガス供給装置（例えばコンプレッサ）２や空気供給配管３からなり、酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス供給装置２で調圧されて、空気供給配管３を通して燃料電池１に供給されるようになっている。
【００１９】
一方、燃料ガス供給系は、例えば燃料タンク４、遮断弁５、水素供給配管６、燃料ガス供給装置７から構成されており、燃料ガスである水素は、遮断弁５が開放されることで燃料タンク４から燃料ガス供給装置６へと供給され、燃料ガス供給装置６で調圧されて、水素供給配管７を通して燃料電池１に供給されるようになっている。
【００２０】
また、燃料電池１には、当該燃料電池１で発電した電力を消費する負荷装置（駆動モータ／インバータ）８がリレー９を介して接続されている。具体的には、インバータが燃料電池１に接続され、燃料電池１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。
【００２１】
さらに、本実施形態の燃料電池発電制御システムでは、適正な運転圧力を算出し、これに応じて燃料ガス供給装置６から供給される水素圧や、酸化剤ガス供給装置２により供給される空気圧等、燃料電池システムの動作を制御するコントローラ１０を備えている。また、本実施形態の燃料電池発電制御システムでは、燃料電池１の電流値を検出する電流センサ１１及び燃料電池１の電圧値を検出する電圧センサ１２が設けられており、前記コントローラ１０は、これら電流センサ１１及び電圧センサ１２のセンシング値をモニタするとともに、車両状態信号や運転操作信号に応じた発電出力となるように、燃料電池１の燃料ガス供給系や酸化剤ガス供給系を制御する。
【００２２】
本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいて、コントローラ１０は、例えば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。そして、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用して、ＲＯＭに格納された動作制御プログラムを実行することによって、目標出力算出部１３、モータ制御部１４、燃料電池制御部１５、燃料電池動作点検出部１６、燃料電池特性記憶部１７、動作点乖離度算出部１８、目標出力制限値算出部１９としての機能が実現されるようになっている。
【００２３】
以下、このコントローラ１０における制御動作について詳細に説明する。
【００２４】
負荷装置８は、コントローラ１０からのトルク指令値に応じて駆動トルクを発生するために、リレー９を通して、燃料電池１から電力を引き出す。このとき、先ず、目標出力算出部１３において、車速等の車両状態信号とドライバのアクセルペダル操作によるアクセルペダル開度信号などの運転操作信号に基づき、負荷装置８や燃料電池１の目標動作点を算出する。
【００２５】
目標出力算出部１３は、例えば図２に示されるように、車速とアクセル開度から２次元マップを参照する等して目標駆動力を算出する駆動力算出部２０と、目標駆動力と、車両質量、タイヤ半径、減速ギヤ比等のパラメータから目標モータ軸トルクを算出するモータトルク指令値算出部と２１から構成され、その時々の、車速、アクセル開度からモータトルク指令値を算出している。ここで、図２は、モータトルクＦが駆動力、車両質量、タイヤ半径、減速ギヤ比から求められることを示している。このモータトルク指令値がモータ制御部１４に伝えられ、モータ制御部１４ではこの指令値通りにモータがトルクを発生するように負荷装置８を制御する。
【００２６】
燃料電池１への要求出力指令値は、例えば、モータトルク指令を実現するために必要な負荷装置８での消費電力や、予め測定された負荷装置８での損失等を考慮して算出し、これに、車両や燃料電池１で消費される補機電力を加算して算出する。算出された要求出力指令値は、燃料電池システム制御部１５に伝えられ、燃料電池システム制御部１５では、指令値どおりの出力を燃料電池１から正常に取り出せるように、予め定められたロジック通りに例えば燃料ガス供給装置６に含まれるアクチュエータや、酸化剤ガス供給装置２に含まれるアクチュエータ等を制御する。
【００２７】
燃料電池動作点検出部１６では、電流センサ１１で検出した信号、及び電圧センサ１２で検出した信号から、電流と電圧で表される燃料電池の動作点を検出する。
【００２８】
燃料電池特性記憶部１７では、予め測定した燃料電池の静的な性能を表す電流−電圧特性（基準となる電流−電圧特性）を記憶している。この基準となる電流−電圧特性は、例えば図３に示すようなものである。
【００２９】
動作点乖離度算出部１８では、燃料電池動作点検出部１６で検出された電流，電圧で表される動作点と、燃料電池特性記憶部１５で記憶されている電流−電圧特性上における基準点とを、予め定められたロジック（評価関数）に基づいて比較し、その時々の燃料電池１の動作点が正常な（静的な）場合（基準点）からどれだけ乖離しているかを乖離度として算出する。
【００３０】
目標出力制限値算出部１９では、動作点の乖離度に応じて最大取出し可能電力の制限値を算出する。この制限値は、予め、実験等によって燃料電池にダメージを与えない動作点を求めておき、その範囲内に動作点が収まるようなものとする。ここで算出された出力制限値は、目標出力算出部１３にフィードバックされ、次の制御周期での目標出力と比較され、目標出力が出力制限値以上の場合には、目標出力指令値を出力制限値で与える。
【００３１】
通常、従来の技術にあっては、図４に示すように、出力を制限する出力可能最大電流Ｉlimitや許容最小電圧Ｖlimitは、取り出し可能な最大電力を示す電流−電圧特性線上の動作点Ｃで規定されている。
【００３２】
しかしながら、燃料電池から電力を急激に引き出すような場合には、燃料ガス供給手段や酸化剤ガス供給手段の応答遅れにより、燃料ガスや酸化剤ガスが一時的に不足する場合がある。その結果、理想的な電流−電圧特性から与えられる要求出力に応じた電流、電圧に対して、大きめの電流、低めの電圧で、要求出力を実現する。この時の電流は、出力可能最大電流以下であったとしても、燃料電池を構成する個々のセルで見ると、電圧が過度に低下し、劣化が促進してしまう場合がある。
【００３３】
図４は典型的な燃料電池の電流−電圧特性を表している。この図４において、動作点Ａは、空気、燃料が十分に供給されている場合の動作点（出力小）であり、動作点Ｂは、空気、燃料が十分に供給されている場合の動作点（出力大）である。また、動作点Ｂ′は、過渡的に空気等が不足した場合の動作点である。また、図５は、燃料電池１から電力を急激に引き出す場合の出力、電流、電圧、セル電圧のバラツキの変化の様子を示すものである。
【００３４】
燃料電池の状態が理想的であり、且つ要求出力に対する応答が十分に速ければ、燃料電池の動作点は常にこの線上にある。すなわち、動作点は、動作点Ａ→動作点Ｂと変化する。例えば、動作点が動作点Ａから動作点Ｂに移る場合には、図５において破線で示したように、電流、電圧は滑らかに変化していく。
【００３５】
しかしながら、要求出力の変化の速さに対して十分な速さで応答できない場合には、動作点は、一旦、電流−電圧特性を外れて、動作点Ａから電流が大きく電圧が低い動作点Ｂ′を経由して動作点Ｂに移っていく。このような状況では、酸化剤ガスや燃料ガスの供給が追いつかず、酸化剤ガスや燃料ガスが不足した状態で燃料電池を運転することになり、必ずしも電流や電圧が出力可能最大電流Ｉlimitや許容最小電圧Ｖlimitで規定される範囲から外れていなくても、燃料電池１に対してダメージを与えてしまう可能性がある。
【００３６】
そこで、本実施形態においては、図６に示すように、基準となる電流−電圧特性に対して、予め実験等で求めた電流の乖離度合いの許容値、すなわち許容乖離電流値ΔＩを定め、電流が基準となる電流−電圧特性上の動作点よりΔＩだけ大きく、且つ出力が等しくなる点を結んだ領域（許容動作範囲）内に動作点があれば、出力制限を行わず、この境界線上に達した場合は、要求出力をその時点の出力に制限する。
【００３７】
すなわち、図６において、基準となる電流−電圧特性上の点から許容乖離電流値ΔＩだけ電流値が大きくなった場合の等出力曲線上の電圧値を求める。基準となる電流−電圧特性上の各点における等出力曲線は、図中一点鎖線で示すようなものであり、先の許容乖離電流値ΔＩだけ電流値が大きくなった場合の電圧値は、この等出力曲線上を辿ることで算出することができる。これによって算出される電圧値を許容し得る最小電圧とし、これら最小電圧値を結んで許容動作範囲を求める。本実施形態では、先の許容最小電圧Ｖlimitで出力制限を行うのではなく、この許容動作範囲により出力制限を行うようにしている。
【００３８】
