JP5765260B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の発電電力を負荷に供給する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that supplies power generated by a fuel cell to a load.

燃料電池システムを構成する燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。この燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アッセンブリを有するものである。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有している。   A fuel cell constituting a fuel cell system directly converts energy released in an oxidation reaction into electric energy by oxidizing fuel by an electrochemical process. This fuel cell has a membrane-electrode assembly in which both side surfaces of a polymer electrolyte membrane for selectively transporting hydrogen ions are sandwiched by a pair of electrodes made of a porous material. Each of the pair of electrodes is mainly composed of a carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst, and is formed on the surface of the catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas having both air permeability and electronic conductivity. And a diffusion layer.

また、燃料電池システムにおいては、燃料電池が発電した電力の一部を蓄えることが可能なバッテリ等の蓄電装置を備えて、燃料電池の発電電力と、蓄電装置の放電による電力との両方を負荷に供給可能な構成とすることが一般的に行われている。   In addition, the fuel cell system includes a power storage device such as a battery capable of storing a part of the power generated by the fuel cell, and loads both the power generated by the fuel cell and the power generated by the discharge of the power storage device. Generally, it is possible to provide a configuration that can supply to

このような構成の燃料電池システムにおいては、例えば、負荷からの要求電力が大きいときには、その大部分を燃料電池が発電した電力によって賄うことができる。一方、負荷からの要求電力が小さいときには、燃料電池が発電した電力の余剰分を蓄電装置に貯えながら負荷への電力供給を行うか、燃料電池の発電を一時的に低減又は休止し、負荷への電力供給の大部分を蓄電装置の放電によって行うことができる。このように、蓄電装置の蓄電、放電を併用しながら、燃料電池システムの運転を高い効率で行うことが可能となっている。   In the fuel cell system having such a configuration, for example, when the required power from the load is large, most of the power can be covered by the power generated by the fuel cell. On the other hand, when the required power from the load is small, power is supplied to the load while storing the surplus power generated by the fuel cell in the power storage device, or the power generation of the fuel cell is temporarily reduced or suspended to the load. Most of the power supply can be performed by discharging the power storage device. As described above, it is possible to operate the fuel cell system with high efficiency while simultaneously using the power storage and discharge of the power storage device.

下記特許文献1には、燃料電池の発電効率が発電電力の増加時においては低く、発電電力の減少時においては高いことに着目し、蓄電装置との連携によって燃料電池システムの運転効率を更に高めるような運転方法が記載されている。具体的には、負荷の要求電力が増加したことに伴って燃料電池システムからの電力出力を増加させる際は、燃料電池からの発電電力の増加を抑制し、不足分は蓄電装置の放電によって賄っている。一方、負荷の要求電力が減少したことに伴って燃料電池システムからの電力出力を減少させる際は、燃料電池からの発電電力の減少を抑制し、余剰分は蓄電装置へ蓄電している。   The following Patent Document 1 focuses on the fact that the power generation efficiency of the fuel cell is low when the generated power is increased and is high when the generated power is decreased, and further increases the operating efficiency of the fuel cell system in cooperation with the power storage device. Such a driving method is described. Specifically, when increasing the power output from the fuel cell system as the required power of the load increases, the increase in the generated power from the fuel cell is suppressed, and the shortage is covered by the discharge of the power storage device. ing. On the other hand, when the power output from the fuel cell system is reduced as the required power of the load decreases, the decrease in the generated power from the fuel cell is suppressed, and the surplus is stored in the power storage device.

すなわち、燃料電池の発電効率が低い状況においては発電を抑制し、発電効率が高い状況においては発電を促進している。燃料電池と蓄電装置との連携をこのように行うことによって、燃料電池システムの平均的な運転効率を更に向上させている。   That is, power generation is suppressed when the power generation efficiency of the fuel cell is low, and power generation is promoted when the power generation efficiency is high. By performing the cooperation between the fuel cell and the power storage device in this way, the average operation efficiency of the fuel cell system is further improved.

特開2008−186655号公報JP 2008-186655 A

上記特許文献1に記載の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池の発電効率のみを重視したものであり、蓄電装置の状態については考慮がなされていない。すなわち、蓄電装置が蓄えることのできる電力は有限であるにも関わらず、その蓄電量(SOC)を考慮せずに運転を行う結果、負荷からの要求電力の変化によってはSOCが100%となり、それ以上蓄電することができなくなってしまう場合がある。その場合、負荷からの要求電力が減少した際において、上記のように燃料電池の発電電力の減少を抑制することができないため、燃料電池システムの運転効率が低下してしまうこととなる。   The operation method of the fuel cell system described in Patent Document 1 emphasizes only the power generation efficiency of the fuel cell, and does not consider the state of the power storage device. That is, although the power that can be stored in the power storage device is finite, the operation is performed without considering the amount of stored power (SOC). As a result, the SOC becomes 100% depending on the change in the required power from the load. It may become impossible to store any more power. In this case, when the required power from the load is reduced, the reduction in the generated power of the fuel cell cannot be suppressed as described above, so that the operation efficiency of the fuel cell system is lowered.

逆に、負荷からの要求電力の変化によってはSOCが0%となってしまうこともある。その場合は、負荷からの要求電力が増加した際において、燃料電池の発電電力の増加を抑制することができないため、やはり燃料電池システムの運転効率が低下してしまうこととなる。   Conversely, the SOC may become 0% depending on the change in the required power from the load. In that case, when the required power from the load increases, the increase in the power generated by the fuel cell cannot be suppressed, and the operating efficiency of the fuel cell system will also decrease.

更に、上記特許文献1に記載の燃料電池システムの運転方法は、SOCが0%から100%までの広い範囲で変動しうるため、蓄電装置への負担が大きく、蓄電装置が短期間で劣化してしまうという問題も生じていた。   Furthermore, since the operating method of the fuel cell system described in Patent Document 1 can vary in a wide range from 0% to 100%, the burden on the power storage device is large, and the power storage device deteriorates in a short period of time. There was also a problem that it would end up.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の発電効率を向上させながらも蓄電装置の蓄電量の変動幅を抑制し、蓄電装置の劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and its object is to suppress the fluctuation range of the amount of electricity stored in the power storage device while improving the power generation efficiency of the fuel cell, and to suppress deterioration of the power storage device. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system.

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池からの発電電力を、負荷からの要求電力に基づいて前記負荷に出力する燃料電池システムにおいて、前記要求電力を検知する要求電力検知手段と、前記発電電力を制御する制御手段と、前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続され、蓄電及び放電を行う蓄電装置と、前記蓄電装置の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、を備え、前記制御装置は、前記蓄電量が所定の第一蓄電量よりも多い場合には、前記要求電力が増加した際における前記発電電力の増加を抑制し、前記蓄電量が前記第一蓄電量よりも少ない場合には、前記要求電力が減少した際における前記発電電力の減少を抑制することによって、前記蓄電量の変動幅を抑制する蓄電量調整制御を行うことを特徴としている。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention provides a required power for detecting the required power in a fuel cell system that outputs generated power from the fuel cell to the load based on the required power from the load. Detection means; control means for controlling the generated power; a power storage device connected in parallel to the fuel cell with respect to the load for storing and discharging; and a storage amount detection means for detecting a storage amount of the power storage device. The control device suppresses an increase in the generated power when the required power increases when the stored power amount is greater than a predetermined first stored power amount, and the stored power amount is When the amount of stored electricity is less than one storage amount, the storage amount adjustment control is performed to suppress a fluctuation range of the stored amount of electricity by suppressing a decrease in the generated power when the required power decreases. It is.