図７は、この許容動作範囲による出力制限の様子を示すものである。本実施形態でも、要求出力の変化の速さに対して十分な速さで応答できない場合には、動作点は、一旦、電流−電圧特性を外れて、動作点Ａから電流が大きく電圧が低い動作点を経由して動作点Ｂに移っていく。ただし、このとき、最小電圧が先の図６に示す許容動作範囲によって規制され、動作点Ｂ′にまでは至らず、この許容動作範囲の境界線上を移動し、動作点Ｂへと移る。この許容動作範囲は、実験的に燃料電池１にダメージを与えることがないことが確かめられている領域であり、このような制限を加えることにより、燃料電池１に対してダメージを与えるような運転を回避することができる。
【００３９】
図８は、図７に示すように動作点が変動した場合の要求出力、電流、電圧の変化の様子を示すものである。電流値の変化が許容乖離電流値ΔＩに抑えられているために、要求出力は、先の図５の場合（図中破線で示す。）に比べて制限されており、燃料電池１にダメージを与える可能性が少ないことが分かる。
【００４０】
以上のように、本実施形態の燃料電池発電制御システムでは、コントローラ１０の燃料電池特性記憶部１７に記憶されている電流−電圧特性から要求出力を実現するための理想的な電流及び電圧で表される動作点を求め、燃料電池動作点検出部１６により実際の電流及び電圧で表される動作点を求め、動作点乖離算出部１８により、予め定められた評価方法に基づき、理想的な動作点と実際の動作点の乖離度合いを判定、算出し、目標出力制限値算出部１９が動作点の乖離度合いに応じて燃料電池１への要求出力の値を制限する構成としたので、最大取出し可能電流や、最低電圧に達していなくても、燃料電池１にダメージを与える可能性のある動作点で燃料電池１が運転されることを避けることが可能となり、燃料電池１の劣化を解消することが可能である。
【００４１】
また、本実施形態では、燃料電池動作点検出部１６は燃料電池１の電流を検出し、動作点乖離算出部１８は要求出力時の理想的な電流と実際の電流とが予め定められた値以上の差を有しているか否かを算出し、目標出力制限値算出部１９が電流に所定以上の差がある場合に要求出力を制限する構成としたので、簡易な構成で、適切に燃料電池１の出力を制限することができ、結果として、燃料電池１に対してダメージを与える可能性をより小さくすることができるという効果が得られる。
【００４２】
（第２の実施形態）
本実施形態の燃料電池発電制御システムは、システム構成を上述した第１の実施形態と同様とし、コントローラ１０が、基準となる電流−電圧特性から求められる電圧値と実際の電圧値と乖離度合いに応じて要求出力を制限するようにしたものである。すなわち、本実施形態では、基準となる電流−電圧特性に対して、予め実験等で求めた電圧の乖離度合いの許容値、すなわち許容乖離電圧値ΔＶを定め、電圧が基準となる電流−電圧特性上の動作点よりΔＶだけ小さくなる点を結んだ領域（許容動作範囲）内に動作点があれば、出力制限を行わず、この許容動作範囲の境界線上に達した場合は、要求出力をその時点の出力に制限するようにしている。
【００４３】
本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいて、コントローラ１０は、図９に示すように、基準となる電流−電圧特性に対して、予め実験等で求めた電圧の乖離度合いの許容値、すなわち許容乖離電圧値ΔＶを定め、基準となる電流−電圧特性上の動作点よりΔＶだけ小さくなる電圧値を許容し得る最小電圧とし、これら最小電圧値を結んだ領域を許容動作範囲とする。そして、本実施形態でも、許容最小電圧Ｖlimitで出力制限を行うのではなく、この許容動作範囲で出力制限を行うようにしている。
【００４４】
図１０は、この許容動作範囲による出力制限の様子を示すものである。本実施形態でも、要求出力の変化の速さに対して十分な速さで応答できない場合には、動作点は、一旦、電流−電圧特性を外れて、動作点Ａから電流が大きく電圧が低い動作点を経由して動作点Ｂに移っていく。ただし、このとき、最小電圧が先の図９に示す許容動作範囲によって規制され、動作点Ｂ′にまでは至らず、この許容動作範囲の境界線上を移動し、動作点Ｂへと移る。この許容動作範囲は、実験的に燃料電池１にダメージを与えることがないことが確かめられている領域であり、このような制限を加えることにより、燃料電池１に対してダメージを与えるような運転を回避することができる。
【００４５】
図１１は、図１０に示すように動作点が変動した場合の要求出力、電流、電圧の変化の様子を示すものである。電圧値の変化が許容乖離電圧値ΔＶに抑えられているために、最大となる電流値も抑えられ、要求出力は、先の図５の場合（図中破線で示す。）に比べて制限されており、燃料電池１にダメージを与える可能性が少ないことが分かる。
【００４６】
以上のように、本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいても、最大取出し可能電流や、最低電圧に達していなくても、燃料電池にダメージを与える可能性のある動作点で燃料電池が運転されることを避けることが可能となり、燃料電池の劣化を解消することが可能である。
【００４７】
また、本実施形態では、燃料電池動作点検出部１６は燃料電池１の電圧を検出し、動作点乖離算出部１８は要求出力時の理想的な電圧と実際の電圧とが予め定められた値以上の差を有しているか否かを算出し、目標出力制限値算出部１９が電圧に所定以上の差がある場合に要求出力を制限する構成としたので、簡易な構成で、適切に燃料電池１の出力を制限することができ、結果として、燃料電池１に対してダメージを与える可能性をより小さくすることができるという効果が得られる。
【００４８】
（第３の実施形態）
本実施形態の燃料電池発電制御システムは、燃料電池１への出力制限を行うにあたって燃料電池１の動作温度も考慮するようにした例である。本実施形態のシステム構成は、基本的には上述した第１及び第２の実施形態のものと同様であるが、図１２に示すように、燃料電池１には温度センサ２２が設置されている。温度センサ２２の設置場所としては、燃料電池１の冷却水の入口部、燃料電池１の冷却水の出口部、燃料電池１の燃料極側の燃料ガス排出部、燃料電池１の空気極側の酸化剤ガス排出部等を挙げることができる。
【００４９】
本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいて、コントローラ１０の燃料電池特性記憶部１７は、燃料電池１の動作温度に対応する物理量（ここでは、燃料電池１の冷却水の入口部温度や、燃料電池１の冷却水の出口部温度、燃料電池１の燃料極側の燃料ガス排出部温度、燃料電池１の空気極側の酸化剤ガス排出部温度等、温度センサ２２が設置される部分の温度）をパラメータとする複数の電流−電圧特性を記憶している。そして、これら複数の電流−電圧特性の中から、温度センサ２２からの信号に応じて対応した電流−電圧特性が選択されるようになっている。
【００５０】
図１３は、燃料電池１の動作温度に応じた電流−電圧特性を示しており、燃料電池１の動作温度が低くなるほど引き出す電流が少なくても電圧の低下が大きくなり、同等の出力を取り出すためには大きな電流、低い電圧となることを示している。
【００５１】
本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいて、コントローラ１０の動作点乖離度算出部１８は、温度センサ２２からの信号に応じて、予め定められた評価関数に従い乖離度を判定するようにしている。一般に、燃料電池スタックには最適な動作温度があり、実際の動作温度がこれよりも低ければ、活性度が悪くなり、電圧低下が発生しやすくなる。一方、動作温度が高くなりすぎると、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学的な反応が起こる膜にダメージを与えてしまう。従って、本実施形態では、図１４に示すように、実際の動作温度が最適動作温度より低い場合には、その差が大きくなるほど、より小さい電圧差ΔＶＬでも出力が制限されるようにしている。同様に、実際の動作温度が最適動作温度より高い場合も、その差が大きくなるほど、より小さい電圧差ΔＶＬで出力が制限されるようにしている。実際の動作温度が最適動作温度に近い場合には、より大きな電圧差ΔＶＨで出力が制限される。
【００５２】
燃料電池１の動作温度が低い場合と燃料電池１の動作温度が高い場合との出力制限のされ方の違いを図１５に示す。図１５（ａ）は、燃料電池１の動作温度と最適動作温度との差が大きい場合であり、このような場合には、電圧値ΔＶＬで規定される範囲からはみ出さないように出力制限される。また、図１５（ｂ）は、燃料電池１の動作温度と最適動作温度との差が小さい場合であり、このような場合には、電圧値ΔＶＨで規定される範囲からはみ出さないように出力制限される。ここで、ΔＶＨ＞ΔＶＬである。なお、ここでは、動作点の乖離の判断に、上述した第２の実施形態と同様に電圧値を用いているが、上述した第１の実施形態と同様に電流値を用いるようにしてもよい。
【００５３】
以上のように、本実施形態の燃料電池発電制御システムでは、コントローラ１０の燃料電池特性記憶部１７が燃料電池１の動作温度に対応する物理量（燃料電池１の冷却水の入口部温度や、燃料電池１の冷却水の出口部温度、燃料電池１の燃料極側の燃料ガス排出部温度、燃料電池１の空気極側の酸化剤ガス排出部温度等）をパラメータとする複数の電流−電圧特性を記憶しており、動作点乖離算出部１８が該パラメータ毎に定められた評価方法に基づき要求出力に対する理想的な動作点と実際の動作点の乖離度合いを判定、算出し、目標出力制限値算出部１９がパラメータ毎に定められた方法に基づき要求出力を制限するようにしているので、燃料電池１の運転温度に応じてより正確に燃料電池１の動作点を規定することができ、結果として、燃料電池１に対してダメージを与える可能性をより小さくできるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池発電制御システムの構成を示す図である。
【図２】目標出力算出部の構成を示す図である。
【図３】燃料電池の電流−電圧特性の一例を示す特性図である。
【図４】従来技術における制御の様子を示す特性図である。
【図５】図４で示すように動作点が移動した場合の出力、電流、電圧、セル電圧のバラツキの変化の様子を示す特性図である。
【図６】許容乖離電流値に基づいて設定される許容動作範囲の一例を示す特性図である。
【図７】前記許容動作範囲に基づいて行われる要求出力の制限の様子を示す特性図である。
【図８】図７で示すように動作点が移動した場合の出力、電流、電圧の変化の様子を示す特性図である。
【図９】許容乖離電圧値に基づいて設定される許容動作範囲の一例を示す特性図である。
【図１０】前記許容動作範囲に基づいて行われる要求出力の制限の様子を示す特性図である。
【図１１】図１０で示すように動作点が移動した場合の出力、電流、電圧の変化の様子を示す特性図である。
【図１２】第３の実施形態の燃料電池発電制御システムの構成を示す図である。
【図１３】燃料電池の動作温度に応じた電流−電圧特性を示す特性図である。
【図１４】最適動作温度からのズレによる許容乖離電圧値の相違を示す特性図である。
【図１５】燃料電池の動作温度の相違による要求出力の制限の相違を示す特性図であり、（ａ）は燃料電池の動作温度が低い場合の出力制限の様子を示し、（ｂ）は燃料電池の動作温度が高い場合の出力制限の様子を示している。
【符号の説明】
１燃料電池
２酸化剤ガス供給装置
６燃料ガス供給装置
８負荷装置
１０コントローラ
１１電流センサ
１２電圧センサ
１３目標出力算出部
１４モータ制御部
１５燃料電池システム制御部
１６燃料電池動作点検出部
１７燃料電池特性記憶部
１８動作点乖離度算出部
１９目標出力制限値算出部
２２温度センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation control system for a fuel cell, and relates to a technique for appropriately controlling electric power that can be extracted from the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Fuel cell technology that enables clean exhaust and high energy efficiency is attracting attention as a countermeasure against environmental problems in recent years, particularly air pollution caused by automobile exhaust gas and global warming caused by carbon dioxide. A fuel cell is an energy conversion system that supplies hydrogen as a fuel or hydrogen-rich reformed gas and air as an oxidant to an electrolyte / electrode catalyst complex, causes an electrochemical reaction, and converts chemical energy into electrical energy. is there.
[0003]
By the way, when the fuel cell is applied to, for example, a vehicle or the like, the power consumption of the auxiliary device of the fuel cell is required to be as low as possible in order to realize the improvement of fuel consumption. The fuel supply system, the air supply system, the cooling water circulation The performance of the system valves, pumps, blowers, etc. is often set to a minimum performance with respect to the maximum output. On the other hand, a high response is required for a change in the output command. However, as described above, the performance of the auxiliary machine is limited, so that there may be a transient air shortage or fuel shortage. In such a case, the required output can be realized by decreasing the voltage of the fuel cell and increasing the output current.
[0004]
Here, if the output current from the fuel cell exceeds the maximum extractable current, the load on the fuel cell becomes excessive, which may damage the fuel cell and lead to deterioration in performance. Thus, conventionally, a technique has been proposed in which the required power is limited when the output current from the fuel cell exceeds the maximum current that can be extracted (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