本発明では、負荷からの要求電力の増加時においては燃料電池からの発電電力の増加を抑制する一方、要求電力の減少時においては燃料電池からの発電電力の減少を抑制する。これにより、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。一方、本発明では、負荷からの要求電力の増加時における発電電力の増加の抑制、及び、要求電力の減少時における発電電力の減少の抑制を、常に行うのではなく、蓄電装置の蓄電量に基づいて行う。   In the present invention, when the required power from the load increases, the increase in the generated power from the fuel cell is suppressed, while when the required power decreases, the decrease in the generated power from the fuel cell is suppressed. Thereby, the operation efficiency of the fuel cell system can be improved. On the other hand, in the present invention, the increase in the generated power when the required power from the load is increased and the decrease in the generated power when the required power is decreased are not always performed, but the amount of power stored in the power storage device is reduced. Based on.

具体的には、蓄電装置の蓄電量が所定の第一蓄電量よりも多い場合にのみ、負荷からの要求電力が増加した際における発電電力の増加の抑制を行う。発電電力の増加が抑制される結果、要求電力に対する不足分を補うために蓄電装置の蓄電量は減少し、第一蓄電量に近づくこととなる。また、蓄電装置の蓄電量が所定の第一蓄電量よりも少ない場合にのみ、負荷からの要求電力が減少した際における発電電力の減少の抑制を行う。発電電力の減少が抑制される結果、要求電力に対する余剰分が蓄電されるために蓄電装置の蓄電量は増加し、第一蓄電量に近づくこととなる。   Specifically, the increase in the generated power when the required power from the load increases is suppressed only when the power storage amount of the power storage device is larger than the predetermined first power storage amount. As a result of suppressing the increase in the generated power, the amount of power stored in the power storage device decreases to make up for the shortage with respect to the required power, and approaches the first power storage amount. Further, only when the amount of power stored in the power storage device is smaller than the predetermined first power storage amount, the reduction of the generated power when the required power from the load is reduced is suppressed. As a result of suppressing the decrease in the generated power, a surplus with respect to the required power is stored, so the amount of power stored in the power storage device increases and approaches the first power storage amount.

このように、発電電力の変化に伴って蓄電装置の蓄電量が第一蓄電量に近づくように制御するため、上記制御は、蓄電量の変動幅を抑制する蓄電量調整制御を構成している。本発明では、上記蓄電量調整制御によって蓄電量の変動幅が抑制される結果、蓄電装置への負担が小さくなり、蓄電装置の劣化を抑制することができる。   Thus, in order to control the power storage amount of the power storage device to approach the first power storage amount as the generated power changes, the above control constitutes a power storage amount adjustment control that suppresses the fluctuation range of the power storage amount. . In the present invention, as a result of suppressing the fluctuation range of the storage amount by the storage amount adjustment control, the burden on the storage device is reduced, and the deterioration of the storage device can be suppressed.

更に、上記蓄電量調整制御によって、蓄電装置の蓄電量が0%又は100%に到達してしまうことが抑制される。このため、燃料電池からの出力の増加を抑制する制御、及び、燃料電池からの出力の減少を抑制する制御を、常に実行可能な状態とすることができる。   Furthermore, the amount of electricity stored in the electricity storage device is suppressed from reaching 0% or 100% by the above-described amount adjustment control of electricity. For this reason, the control which suppresses the increase in the output from a fuel cell, and the control which suppresses the decrease in the output from a fuel cell can always be made into an executable state.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記蓄電量と前記第一蓄電量との差が大きいほど、前記要求電力が増加した際における前記発電電力の増加の抑制量が大きくなるように制御し、前記第一蓄電量と前記蓄電量との差が大きいほど、前記要求電力が減少した際における前記発電電力の減少の抑制量が大きくなるように制御することも好ましい。   In the fuel cell system according to the present invention, as the difference between the storage amount and the first storage amount increases, the control device increases a suppression amount of the generated power when the required power increases. It is also preferable to perform control so that as the difference between the first power storage amount and the power storage amount increases, the suppression amount of the decrease in the generated power when the required power decreases is increased.

この好ましい態様では、制御装置は、蓄電量と第一蓄電量との差が大きいほど、要求電力が増加した際における発電電力の増加の抑制量が大きくなるように制御し、第一蓄電量と蓄電量との差が大きいほど、要求電力が減少した際における発電電力の減少の抑制量が大きくなるように制御する。   In this preferable aspect, the control device performs control so that the amount of suppression of increase in generated power when the required power increases as the difference between the charged amount and the first charged amount increases, Control is performed such that the greater the difference from the amount of stored electricity, the greater the amount of suppression of reduction in generated power when the required power is reduced.

蓄電装置の蓄電量と第一蓄電量との差が大きいほど、要求電力が増加した際における発電電力の増加の抑制量が大きくなるように制御するため、要求電力に対する不足分を補うために蓄電装置から放電される電力が大きくなる。このため、蓄電量の減少量が大きくなり、蓄電量を第一蓄電量により近づけることができる。   The larger the difference between the amount of electricity stored in the electricity storage device and the first amount of electricity stored, the greater the amount of suppression of the increase in generated power when the required power increases. The power discharged from the device increases. For this reason, the amount of decrease in the charged amount is increased, and the charged amount can be made closer to the first charged amount.

また、第一蓄電量と蓄電装置の蓄電量との差が大きいほど、要求電力が減少した際における発電電力の減少の抑制量が大きくなるように制御するため、蓄電装置に蓄電される余剰電力が大きくなる。このため、蓄電量の増加量が大きくなり、蓄電量を第一蓄電量により近づけることができる。   In addition, as the difference between the first power storage amount and the power storage amount of the power storage device is larger, the amount of surplus power stored in the power storage device is controlled to increase the amount of suppression of the decrease in generated power when the required power decreases. Becomes larger. For this reason, the amount of increase in the charged amount is increased, and the charged amount can be made closer to the first charged amount.

すなわち、この好ましい態様によれば、蓄電装置の蓄電量に応じてより適切な蓄電量調整制御を行い、蓄電量の変動幅を更に抑制することができる。   That is, according to this preferable aspect, more appropriate storage amount adjustment control can be performed according to the storage amount of the power storage device, and the fluctuation range of the storage amount can be further suppressed.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記蓄電量が前記第一蓄電量に収束するように、前記蓄電量と前記第一蓄電量との偏差をフィードバックしながら前記発電電力を制御することも好ましい。   Further, in the fuel cell system according to the present invention, the control means feeds the generated power while feeding back a deviation between the charged amount and the first charged amount so that the charged amount converges to the first charged amount. It is also preferable to control.

上記の蓄電量調整制御によれば、負荷からの要求電力が変動する際においてのみ、蓄電装置の蓄電量を第一蓄電量に近づけるような制御が行われる。従って、負荷からの要求電力の変動が少ない状況においては、蓄電量と第一蓄電量との間に一定の偏差が残ってしまう場合がある。   According to the power storage amount adjustment control described above, control is performed such that the power storage amount of the power storage device approaches the first power storage amount only when the required power from the load fluctuates. Therefore, in a situation where there is little variation in the required power from the load, a certain deviation may remain between the charged amount and the first charged amount.