The technique described in Patent Document 1 includes a fuel cell and a battery connected in parallel to a traveling motor, output detection means for detecting the current of the fuel cell, and a power generation amount control for controlling the power generation amount of the fuel cell. And a control means for driving the power generation amount control means to reduce the power generation amount when the current detected by the output detection means exceeds a predetermined upper limit value. It is. According to the technique described in Patent Document 1, when the load on the fuel cell becomes excessive, the amount of power generation is reduced and the output of the fuel cell is reduced. As the output of the fuel cell decreases, the amount of discharged power of the battery increases and the output of the motor is maintained.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-64902 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional technique, since the amount of power generation is reduced only when the load on the fuel cell becomes excessive, the fuel cell is operated with an excessive load for a short time. There is a possibility of damaging the fuel cell and promoting deterioration. Even if the output current does not exceed the maximum value that can be taken out of the fuel cell, there is a possibility that the load on the fuel cell becomes excessive due to variations in the cell voltage, etc., causing damage to the fuel cell. is there.
[0008]
Further, when power is suddenly drawn from the fuel cell, the fuel gas or oxidant gas may be temporarily insufficient due to a delay in response of the fuel gas supply means or oxidant gas supply means, and the output current is not necessarily limited. Even if the maximum output current is not exceeded, the fuel cell may be damaged.
[0009]
The present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and the fuel cell is operated under conditions that may damage the fuel cell by appropriately limiting the output of the fuel cell. Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell power generation control system that can prevent the deterioration of the fuel cell.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A fuel cell power generation control system according to the present invention includes a fuel cell that receives a supply of fuel gas and an oxidant gas to generate power by an electrochemical reaction, a fuel gas supply means that supplies fuel gas to the fuel cell, and a fuel cell An oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the fuel cell, and a fuel cell output control means for controlling the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means in accordance with the required output. In the fuel cell power generation control system of the present invention, the fuel cell output control means is configured such that the degree of divergence between the current or voltage between the best operating point and the actual operating point on the current-voltage characteristics as a reference of the fuel cell is When the required output changes To be limited by the allowable value considering the damage to the fuel cell due to insufficient fuel supply, When the required output changes It is characterized by limiting the required output to the fuel cell.
[0011]
More specifically, the fuel cell output control means includes a fuel cell basic performance storage means for storing current-voltage characteristics serving as a reference for the fuel cell, and a fuel cell for detecting at least one of the actual current and voltage of the fuel cell. The operating point detecting means, the best operating point on the current-voltage characteristic of the fuel cell with respect to the required output, and the actual operating point detected by the fuel cell operating point detecting means Current or voltage Deviation degree An allowable operating range of the fuel cell is obtained based on the allowable value with respect to the actual operating point detected by the fuel cell operating point detecting means. Required output limiting means for calculating a limit value of the required output to the fuel cell so as not to exceed, and based on the calculation result by the required output limiting means, the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means Control.
[0012]
In the fuel cell power generation control system of the present invention, the current or voltage divergence between the best operating point and the actual operating point on the current-voltage characteristics is When the required output changes To be limited by the allowable value considering the damage to the fuel cell due to insufficient fuel supply, When the required output changes The required output to the fuel cell is limited. By adding such a restriction, the required output to the fuel cell is restricted before reaching the maximum extractable current or the minimum voltage, and the fuel cell can be operated at an operating point that may damage the fuel cell. Avoided. The required output is limited according to the allowable value for the degree of deviation of the actual operating point of the fuel cell from the best operating point on the current-voltage characteristics, so that the output of the fuel cell is appropriately limited with a simple configuration. Is done.
[0013]
【The invention's effect】
According to the fuel cell power generation control system of the present invention, the current or voltage divergence degree between the best operating point and the actual operating point on the current-voltage characteristics as a reference of the fuel cell is When the required output changes To be limited by the allowable value considering the damage to the fuel cell due to insufficient fuel supply, When the required output changes Because the required output to the fuel cell is limited, the fuel cell's output current and output voltage will be damaged under conditions that may damage the fuel cell before reaching the maximum extractable current or minimum voltage. Driving can be avoided, and deterioration of the fuel cell can be prevented. Further, in the fuel cell power generation control system of the present invention, the output of the fuel cell can be appropriately limited with a simple configuration, and the possibility of damaging the fuel cell can be reliably reduced.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a fuel cell power generation control system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
[0015]
(First embodiment)
FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell power generation control system of this embodiment. The fuel cell power generation control system of this embodiment includes a fuel cell 1 that receives power supply of fuel gas and oxidant gas and generates power by an electrochemical reaction. The fuel cell 1 includes a fuel electrode to which a fuel gas (hydrogen) is supplied and an air electrode to which an oxidant gas (air) is supplied so as to overlap each other with an electrolyte / electrode catalyst complex interposed therebetween. In addition, it has a structure in which a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages, and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction.
[0016]
As the electrolyte of the fuel cell 1, for example, a solid polymer electrolyte membrane is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte membrane is made of an ion (proton) conductive polymer membrane such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.
[0017]
An oxidant gas supply system for supplying air as an oxidant gas to the fuel cell 1 is provided on the air electrode side of the fuel cell 1, and the fuel cell is provided on the fuel electrode side of the fuel cell 1. 1 is provided with a fuel gas supply system for supplying hydrogen as a fuel gas. A fuel cell system is configured by the fuel cell 1, the oxidant gas supply system, and the fuel gas supply system.
[0018]
The oxidant gas supply system includes an oxidant gas supply device (for example, a compressor) 2 and an air supply pipe 3 that pressurizes and supplies air to the air electrode inlet of the fuel cell 1, and the oxidant gas is an oxidant gas. The pressure is adjusted by the supply device 2 and supplied to the fuel cell 1 through the air supply pipe 3.
[0019]
On the other hand, the fuel gas supply system is composed of, for example, a fuel tank 4, a shutoff valve 5, a hydrogen supply pipe 6, and a fuel gas supply device 7. The fuel gas is supplied from the tank 4 to the fuel gas supply device 6, adjusted in pressure by the fuel gas supply device 6, and supplied to the fuel cell 1 through the hydrogen supply pipe 7.
[0020]
In addition, a load device (drive motor / inverter) 8 that consumes electric power generated by the fuel cell 1 is connected to the fuel cell 1 via a relay 9. Specifically, an inverter is connected to the fuel cell 1, and electric power generated by the fuel cell 1 is converted into energy by the inverter and supplied to the drive motor. When the fuel cell system is applied to a vehicle, this drive motor is used as power for driving the vehicle.
[0021]
Furthermore, in the fuel cell power generation control system of the present embodiment, an appropriate operating pressure is calculated, and the hydrogen pressure supplied from the fuel gas supply device 6 in response to this, the air pressure supplied by the oxidant gas supply device 2, and the like The controller 10 controls the operation of the fuel cell system. Further, in the fuel cell power generation control system of this embodiment, a current sensor 11 that detects the current value of the fuel cell 1 and a voltage sensor 12 that detects the voltage value of the fuel cell 1 are provided. The sensing values of the current sensor 11 and the voltage sensor 12 are monitored, and the fuel gas supply system and the oxidant gas supply system of the fuel cell 1 are controlled so that the power generation output according to the vehicle state signal and the driving operation signal is obtained.
[0022]
In the fuel cell power generation control system of the present embodiment, the controller 10 includes, for example, 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. Then, the CPU uses the RAM as a work area and executes an operation control program stored in the ROM, whereby a target output calculation unit 13, a motor control unit 14, a fuel cell control unit 15, and a fuel cell operating point detection unit. 16, functions as a fuel cell characteristic storage unit 17, an operating point deviation degree calculation unit 18, and a target output limit value calculation unit 19 are realized.
[0023]
Hereinafter, the control operation in the controller 10 will be described in detail.
[0024]
The load device 8 draws electric power from the fuel cell 1 through the relay 9 in order to generate drive torque in accordance with the torque command value from the controller 10. At this time, first, in the target output calculation unit 13, the target operating point of the load device 8 or the fuel cell 1 is determined based on the vehicle state signal such as the vehicle speed and the driving operation signal such as the accelerator pedal opening signal by the accelerator pedal operation of the driver. calculate.
[0025]
For example, as shown in FIG. 2, the target output calculation unit 13 includes a driving force calculation unit 20 that calculates a target driving force by referring to a two-dimensional map from the vehicle speed and the accelerator opening, a target driving force, a vehicle The motor torque command value calculation unit 21 calculates a target motor shaft torque from parameters such as mass, tire radius, and reduction gear ratio, and calculates the motor torque command value from the vehicle speed and the accelerator opening at each time. . Here, FIG. 2 shows that the motor torque F is obtained from the driving force, the vehicle mass, the tire radius, and the reduction gear ratio. The motor torque command value is transmitted to the motor control unit 14, and the motor control unit 14 controls the load device 8 so that the motor generates torque according to the command value.