この好ましい態様では、制御手段は、蓄電量が第一蓄電量に収束するように、蓄電量と第一蓄電量との偏差をフィードバックしながら発電電力を制御する。これにより、負荷からの要求電力の変動が少ない状況においても蓄電装置の蓄電量が第一蓄電量に収束するように制御し、蓄電量の変動幅を更に抑制することができる。   In this preferable aspect, the control means controls the generated power while feeding back the deviation between the charged amount and the first charged amount so that the charged amount converges to the first charged amount. As a result, even in a situation where there is little fluctuation in the required power from the load, the amount of electricity stored in the power storage device can be controlled to converge to the first electricity storage amount, and the fluctuation range of the electricity storage amount can be further suppressed.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記発電電力の変動を抑制する平準化処理を行うことも好ましい。   In the fuel cell system according to the present invention, it is also preferable that the control device performs a leveling process for suppressing fluctuations in the generated power.

燃料電池においては、出力電圧が変動することによりその発電性能が低下してしまうという現象が知られている。これは、出力電圧が変動することに伴って、燃料電池セルの電極に担持されている触媒の一部が溶出し、触媒の有効面積が低下するというものである。発電性能の低下は、出力電圧の変動幅が大きいほど、また、出力電圧の変動回数が多いほど、著しくなることが知られている。   In a fuel cell, a phenomenon is known in which the power generation performance is lowered due to fluctuations in the output voltage. As the output voltage fluctuates, a part of the catalyst carried on the electrode of the fuel cell elutes and the effective area of the catalyst decreases. It is known that the decrease in power generation performance becomes more significant as the fluctuation range of the output voltage is larger and as the number of fluctuations of the output voltage is larger.

この好ましい態様では、制御装置は、発電電力の変動を抑制する平準化処理を行う。平準化処理によって発電電力の変動が抑制されるため、燃料電池の出力電圧の変動も抑制される。その結果、蓄電量調整制御によって蓄電装置の劣化を抑制しながら、燃料電池の発電性能の劣化も抑制することができる。   In this preferred embodiment, the control device performs a leveling process that suppresses fluctuations in the generated power. Since the fluctuation of the generated power is suppressed by the leveling process, the fluctuation of the output voltage of the fuel cell is also suppressed. As a result, it is possible to suppress deterioration of the power generation performance of the fuel cell while suppressing deterioration of the power storage device by the storage amount adjustment control.

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記蓄電量が、前記第一蓄電量よりも少ない所定の第二蓄電量を下回っている場合には、前記蓄電量調整制御を行わないことも好ましい。   In the fuel cell system according to the present invention, the control device does not perform the storage amount adjustment control when the storage amount is below a predetermined second storage amount that is smaller than the first storage amount. It is also preferable.

蓄電装置の蓄電量が低下している状況においては、蓄電装置の放電によって負荷に供給することのできる電力が少ない。このため、蓄電量調整制御を適切に行うことができず、燃料電池システムからの電力出力が低下してしまう可能性がある。また、燃料電池からの発電電力の変動を抑制する平準化処理を行う場合においても、平準化した発電電力と要求電力との差を蓄電装置の放電によって補うことができず、平準化処理を適切に行うことができない可能性がある。   In a situation where the amount of power stored in the power storage device is decreasing, there is little power that can be supplied to the load by discharging the power storage device. For this reason, power storage amount adjustment control cannot be performed appropriately, and the power output from the fuel cell system may be reduced. In addition, even when performing a leveling process that suppresses fluctuations in the generated power from the fuel cell, the difference between the leveled generated power and the required power cannot be compensated for by the discharge of the power storage device. You may not be able to do it.

この好ましい態様では、制御装置は、蓄電量が第一蓄電量よりも少ない所定の第二蓄電量を下回っている場合には、蓄電量調整制御を行わない。これにより、蓄電装置の蓄電量が低下している状況においては蓄電量調整制御及び平準化処理をいずれも行わず、燃料電池からの発電電力によって燃料電池システムからの出力を維持することができる。   In this preferable aspect, the control device does not perform the power storage amount adjustment control when the power storage amount is below a predetermined second power storage amount that is smaller than the first power storage amount. Thereby, in the situation where the amount of electricity stored in the electricity storage device is decreasing, neither the amount adjustment control nor the leveling process is performed, and the output from the fuel cell system can be maintained by the generated power from the fuel cell.

本発明によれば、燃料電池の発電効率を向上させながらも蓄電装置の蓄電量の変動幅を抑制し、蓄電装置の劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can suppress the fluctuation range of the electrical storage amount of an electrical storage apparatus, and can suppress degradation of an electrical storage apparatus, improving the electric power generation efficiency of a fuel cell can be provided.

本発明の一実施形態である燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の、システム構成を示した図である。It is the figure which showed the system configuration | structure of the fuel cell vehicle carrying the fuel cell system which is one Embodiment of this invention. 図1に示した燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電電力の時間変化を示すグラフである。2 is a graph showing a change with time of power generated by the fuel cell in the fuel cell system shown in FIG. 1. 図1に示した燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電電力の時間変化を示すグラフである。2 is a graph showing a change with time of power generated by the fuel cell in the fuel cell system shown in FIG. 1. 図1に示した燃料電池システムにおいて行われる制御を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows the control performed in the fuel cell system shown in FIG. 図1に示した燃料電池システムにおいて行われる制御を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows the control performed in the fuel cell system shown in FIG. 図5に示した制御ブロック図における、ゲインマップを表す図である。It is a figure showing the gain map in the control block diagram shown in FIG. 図1に示した燃料電池システムにおいて行われる制御を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows the control performed in the fuel cell system shown in FIG. 図1に示した燃料電池システムにおいて行われる制御を示すフローチャートである。2 is a flowchart showing control performed in the fuel cell system shown in FIG. 1.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

図1は、本発明の一実施形態である燃料電池システム10を搭載した燃料電池車両の、システム構成を示す図である。燃料電池システム10は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス(燃料ガス、酸化剤ガス)の供給を受けて発電する燃料電池スタック20と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック20に供給するための酸化剤ガス供給系30(酸化剤ガス供給手段)と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック20に供給するための燃料ガス供給系40(燃料ガス供給手段)と、電力の充放電を制御するための電力系50と、システム全体を統括制御するコントローラ60(制御手段)とを備えている。   FIG. 1 is a diagram showing a system configuration of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system 10 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 functions as an in-vehicle power supply system mounted on a fuel cell vehicle. The fuel cell stack 20 generates electric power by receiving supply of reaction gas (fuel gas, oxidant gas), and oxidant gas. An oxidant gas supply system 30 (oxidant gas supply means) for supplying the air to the fuel cell stack 20 and a fuel gas supply system 40 (fuel for supplying hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell stack 20) Gas supply means), a power system 50 for controlling charge / discharge of power, and a controller 60 (control means) for overall control of the entire system.

燃料電池スタック20は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック20では、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じる。燃料電池スタック20全体としては(3)式の起電反応が生じる。   The fuel cell stack 20 is a solid polymer electrolyte cell stack formed by stacking a large number of cells in series. In the fuel cell stack 20, the oxidation reaction of the formula (1) occurs at the anode electrode, and the reduction reaction of the equation (2) occurs at the cathode electrode. In the fuel cell stack 20 as a whole, the electromotive reaction of the formula (3) occurs.

H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
H2 → 2H ++ 2e- (1)
(1/2) O2 + 2H ++ 2e-> H2O (2)
H2 + (1/2) O2 → H2O (3)

燃料電池スタック20には、燃料電池スタック20の出力端子電圧(スタック電圧Vc)を検出するための電圧センサ71、及び出力電流(スタック電流)を検出するための電流センサ72が取り付けられている。   A voltage sensor 71 for detecting the output terminal voltage (stack voltage Vc) of the fuel cell stack 20 and a current sensor 72 for detecting the output current (stack current) are attached to the fuel cell stack 20.