[0026]
The required output command value to the fuel cell 1 is calculated in consideration of, for example, power consumption in the load device 8 necessary for realizing the motor torque command, a loss in the load device 8 measured in advance, and the like. This is calculated by adding the auxiliary power consumed by the vehicle and the fuel cell 1 to this. The calculated required output command value is transmitted to the fuel cell system control unit 15, and the fuel cell system control unit 15 follows a predetermined logic so that the output according to the command value can be normally extracted from the fuel cell 1. For example, the actuator included in the fuel gas supply device 6 and the actuator included in the oxidant gas supply device 2 are controlled.
[0027]
The fuel cell operating point detector 16 detects the operating point of the fuel cell represented by current and voltage from the signal detected by the current sensor 11 and the signal detected by the voltage sensor 12.
[0028]
The fuel cell characteristic storage unit 17 stores current-voltage characteristics (reference current-voltage characteristics) representing static performance of the fuel cell measured in advance. The reference current-voltage characteristic is as shown in FIG. 3, for example.
[0029]
In the operating point divergence calculating unit 18, the operating point represented by the current and voltage detected by the fuel cell operating point detecting unit 16 and the reference point on the current-voltage characteristics stored in the fuel cell characteristic storing unit 15. Are compared based on a predetermined logic (evaluation function), and the degree of divergence of how far the operating point of the fuel cell 1 from that time is normal (static) (reference point) Calculate as
[0030]
The target output limit value calculation unit 19 calculates a limit value of the maximum power that can be taken out according to the degree of divergence of the operating points. The limit value is determined in advance so that an operating point that does not damage the fuel cell is obtained by experiments or the like, and the operating point falls within the range. The output limit value calculated here is fed back to the target output calculation unit 13 and compared with the target output in the next control cycle. When the target output is equal to or greater than the output limit value, the target output command value is output-limited. Give by value.
[0031]
Normally, in the conventional technique, as shown in FIG. 4, the maximum output possible current Ilimit and the allowable minimum voltage Vlimit for limiting the output are the operating point C on the current-voltage characteristic line indicating the maximum power that can be extracted. It is prescribed.
[0032]
However, when power is suddenly drawn from the fuel cell, the fuel gas or the oxidant gas may be temporarily insufficient due to the response delay of the fuel gas supply unit or the oxidant gas supply unit. As a result, the required output is realized with a larger current and lower voltage than the current and voltage corresponding to the required output given from the ideal current-voltage characteristics. Even if the current at this time is equal to or less than the maximum outputable current, the voltage may be excessively lowered and deterioration may be accelerated when viewed in individual cells constituting the fuel cell.
[0033]
FIG. 4 shows the current-voltage characteristics of a typical fuel cell. In FIG. 4, an operating point A is an operating point (small output) when air and fuel are sufficiently supplied, and an operating point B is an operating point when air and fuel are sufficiently supplied. (Large output). Further, the operating point B ′ is an operating point when air or the like is transiently insufficient. FIG. 5 shows how the output, current, voltage, and cell voltage vary when power is suddenly drawn from the fuel cell 1.
[0034]
If the fuel cell condition is ideal and the response to the required output is fast enough, the fuel cell operating point is always on this line. That is, the operating point changes from operating point A to operating point B. For example, when the operating point moves from the operating point A to the operating point B, the current and voltage change smoothly as shown by the broken line in FIG.
[0035]
However, when the response cannot be made at a sufficient speed with respect to the speed of change in the required output, the operating point once deviates from the current-voltage characteristics, and the operating point B has a large current from the operating point A and a low voltage. Move to the operating point B via ′. In such a situation, the supply of oxidant gas or fuel gas cannot catch up, and the fuel cell is operated in a state where the oxidant gas or fuel gas is insufficient. Even if it is not outside the range defined by the minimum voltage Vlimit, the fuel cell 1 may be damaged.
[0036]
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 6, an allowable value of the current divergence degree obtained in advance through experiments or the like, that is, an allowable divergence current value ΔI is determined for the reference current-voltage characteristics, and the current If the operating point is within the region (allowable operating range) connecting the points where the output is equal to ΔI larger than the reference operating point on the current-voltage characteristics and the outputs are equal, the output is not limited and this boundary line is not If it is reached, the requested output is limited to the current output.
[0037]
That is, in FIG. 6, the voltage value on the iso-output curve when the current value increases by the allowable deviation current value ΔI from the reference current-voltage characteristic point is obtained. The iso-output curve at each point on the reference current-voltage characteristic is as shown by the alternate long and short dash line in the figure, and the voltage value when the current value increases by the allowable deviation current value ΔI is It can be calculated by tracing on the iso-output curve. The voltage value calculated in this way is set as an allowable minimum voltage, and the allowable operating range is obtained by connecting these minimum voltage values. In the present embodiment, output is not limited by the previous allowable minimum voltage Vlimit, but output is limited by this allowable operation range.
[0038]
FIG. 7 shows how the output is limited by the allowable operation range. Even in this embodiment, when the response cannot be made at a sufficient speed with respect to the speed of change in the required output, the operating point once deviates from the current-voltage characteristics, and the current is large from the operating point A and the voltage is low. It moves to the operating point B via the operating point. However, at this time, the minimum voltage is regulated by the allowable operation range shown in FIG. 6 and does not reach the operating point B ′, but moves on the boundary line of the allowable operating range and moves to the operating point B. This allowable operation range is an area where it has been experimentally confirmed that no damage is caused to the fuel cell 1, and an operation that causes damage to the fuel cell 1 by adding such a restriction. Can be avoided.
[0039]
FIG. 8 shows how the required output, current, and voltage change when the operating point fluctuates as shown in FIG. Since the change in the current value is suppressed to the allowable deviation current value ΔI, the required output is limited as compared with the case of FIG. 5 (shown by the broken line in the figure), and the fuel cell 1 is damaged. It turns out that there is little possibility of giving.