酸化剤ガス供給系30は、燃料電池スタック20のカソード極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路33と、燃料電池スタック20から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路34とを有している。酸化剤ガス通路33には、フィルタ31を介して大気中から酸化剤ガスを取り込むエアコンプレッサ32と、エアコンプレッサ32により加圧される酸化剤ガスを加湿するための加湿器35と、燃料電池スタック20への酸化剤ガス供給を遮断するための遮断弁A1とが設けられている。酸化オフガス通路34には、燃料電池スタック20からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁A2と、酸化剤ガス供給圧を調整するための背圧調整弁A3と、酸化剤ガス(ドライガス)と酸化オフガス(ウェットガス)との間で水分交換するための加湿器35とが設けられている。   The oxidant gas supply system 30 has an oxidant gas passage 33 through which the oxidant gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 20 flows and an oxidant off gas passage 34 through which the oxidant off-gas discharged from the fuel cell stack 20 flows. doing. The oxidant gas passage 33 has an air compressor 32 that takes in the oxidant gas from the atmosphere via the filter 31, a humidifier 35 for humidifying the oxidant gas pressurized by the air compressor 32, and a fuel cell stack. A shutoff valve A1 for shutting off the oxidant gas supply to 20 is provided. In the oxidizing off gas passage 34, a shutoff valve A2 for shutting off the oxidizing off gas discharge from the fuel cell stack 20, a back pressure adjusting valve A3 for adjusting the oxidizing gas supply pressure, and an oxidizing gas (dry gas). And a humidifier 35 for exchanging moisture between the gas and the oxidizing off gas (wet gas).

燃料ガス供給系40は、燃料ガス供給源41と、燃料ガス供給源41から燃料電池スタック20のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路43と、燃料電池スタック20から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路43に帰還させるための循環通路44と、循環通路44内の燃料オフガスを燃料ガス通路43に圧送する循環ポンプ45と、循環通路44に分岐接続される排気排水通路46とを有している。   The fuel gas supply system 40 includes a fuel gas supply source 41, a fuel gas passage 43 through which fuel gas supplied from the fuel gas supply source 41 to the anode electrode of the fuel cell stack 20 flows, and fuel discharged from the fuel cell stack 20. A circulation passage 44 for returning off-gas to the fuel gas passage 43, a circulation pump 45 for pressure-feeding the fuel off-gas in the circulation passage 44 to the fuel gas passage 43, and an exhaust / drain passage 46 branched and connected to the circulation passage 44 Have.

燃料ガス供給源41は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧(例えば、35MPa乃至70MPa)の水素ガスを貯留する。遮断弁H1を開くと、燃料ガス供給源41から燃料ガス通路43に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータH2やインジェクタ42により、例えば、200kPa程度まで減圧されて、燃料電池スタック20に供給される。   The fuel gas supply source 41 is composed of, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy, and stores high-pressure (for example, 35 MPa to 70 MPa) hydrogen gas. When the shut-off valve H1 is opened, the fuel gas flows out from the fuel gas supply source 41 into the fuel gas passage 43. The fuel gas is decompressed to about 200 kPa, for example, by the regulator H2 and the injector 42, and supplied to the fuel cell stack 20.

尚、燃料ガス供給源41は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。   The fuel gas supply source 41 includes a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from a hydrocarbon-based fuel, and a high-pressure gas tank that stores the reformed gas generated by the reformer in a high-pressure state. It may be configured.

燃料ガス通路43には、燃料ガス供給源41からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための遮断弁H1と、燃料ガスの圧力を調整するレギュレータH2と、燃料電池スタック20への燃料ガス供給量を制御するインジェクタ42と、燃料電池スタック20への燃料ガス供給を遮断するための遮断弁H3と、圧力センサ74とが設けられている。   In the fuel gas passage 43, a shutoff valve H1 for shutting off or allowing the supply of the fuel gas from the fuel gas supply source 41, a regulator H2 for adjusting the pressure of the fuel gas, and a fuel gas supply to the fuel cell stack 20 An injector 42 for controlling the amount, a shutoff valve H3 for shutting off the supply of fuel gas to the fuel cell stack 20, and a pressure sensor 74 are provided.

レギュレータH2は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタ42の上流側にレギュレータH2を配置することにより、インジェクタ42の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ42の機械的構造(弁体、筺体、流路、駆動装置等)の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ42の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ42の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ42の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ42の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ42の応答性の低下を抑制することができる。   The regulator H2 is a device that regulates the upstream side pressure (primary pressure) to a preset secondary pressure, and includes, for example, a mechanical pressure reducing valve that reduces the primary pressure. The mechanical pressure reducing valve has a housing in which a back pressure chamber and a pressure adjusting chamber are formed with a diaphragm therebetween, and the primary pressure is reduced to a predetermined pressure in the pressure adjusting chamber by the back pressure in the back pressure chamber. It has a configuration for the next pressure. By arranging the regulator H2 upstream of the injector 42, the upstream pressure of the injector 42 can be effectively reduced. For this reason, the design freedom of the mechanical structure (a valve body, a housing, a flow path, a drive device, etc.) of the injector 42 can be increased. Further, since the upstream pressure of the injector 42 can be reduced, it is possible to prevent the valve body of the injector 42 from becoming difficult to move due to an increase in the differential pressure between the upstream pressure and the downstream pressure of the injector 42. be able to. Therefore, it is possible to widen the adjustable pressure width of the downstream pressure of the injector 42 and to suppress a decrease in responsiveness of the injector 42.

インジェクタ42は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ42は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。   The injector 42 is an electromagnetically driven on-off valve capable of adjusting the gas flow rate and gas pressure by driving the valve body directly at a predetermined driving cycle with an electromagnetic driving force and separating it from the valve seat. The injector 42 includes a valve seat having an injection hole for injecting gaseous fuel such as fuel gas, a nozzle body for supplying and guiding the gaseous fuel to the injection hole, and an axial direction (gas flow direction) with respect to the nozzle body. And a valve body that is slidably accommodated and opens and closes the injection hole.

本実施形態においては、インジェクタ42の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を2段階に切り替えることができる。コントローラ60から出力される制御信号によってインジェクタ42のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、燃料ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ42は、弁(弁体及び弁座)を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。インジェクタ42は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ42のガス流路に設けられた弁体の開口面積(開度)及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量(又は水素モル濃度)を調整する。   In the present embodiment, the valve element of the injector 42 is driven by a solenoid that is an electromagnetic drive device, and the opening area of the injection hole can be switched in two stages by turning on and off the pulsed excitation current supplied to the solenoid. it can. By controlling the gas injection time and gas injection timing of the injector 42 by the control signal output from the controller 60, the flow rate and pressure of the fuel gas are controlled with high accuracy. The injector 42 directly opens and closes the valve (valve body and valve seat) with an electromagnetic driving force, and has a high responsiveness because its driving cycle can be controlled to a highly responsive region. The injector 42 changes its downstream area by changing at least one of the opening area (opening) and the opening time of the valve provided in the gas flow path of the injector 42 in order to supply the required gas flow rate downstream. The gas flow rate (or hydrogen molar concentration) supplied to the side is adjusted.

循環通路44には、燃料電池スタック20からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁H4と、循環通路44から分岐する排気排水通路46とが接続されている。排気排水通路46には、排気排水弁H5が配設されている。排気排水弁H5は、コントローラ60からの指令によって作動することにより、循環通路44内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁H5の開弁により、循環通路44内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。   The circulation passage 44 is connected to a shutoff valve H4 for shutting off the fuel off-gas discharge from the fuel cell stack 20 and an exhaust drainage passage 46 branched from the circulation passage 44. An exhaust / drain valve H5 is disposed in the exhaust / drain passage 46. The exhaust / drain valve H <b> 5 is operated according to a command from the controller 60, thereby discharging the fuel off-gas containing impurities in the circulation passage 44 and moisture to the outside. By opening the exhaust / drain valve H5, the concentration of impurities in the fuel off-gas in the circulation passage 44 decreases, and the hydrogen concentration in the fuel off-gas circulating in the circulation system can be increased.

排気排水弁H5を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路34を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器(図示せず)によって希釈される。循環ポンプ45は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック20に循環供給する。   The fuel off-gas discharged through the exhaust / drain valve H5 is mixed with the oxidizing off-gas flowing through the oxidizing off-gas passage 34 and diluted by a diluter (not shown). The circulation pump 45 circulates and supplies the fuel off gas in the circulation system to the fuel cell stack 20 by driving the motor.

電力系50は、DC/DCコンバータ51、バッテリ52、トラクションインバータ53、トラクションモータ54、及び補機類55を備えている。燃料電池システム10は、DC/DCコンバータ51とトラクションインバータ53とが並列に燃料電池スタック20に接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。DC/DCコンバータ51は、バッテリ52から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ53に出力する機能と、燃料電池スタック20が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ54が回収した回生電力を降圧してバッテリ52に充電する機能とを有する。DC/DCコンバータ51のこれらの機能により、バッテリ52の充放電が制御される。また、DC/DCコンバータ51による電圧変換制御により、燃料電池スタック20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)が制御される。   The power system 50 includes a DC / DC converter 51, a battery 52, a traction inverter 53, a traction motor 54, and auxiliary machinery 55. The fuel cell system 10 is configured as a parallel hybrid system in which a DC / DC converter 51 and a traction inverter 53 are connected to the fuel cell stack 20 in parallel. The DC / DC converter 51 boosts the DC voltage supplied from the battery 52 and outputs it to the traction inverter 53, and the DC power generated by the fuel cell stack 20, or the regenerative power collected by the traction motor 54 by regenerative braking. And a function of charging the battery 52 by stepping down the voltage. The charge / discharge of the battery 52 is controlled by these functions of the DC / DC converter 51. Further, the operation point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20 is controlled by voltage conversion control by the DC / DC converter 51.

バッテリ52は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ52としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ52には、SOC(State of charge)を検出するためのSOCセンサ73が取り付けられている。   The battery 52 functions as a surplus power storage source, a regenerative energy storage source during regenerative braking, and an energy buffer during load fluctuations associated with acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle. As the battery 52, for example, a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery is suitable. An SOC sensor 73 for detecting SOC (State of charge) is attached to the battery 52.

トラクションインバータ53は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータであり、コントローラ60からの制御指令に従って、燃料電池スタック20又はバッテリ52から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ54の回転トルクを制御する。トラクションモータ54は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。   The traction inverter 53 is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method, and converts a DC voltage output from the fuel cell stack 20 or the battery 52 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from the controller 60. The rotational torque of the traction motor 54 is controlled. The traction motor 54 is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a power source of the fuel cell vehicle.

補機類55は、燃料電池システム10内の各部に配置されている各モータ(例えば、ポンプ類などの動力源)や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類(例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど)を総称するものである。   Auxiliary machines 55 are motors (for example, power sources such as pumps) arranged in each part in the fuel cell system 10, inverters for driving these motors, and various on-vehicle auxiliary machines. (For example, an air compressor, an injector, a cooling water circulation pump, a radiator, etc.) is a general term.

コントローラ60は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム10の各部を制御する。例えば、コントローラ60は、イグニッションスイッチIGの状態がONになったことを検知すると、燃料電池システム10の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ACCや、車速センサから出力される車速信号VVなどを基に、負荷からの要求電力を求める。すなわち、コントローラ60は、要求電力を検知する要求電力検知手段としての機能を備えている。負荷からの要求電力とは、車両走行電力と補機電力との合計値である。   The controller 60 is a computer system including a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface, and controls each part of the fuel cell system 10. For example, when the controller 60 detects that the state of the ignition switch IG is ON, the controller 60 starts the operation of the fuel cell system 10 and is output from the accelerator opening signal ACC output from the accelerator sensor or the vehicle speed sensor. The required power from the load is obtained based on the vehicle speed signal VV and the like. That is, the controller 60 has a function as required power detection means for detecting required power. The required power from the load is the total value of the vehicle running power and the auxiliary machine power.

ここで、補機電力とは、加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、冷却水循環ポンプ等の補機で消費される電力のことである。すなわち、本実施形態の燃料電池システム10においては、燃料電池車両の動力源であるトラクションモータ54及び上記補機が、燃料電池システム10から電力の供給を受ける負荷に相当する。   Here, the auxiliary power is the power consumed by auxiliary equipment such as a humidifier, an air compressor, a hydrogen pump, and a cooling water circulation pump. That is, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, the traction motor 54 and the auxiliary machine, which are power sources of the fuel cell vehicle, correspond to a load that receives power supply from the fuel cell system 10.

そして、コントローラ60は、燃料電池スタック20とバッテリ52とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック20の発電電力FPが目標電力に一致するように、酸化剤ガス供給系30及び燃料ガス供給系40を制御するとともに、DC/DCコンバータ51を制御して、燃料電池スタック20の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)を制御する。更に、コントローラ60は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、U相、V相、及びW相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ53に出力し、トラクションモータ54の出力トルク、及び回転数を制御する。   Then, the controller 60 determines the distribution of the output power of each of the fuel cell stack 20 and the battery 52, and the oxidant gas supply system 30 and the fuel so that the generated power FP of the fuel cell stack 20 matches the target power. The operating point (output voltage, output current) of the fuel cell stack 20 is controlled by controlling the gas supply system 40 and the DC / DC converter 51 to adjust the output voltage of the fuel cell stack 20. Further, the controller 60 outputs, for example, each of the U-phase, V-phase, and W-phase AC voltage command values to the traction inverter 53 as a switching command so as to obtain a target torque corresponding to the accelerator opening, The output torque of the motor 54 and the rotation speed are controlled.

本実施形態の燃料電池システム10では、上記のように、負荷からの要求電力RPの変化に応じて、燃料電池システム10から負荷に供給(出力)する電力が変化するように、コントローラ60による制御が行われる。要求電力RP、燃料電池スタック20の発電電力FP、及び、燃料電池システム10から実際に負荷に供給されるシステム電力SPの時間変化を、図2及び図3を参照しながら説明する。   In the fuel cell system 10 of the present embodiment, as described above, the control by the controller 60 is performed so that the power supplied (output) from the fuel cell system 10 to the load changes according to the change in the required power RP from the load. Is done. The time change of the required power RP, the generated power FP of the fuel cell stack 20, and the system power SP actually supplied from the fuel cell system 10 to the load will be described with reference to FIGS.