[0040]
As described above, in the fuel cell power generation control system according to the present embodiment, the current and voltage are represented by the ideal current and voltage for realizing the required output from the current-voltage characteristics stored in the fuel cell characteristic storage unit 17 of the controller 10. An operating point represented by an actual current and voltage is obtained by the fuel cell operating point detection unit 16, and an ideal operation is performed by the operating point deviation calculation unit 18 based on a predetermined evaluation method. Since the target output limit value calculation unit 19 is configured to limit the value of the required output to the fuel cell 1 according to the degree of deviation between the operating points, the maximum output is obtained. Even if the possible current and the minimum voltage are not reached, it is possible to avoid operating the fuel cell 1 at an operating point that may damage the fuel cell 1, thereby eliminating the deterioration of the fuel cell 1. Bets are possible.
[0041]
In the present embodiment, the fuel cell operating point detector 16 detects the current of the fuel cell 1, and the operating point deviation calculator 18 determines the ideal current and the actual current at the time of the requested output as predetermined values. It is calculated whether or not the above difference is present, and the target output limit value calculation unit 19 is configured to limit the required output when the current has a difference greater than a predetermined value. The output of the battery 1 can be limited, and as a result, the effect that the possibility of damaging the fuel cell 1 can be further reduced can be obtained.
[0042]
(Second Embodiment)
The fuel cell power generation control system of this embodiment has the same system configuration as that of the first embodiment described above, and the controller 10 determines the degree of divergence between the voltage value obtained from the reference current-voltage characteristic and the actual voltage value. The requested output is limited accordingly. That is, in the present embodiment, an allowable value of a voltage divergence degree obtained in advance through experiments or the like, that is, an allowable divergence voltage value ΔV is determined with respect to the reference current-voltage characteristic, and the current-voltage characteristic using the voltage as a reference If there is an operating point within an area (allowable operating range) connecting points that are smaller by ΔV than the upper operating point, the output is not limited, and if it reaches the boundary of this allowable operating range, the requested output is The output is limited to the current output.
[0043]
In the fuel cell power generation control system according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, the controller 10 has an allowable value of the degree of voltage divergence obtained in advance through experiments or the like with respect to a reference current-voltage characteristic, that is, an allowable divergence. A voltage value ΔV is determined, a voltage value that is smaller by ΔV than the operating point on the reference current-voltage characteristic is set as an allowable minimum voltage, and a region connecting these minimum voltage values is set as an allowable operating range. Also in this embodiment, the output is not limited by the allowable minimum voltage Vlimit, but the output is limited within this allowable operation range.
[0044]
FIG. 10 shows how the output is limited by the allowable operation range. Even in this embodiment, when the response cannot be made at a sufficient speed with respect to the speed of change in the required output, the operating point once deviates from the current-voltage characteristics, and the current is large from the operating point A and the voltage is low. It moves to the operating point B via the operating point. However, at this time, the minimum voltage is regulated by the allowable operation range shown in FIG. 9 and does not reach the operating point B ′, but moves on the boundary line of the allowable operating range and moves to the operating point B. This allowable operation range is an area where it has been experimentally confirmed that no damage is caused to the fuel cell 1, and an operation that causes damage to the fuel cell 1 by adding such a restriction. Can be avoided.
[0045]
FIG. 11 shows how the required output, current, and voltage change when the operating point fluctuates as shown in FIG. Since the change in the voltage value is suppressed to the allowable divergence voltage value ΔV, the maximum current value is also suppressed, and the required output is limited compared to the case of FIG. 5 (shown by the broken line in the figure). It can be seen that the fuel cell 1 is less likely to be damaged.
[0046]
As described above, even in the fuel cell power generation control system according to the present embodiment, the fuel cell is operated at an operating point that may damage the fuel cell even if the maximum current that can be taken out or the minimum voltage is not reached. This makes it possible to avoid the deterioration of the fuel cell.
[0047]
In the present embodiment, the fuel cell operating point detector 16 detects the voltage of the fuel cell 1, and the operating point deviation calculator 18 determines the ideal voltage and the actual voltage at the time of the required output as predetermined values. It is calculated whether or not the above difference is present, and the target output limit value calculation unit 19 is configured to limit the required output when the voltage has a difference greater than or equal to a predetermined value. The output of the battery 1 can be limited, and as a result, the effect that the possibility of damaging the fuel cell 1 can be further reduced can be obtained.
[0048]
(Third embodiment)
The fuel cell power generation control system of the present embodiment is an example in which the operating temperature of the fuel cell 1 is also taken into consideration when limiting the output to the fuel cell 1. The system configuration of this embodiment is basically the same as that of the first and second embodiments described above, but a temperature sensor 22 is installed in the fuel cell 1 as shown in FIG. . The installation location of the temperature sensor 22 includes the cooling water inlet portion of the fuel cell 1, the cooling water outlet portion of the fuel cell 1, the fuel gas discharge portion on the fuel electrode side of the fuel cell 1, and the air electrode side of the fuel cell 1. An oxidant gas discharge part etc. can be mentioned.
[0049]
In the fuel cell power generation control system of the present embodiment, the fuel cell characteristic storage unit 17 of the controller 10 stores a physical quantity corresponding to the operating temperature of the fuel cell 1 (here, the inlet temperature of the cooling water of the fuel cell 1, the fuel cell 1). 1 is the temperature of the portion where the temperature sensor 22 is installed, such as the temperature at the outlet of the cooling water 1, the temperature of the fuel gas discharger on the fuel electrode side of the fuel cell 1, the temperature of the oxidant gas discharger on the air electrode side of the fuel cell 1) Is stored as a parameter. A current-voltage characteristic corresponding to the signal from the temperature sensor 22 is selected from the plurality of current-voltage characteristics.
[0050]
FIG. 13 shows a current-voltage characteristic according to the operating temperature of the fuel cell 1, and the lowering of the operating temperature of the fuel cell 1 increases the voltage drop even if the current to be drawn is small, and the equivalent output is taken out. Indicates a large current and low voltage.