図2は、バッテリ52のSOCが、その目標値である目標蓄電量TSOC(第一蓄電量)である50%よりも少ない状況において、負荷からの要求電力RPが変化した際の発電電力FP、及び、システム電力SPの時間変化を示すグラフである。図2では、時刻t1において要求電力RPがW0からW1に増加した後、時刻t2において要求電力RPがW1からW0に減少した場合の時間変化を示している。   FIG. 2 shows the generated power FP when the required power RP from the load changes in a situation where the SOC of the battery 52 is less than 50%, which is the target storage amount TSOC (first storage amount) that is the target value. And it is a graph which shows the time change of system electric power SP. FIG. 2 shows a time change when the required power RP decreases from W0 to W1 at time t1, and then the required power RP decreases from W1 to W0 at time t2.

時刻t1において要求電力RPがW0からW1に増加すると、コントローラ60は、燃料電池スタック20の発電電力FPをW1まで直ちに増加させる。すなわち、要求電力RPを全て発電電力FPで賄うように、燃料電池システム10の電力出力が制御される。このため、時刻t1から時刻t2にかけては、発電電力FPとシステム電力SPとが等しくなっている。   When the required power RP increases from W0 to W1 at time t1, the controller 60 immediately increases the generated power FP of the fuel cell stack 20 to W1. That is, the power output of the fuel cell system 10 is controlled so that the required power RP is entirely covered by the generated power FP. For this reason, the generated power FP and the system power SP are equal from the time t1 to the time t2.

続いて、時刻t2において要求電力RPがW1からW0に減少すると、コントローラ60は、燃料電池スタック20の発電電力FPをW0まで減少させる。このとき、W0まで直ちに減少させるのではなく、発電電力FPの減少を抑制し、減少速度が緩やかになるように制御が行われる。このとき、発電電力FPには余剰分が発生するが、かかる余剰分はバッテリ52に蓄電される。その結果、燃料電池システム10から負荷に供給されるシステム電力SPは、W0まで直ちに減少している。   Subsequently, when the required power RP decreases from W1 to W0 at time t2, the controller 60 decreases the generated power FP of the fuel cell stack 20 to W0. At this time, the control is performed so as not to immediately decrease to W0 but to suppress the decrease in the generated power FP and to reduce the decrease rate. At this time, a surplus is generated in the generated power FP, but the surplus is stored in the battery 52. As a result, the system power SP supplied from the fuel cell system 10 to the load immediately decreases to W0.

時刻t2においては、それまでの燃料電池スタック20の発電電力FPが大きかったため、高分子電解質膜のプロトン導電率が向上しており、燃料電池スタック20は高い発電効率で発電を行っている状態となっている。高分子電解質膜のプロトン導電率は、その後、燃料電池スタック20の発電電力FPを減少させても直ちには減少せず、一定の遅れをもって減少することが知られている。すなわち、燃料電池スタック20の発電電力FPを減少させる際は発電効率が高い。   At time t2, since the generated power FP of the fuel cell stack 20 so far was large, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane has been improved, and the fuel cell stack 20 is generating power with high power generation efficiency. It has become. It is known that the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane does not decrease immediately even if the generated power FP of the fuel cell stack 20 is decreased thereafter, but decreases with a certain delay. That is, the power generation efficiency is high when the generated power FP of the fuel cell stack 20 is reduced.

そこで、本実施形態では上記のように、システム電力SPが減少する時刻t2以降においても、燃料電池スタック20における発電電力FPを直ちには減少させないことで、高い発電効率で発電を行っている状態を利用している。このときの発電電力FPの余剰分はバッテリ52に蓄電されるため、バッテリ52のSOCを目標蓄電量TSOCである50%に近づけることができる。尚、目標蓄電量TSOCは50%に限られるものではなく、バッテリ52の種類や構成などに応じて適宜設定されるものである。一般的には、40%から80%の範囲で設定される。   Therefore, in the present embodiment, as described above, even after time t2 when the system power SP decreases, the generated power FP in the fuel cell stack 20 is not immediately decreased, so that the power generation is performed with high power generation efficiency. We are using. Since the surplus of the generated power FP at this time is stored in the battery 52, the SOC of the battery 52 can be brought close to the target storage amount TSOC of 50%. Note that the target power storage amount TSOC is not limited to 50%, and is appropriately set according to the type and configuration of the battery 52. Generally, it is set in the range of 40% to 80%.

一方、時刻t1においては、それまでの燃料電池スタック20の発電電力FPが小さかったため、高分子電解質膜のプロトン導電率が低下しており、燃料電池スタック20は低い発電効率で発電を行っている状態となっている。高分子電解質膜のプロトン導電率は、その後、燃料電池スタック20の発電電力FPを増加させても直ちには増加せず、一定の遅れをもって増加することが知られている。すなわち、燃料電池スタック20の発電電力FPを増加させる際は発電効率が低い。   On the other hand, at time t1, the generated electric power FP of the fuel cell stack 20 so far has been small, so the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane is reduced, and the fuel cell stack 20 is generating power with low power generation efficiency. It is in a state. It is known that the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane does not increase immediately even if the generated power FP of the fuel cell stack 20 is increased thereafter, but increases with a certain delay. That is, when the generated power FP of the fuel cell stack 20 is increased, the power generation efficiency is low.

このため、時刻t1以降においては燃料電池スタック20の発電電力FPを直ちには増加させず、不足分をバッテリ52からの放電によって補う方が、燃料電池スタック20の発電効率の観点からは望ましい。しかしその場合、バッテリ52のSOCが更に減少することとなる。SOCが目標蓄電量TSOCである50%よりも少ない状況から更に減少すると、バッテリ52への負担が大きくなり、バッテリ52が短期間で劣化してしまう。そこで、本実施形態では図2のように、バッテリ52のSOCが目標蓄電量TSOC(第一蓄電量)である50%よりも少ない状況では、時刻t1において発電電力FPを直ちに増加させている。すなわち、バッテリ52のSOCの変動と、燃料電池スタック20の発電効率をいずれも考慮しながら、燃料電池スタック20の発電電力FPを制御している。   For this reason, it is desirable from the viewpoint of power generation efficiency of the fuel cell stack 20 that the generated power FP of the fuel cell stack 20 is not immediately increased after time t1 and the shortage is compensated by discharge from the battery 52. However, in that case, the SOC of the battery 52 is further reduced. If the SOC further decreases from a state where the SOC is less than the target power storage amount TSOC of 50%, the burden on the battery 52 increases and the battery 52 deteriorates in a short period of time. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, in the situation where the SOC of the battery 52 is less than 50%, which is the target charged amount TSOC (first charged amount), the generated power FP is immediately increased at time t1. That is, the generated power FP of the fuel cell stack 20 is controlled while taking into consideration both the SOC variation of the battery 52 and the power generation efficiency of the fuel cell stack 20.

図3は、バッテリ52のSOCが目標蓄電量TSOC(第一蓄電量)である50%よりも多い状況において、負荷からの要求電力RPが変化した際の発電電力FP、及び、システム電力SPの時間変化を示すグラフである。図3では、時刻t3において要求電力RPがW0からW1に増加した後、時刻t4において要求電力RPがW1からW0に減少した場合の時間変化を示している。   FIG. 3 shows the state of the generated power FP and the system power SP when the required power RP from the load changes in a situation where the SOC of the battery 52 is larger than 50%, which is the target power storage amount TSOC (first power storage amount). It is a graph which shows a time change. FIG. 3 shows a time change when the required power RP decreases from W1 to W0 at time t4 after the required power RP increases from W0 to W1 at time t3.