[0051]
In the fuel cell power generation control system of the present embodiment, the operating point divergence calculating unit 18 of the controller 10 determines the divergence according to a predetermined evaluation function in accordance with a signal from the temperature sensor 22. In general, the fuel cell stack has an optimum operating temperature, and if the actual operating temperature is lower than this, the degree of activity becomes worse and a voltage drop tends to occur. On the other hand, if the operating temperature is too high, the membrane in which the electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas occurs is damaged. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 14, when the actual operating temperature is lower than the optimum operating temperature, the output is limited even with a smaller voltage difference ΔVL as the difference increases. Similarly, when the actual operating temperature is higher than the optimum operating temperature, the output is limited with a smaller voltage difference ΔVL as the difference increases. When the actual operating temperature is close to the optimum operating temperature, the output is limited by a larger voltage difference ΔVH.
[0052]
FIG. 15 shows the difference in output restriction between when the operating temperature of the fuel cell 1 is low and when the operating temperature of the fuel cell 1 is high. FIG. 15A shows a case where the difference between the operating temperature of the fuel cell 1 and the optimum operating temperature is large. In such a case, the output is limited so as not to protrude from the range defined by the voltage value ΔVL. The FIG. 15B shows a case where the difference between the operating temperature and the optimum operating temperature of the fuel cell 1 is small. In such a case, output is performed so as not to protrude from the range defined by the voltage value ΔVH. Limited. Here, ΔVH> ΔVL. Here, the voltage value is used to determine the deviation of the operating point as in the second embodiment described above, but the current value may be used as in the first embodiment described above. .
[0053]
As described above, in the fuel cell power generation control system of the present embodiment, the fuel cell characteristic storage unit 17 of the controller 10 has the physical quantity corresponding to the operating temperature of the fuel cell 1 (the temperature of the inlet of the cooling water of the fuel cell 1, the fuel A plurality of current-voltage characteristics using parameters such as a cooling water outlet temperature of the battery 1, a fuel gas discharge temperature at the fuel electrode side of the fuel cell 1, an oxidant gas discharge temperature at the air electrode side of the fuel cell 1, etc. The operating point deviation calculation unit 18 determines and calculates the degree of deviation between the ideal operating point and the actual operating point with respect to the requested output based on the evaluation method determined for each parameter, and the target output limit value Since the calculation unit 19 limits the required output based on the method determined for each parameter, the operating point of the fuel cell 1 can be more accurately defined according to the operating temperature of the fuel cell 1, and the result age , It is possible to obtain an effect that the possibility of damaging the fuel cell 1 can be further reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell power generation control system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a target output calculation unit.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing an example of a current-voltage characteristic of a fuel cell.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a state of control in the prior art.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing how the output, current, voltage, and cell voltage vary when the operating point moves as shown in FIG.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing an example of an allowable operation range set based on an allowable deviation current value.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a state of request output restriction performed based on the allowable operation range.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing how output, current, and voltage change when the operating point moves as shown in FIG.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing an example of an allowable operation range set based on an allowable deviation voltage value.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing a state of request output restriction performed based on the allowable operation range.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing how output, current, and voltage change when the operating point moves as shown in FIG.
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a fuel cell power generation control system according to a third embodiment.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics according to the operating temperature of the fuel cell.
FIG. 14 is a characteristic diagram showing a difference in allowable deviation voltage value due to deviation from the optimum operating temperature.
FIG. 15 is a characteristic diagram showing a difference in required output restriction due to a difference in operating temperature of the fuel cell, where (a) shows the output restriction when the operating temperature of the fuel cell is low, and (b) shows the fuel The state of output limitation when the operating temperature of the battery is high is shown.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell
2 Oxidant gas supply device
6 Fuel gas supply device
8 Load device
10 Controller
11 Current sensor
12 Voltage sensor
13 Target output calculator
14 Motor controller
15 Fuel cell system controller
16 Fuel cell operating point detector
17 Fuel cell characteristic storage unit
18 Operating point divergence calculator
19 Target output limit value calculation unit
22 Temperature sensor

Claims

A fuel cell that receives a supply of a fuel gas and an oxidant gas and generates power by an electrochemical reaction; a fuel gas supply means that supplies fuel gas to the fuel cell; and an oxidizer that supplies an oxidant gas to the fuel cell In a fuel cell power generation control system comprising: an agent gas supply means; and a fuel cell output control means for controlling the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means according to a required output.
The fuel cell output control means is configured such that the current or voltage divergence between the best operating point and the actual operating point on the current-voltage characteristics serving as a reference of the fuel cell is due to insufficient fuel supply when the required output changes. A fuel cell power generation control system that limits a required output to the fuel cell when a required output changes so that the allowable output is limited in consideration of damage to the fuel cell.

The fuel cell output control means includes:
Fuel cell basic performance storage means for storing current-voltage characteristics as a reference of the fuel cell;
Fuel cell operating point detection means for detecting at least one of the actual current and voltage of the fuel cell;
Based on the allowable value for the current or voltage divergence between the best operating point on the current-voltage characteristic of the fuel cell with respect to the required output and the actual operating point detected by the fuel cell operating point detecting means , A request for obtaining an allowable operating range of the fuel cell and calculating a limit value of a required output to the fuel cell so that an actual operating point detected by the fuel cell operating point detecting means does not exceed the allowable operating range Output limiting means,
2. The fuel cell power generation control system according to claim 1, wherein the fuel gas supply unit and the oxidant gas supply unit are controlled based on a calculation result by the request output limiting unit.

3. The fuel cell power generation control system according to claim 1, wherein a plurality of current-voltage characteristics using a temperature related to an operating temperature of the fuel cell as a parameter is referred to as a reference current-voltage characteristic. .

The temperature related to the operating temperature of the fuel cell is the temperature near the fuel cell inlet of the cooling system that adjusts the operating temperature of the fuel cell, or the temperature near the fuel cell outlet of the cooling system that adjusts the operating temperature of the fuel cell. 4. The fuel cell power generation control system according to claim 3, wherein the fuel cell power generation control system is one of a fuel gas temperature on the fuel electrode outlet side of the fuel cell and an oxidant gas temperature on the air electrode outlet side of the fuel cell. .

5. The fuel cell power generation control system according to claim 3, wherein the allowable value is changed according to a deviation amount from an optimum operating temperature of the fuel cell.

6. The fuel cell power generation control system according to claim 5, wherein the allowable value is decreased as the amount of deviation from the optimum operating temperature of the fuel cell increases.