図2の場合と異なり、時刻t3において要求電力RPがW0からW1に増加すると、コントローラ60は、燃料電池スタック20の発電電力FPをW1まで直ちに増加させず、発電電力FPの増加を抑制し、増加速度が緩やかになるように制御する。このとき、発電電力FPだけでは要求電力RPに満たないが、かかる不足分はバッテリ52からの放電によって補われる。その結果、燃料電池システム10から負荷に供給されるシステム電力SPは、W1まで直ちに増加している。   Unlike the case of FIG. 2, when the required power RP increases from W0 to W1 at time t3, the controller 60 does not immediately increase the generated power FP of the fuel cell stack 20 to W1, but suppresses the increase in the generated power FP, Control the increase rate to be gradual. At this time, the generated power FP alone is less than the required power RP, but the shortage is compensated by the discharge from the battery 52. As a result, the system power SP supplied from the fuel cell system 10 to the load immediately increases to W1.

時刻t3においては、それまでの燃料電池スタック20の発電電力FPが小さかったため、高分子電解質膜のプロトン導電率が低下しており、燃料電池スタック20は低い発電効率で発電を行っている状態となっている。高分子電解質膜のプロトン導電率は、その後、燃料電池スタック20の発電電力FPを増加させても直ちには増加せず、一定の遅れをもって増加することが知られている。すなわち、燃料電池スタック20の発電電力FPを増加させる際は発電効率が低い。   At time t3, since the generated power FP of the fuel cell stack 20 until then was small, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane was lowered, and the fuel cell stack 20 was generating power with low power generation efficiency. It has become. It is known that the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane does not increase immediately even if the generated power FP of the fuel cell stack 20 is increased thereafter, but increases with a certain delay. That is, when the generated power FP of the fuel cell stack 20 is increased, the power generation efficiency is low.

そこで、本実施形態では上記のように、システム電力SPが増加する時刻t3以降においても、燃料電池スタック20における発電電力FPを直ちには増加させないことで、発電効率が低い状態における発電を抑制している。このときの発電電力FPの不足分はバッテリ52の放電によって補われるため、バッテリ52のSOCが減少し、SOCを目標蓄電量TSOCである50%に近づけることができる。   Therefore, in the present embodiment, as described above, even after the time t3 when the system power SP increases, the power generation FP in the fuel cell stack 20 is not immediately increased, thereby suppressing power generation in a state where the power generation efficiency is low. Yes. Since the shortage of the generated power FP at this time is compensated by the discharge of the battery 52, the SOC of the battery 52 is reduced, and the SOC can be brought close to 50% that is the target charged amount TSOC.

一方、時刻t4において要求電力RPがW1からW0に減少すると、コントローラ60は、燃料電池スタック20の発電電力FPをW0まで直ちに減少させる。すなわち、発電電力FPの余剰分が発生しないように、燃料電池システム10の電力出力が制御される。   On the other hand, when the required power RP decreases from W1 to W0 at time t4, the controller 60 immediately decreases the generated power FP of the fuel cell stack 20 to W0. That is, the power output of the fuel cell system 10 is controlled so that the surplus of the generated power FP does not occur.

時刻t4においては、それまでの燃料電池スタック20の発電電力FPが大きかったため、高分子電解質膜のプロトン導電率が向上しており、燃料電池スタック20は高い発電効率で発電を行っている状態となっている。高分子電解質膜のプロトン導電率は、その後、燃料電池スタック20の発電電力FPを減少させても直ちには減少せず、一定の遅れをもって減少することが知られている。すなわち、燃料電池スタック20の発電電力FPを減少させる際は発電効率が高い。   At time t4, since the generated power FP of the fuel cell stack 20 so far was large, the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane has been improved, and the fuel cell stack 20 is generating power with high power generation efficiency. It has become. It is known that the proton conductivity of the polymer electrolyte membrane does not decrease immediately even if the generated power FP of the fuel cell stack 20 is decreased thereafter, but decreases with a certain delay. That is, the power generation efficiency is high when the generated power FP of the fuel cell stack 20 is reduced.

このため、時刻t4以降においては燃料電池スタック20の発電電力FPを直ちには減少させず、余剰分をバッテリ52に蓄電する方が、燃料電池スタック20の発電効率の観点からは望ましい。しかしその場合、バッテリ52のSOCが更に増加することとなる。SOCが目標蓄電量TSOCである50%よりも多い状況から更に増加すると、バッテリ52への負担が大きくなり、バッテリ52が短期間で劣化してしまう。そこで、本実施形態では図3のように、バッテリ52のSOCが目標蓄電量TSOC(第一蓄電量)である50%よりも多い状況では、時刻t4において発電電力FPを直ちに減少させている。すなわち、バッテリ52のSOCの変動と、燃料電池スタック20の発電効率をいずれも考慮しながら、燃料電池スタック20の発電電力FPを制御している。   Therefore, it is desirable from the viewpoint of power generation efficiency of the fuel cell stack 20 that the generated power FP of the fuel cell stack 20 is not immediately decreased after time t4 and the surplus is stored in the battery 52. However, in that case, the SOC of the battery 52 further increases. If the SOC further increases from the situation where the SOC is greater than the target power storage amount TSOC of 50%, the burden on the battery 52 increases and the battery 52 deteriorates in a short period of time. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 3, in a situation where the SOC of the battery 52 is larger than 50%, which is the target charged amount TSOC (first charged amount), the generated power FP is immediately reduced at time t4. That is, the generated power FP of the fuel cell stack 20 is controlled while taking into consideration both the SOC variation of the battery 52 and the power generation efficiency of the fuel cell stack 20.

以上において説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム10では、負荷からの要求電力RPの増加時においては燃料電池スタック20からの発電電力FPの増加を抑制する一方、要求電力RPの減少時においては燃料電池スタック20からの発電電力FPの減少を抑制する。これにより、燃料電池システム10の運転効率を向上させている。一方、本実施形態に係る燃料電池システム10では、負荷からの要求電力RPの増加時における発電電力FPの増加の抑制、及び、要求電力RPの減少時における発電電力FPの減少の抑制を、常に行うのではなく、バッテリ52のSOCに基づいて行う。発電電力FPの変化に伴ってバッテリ52のSOCが目標蓄電量TSOCである50%に近づくように制御するため、上記制御は、SOCの変動幅を抑制する蓄電量調整制御を構成している。   As described above, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, when the required power RP from the load increases, the increase in the generated power FP from the fuel cell stack 20 is suppressed, while the decrease in the required power RP. In some cases, a decrease in the generated power FP from the fuel cell stack 20 is suppressed. Thereby, the operation efficiency of the fuel cell system 10 is improved. On the other hand, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the suppression of the increase in the generated power FP when the required power RP from the load increases and the suppression of the decrease in the generated power FP when the required power RP decreases are always performed. This is not based on the SOC of the battery 52. In order to control the SOC of the battery 52 so as to approach 50%, which is the target storage amount TSOC, with the change in the generated power FP, the above control constitutes a storage amount adjustment control that suppresses the fluctuation range of the SOC.

本実施形態では、上記蓄電量調整制御によってSOCの変動幅が抑制することによって、バッテリ52への負担を低減し、バッテリ52の劣化を抑制している。また、SOCの変動幅を抑制することによって、バッテリ52の容量が小さくて済み、バッテリ52を小型化することができるという利点もある。   In this embodiment, the fluctuation range of the SOC is suppressed by the power storage amount adjustment control, so that the burden on the battery 52 is reduced and the deterioration of the battery 52 is suppressed. Further, by suppressing the fluctuation range of the SOC, there is an advantage that the capacity of the battery 52 can be reduced and the battery 52 can be reduced in size.

更に、上記蓄電量調整制御によって、バッテリ52のSOCが0%又は100%に到達してしまうことが抑制される。このため、上記のような発電電力FPの増加を抑制する制御、及び、発電電力FPの減少を抑制する制御が、常に実行可能な状態となっている。   Furthermore, the SOC of the battery 52 is suppressed from reaching 0% or 100% by the power storage amount adjustment control. For this reason, the control which suppresses the increase of the above-mentioned generated electric power FP and the control which suppresses the reduction | decrease in the generated electric power FP are always executable.

続いて、図4、図5、及び図6を参照しながら、以上に説明した蓄電量調整制御の具体的な内容について、更に詳しく説明する。図4は、コントローラ60が行う内容を示す制御ブロック図であって、要求電力RP及びSOCに基づいて発電電力FPを制御する処理を示している。   Next, the specific contents of the power storage amount adjustment control described above will be described in more detail with reference to FIGS. 4, 5, and 6. FIG. 4 is a control block diagram showing the contents performed by the controller 60, and shows processing for controlling the generated power FP based on the required power RP and the SOC.

コントローラ60は、図4に示したように、要求電力RP、バッテリ52のSOC、SOCの目標値である目標蓄電量TSOCに基づいて、発電電力FPの制御指令値である発電電力指令値SFPを決定する。コントローラ60は、発電電力FPが発電電力指令値SFPに一致するように、燃料ガスの流量やDC/DCコンバータ51等の制御を行う。   As shown in FIG. 4, the controller 60 generates a generated power command value SFP, which is a control command value of the generated power FP, based on the required power RP, the SOC of the battery 52, and the target charged amount TSOC that is the target value of SOC. decide. The controller 60 controls the flow rate of the fuel gas and the DC / DC converter 51 so that the generated power FP matches the generated power command value SFP.

図4において制御ブロックCT1は、要求電力RPとSOCとの入力を受け、発電電力FPをどのように変化させるのかを決定するものである。制御ブロックCT1は、発電電力指令値SFPの仮値として、仮指令値SFP0を出力する。制御ブロックCT1の具体的な処理については、後に説明する。   In FIG. 4, the control block CT1 receives input of the required power RP and the SOC and determines how to change the generated power FP. The control block CT1 outputs a temporary command value SFP0 as a temporary value of the generated power command value SFP. Specific processing of the control block CT1 will be described later.

バッテリ52のSOCには、その目標値として目標蓄電量TSOC(第一蓄電量)が設定されている。コントローラ60はSOCと目標蓄電量TSOCとの偏差を算出し(符号SM2)、PID制御ブロックP1に入力する。PID制御ブロックP1は、上記偏差を0にするために、発電電力指令値SFPに対して必要な加算分を通常のPIDにて算出する制御ブロックである。   The SOC of the battery 52 is set with a target charged amount TSOC (first charged amount) as its target value. The controller 60 calculates the deviation between the SOC and the target charged amount TSOC (reference numeral SM2) and inputs it to the PID control block P1. The PID control block P1 is a control block that calculates a necessary addition amount with respect to the generated power command value SFP with normal PID in order to set the deviation to zero.

例えば、目標蓄電量TSOCよりもSOCが下回っている場合、PID制御ブロックP1ではこの不足分を補うために必要な発電電力指令値SFPへの加算分が算出され、コントローラ60は、かかる加算分を仮指令値SFP0に加算する(符号SM1)。その結果、発電電力指令値SFPがその分増加し、発電電力FPもそれに伴い増加するため、増加した電力によってSOCの不足分が補われ、SOCは目標蓄電量TSOCに近づくこととなる。尚、PID制御ブロックP1の内部処理は積分項(I)を含むため、SOCと目標蓄電量TSOCとの間に定常的な偏差が生じることが抑制されている。   For example, when the SOC is lower than the target power storage amount TSOC, the PID control block P1 calculates an addition to the generated power command value SFP necessary to compensate for this shortage, and the controller 60 calculates the addition. It is added to the temporary command value SFP0 (symbol SM1). As a result, the generated power command value SFP increases accordingly, and the generated power FP also increases accordingly. Therefore, the increased power compensates for the shortage of SOC, and the SOC approaches the target charged amount TSOC. In addition, since the internal processing of the PID control block P1 includes the integral term (I), it is suppressed that a steady deviation is generated between the SOC and the target charged amount TSOC.

すなわち、コントローラ60は、SOCが目標蓄電量TSOCに収束するように、SOCと目標蓄電量TSOCとの偏差をフィードバックしながら発電電力FPを制御している。これにより、負荷からの要求電力RPの変動が少ない状況においてもバッテリ52のSOCが目標蓄電量TSOCに収束するように制御し、SOCの変動幅を更に抑制している。   That is, the controller 60 controls the generated power FP while feeding back the deviation between the SOC and the target charged amount TSOC so that the SOC converges to the target charged amount TSOC. Thus, the SOC of the battery 52 is controlled so as to converge to the target charged amount TSOC even in a situation where the required power RP from the load is small, and the fluctuation range of the SOC is further suppressed.

続いて図5を参照しながら、制御ブロックCT1の具体的な処理について説明する。図5は、コントローラ60が行う内容を示す制御ブロック図であって、図4に示した制御ブロックCT1の内部で行われる具体的な処理を示している。先に述べたように、制御ブロックCT1は、要求電力RPとSOCとの入力を受け、発電電力FPをどのように変化させるのかを決定する制御ブロックである。コントローラ60は、制御ブロックCT1が出力した仮指令値SFP0に対し、PID制御ブロックP1が算出した加算分を加えることにより、発電電力指令値SFPを算出する。   Next, specific processing of the control block CT1 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a control block diagram showing the contents performed by the controller 60, and shows the specific processing performed inside the control block CT1 shown in FIG. As described above, the control block CT1 is a control block that receives the input of the required power RP and the SOC and determines how to change the generated power FP. The controller 60 calculates the generated power command value SFP by adding the addition calculated by the PID control block P1 to the temporary command value SFP0 output by the control block CT1.

制御ブロックCT1における基本的な処理は、入力された要求電力RPと現在の仮指令値SFP0との偏差を算出し(符号SM3)、これにゲイン(ゲインPG又はゲインMG)を掛けて、出力すべき仮指令値SFP0を算出するというものである。ただし、サチュレータPST、MSTを備えることよって、要求電力RPと仮指令値SFP0との偏差がプラスの時とマイナスの時とで、それぞれ異なるゲイン(それぞれ、ゲインPG、ゲインMG)を掛ける点が特徴的である。   The basic processing in the control block CT1 is to calculate a deviation between the input required power RP and the current temporary command value SFP0 (reference numeral SM3), multiply this by a gain (gain PG or gain MG), and output it. The power provisional command value SFP0 is calculated. However, it is characterized in that by providing the saturators PST and MST, different gains (gain PG and gain MG, respectively) are multiplied when the deviation between the required power RP and the temporary command value SFP0 is positive and negative. Is.

サチュレータPSTは、上記偏差がプラスの時、すなわち、要求電力RPが仮指令値SFP0よりも大きいときのみ信号を通過させ、それ以外の時は0を出力する制御ブロックである。また、サチュレータMSTは、上記偏差がマイナスの時、すなわち、要求電力RPが仮指令値SFP0よりも小さいときのみ信号を通過させ、それ以外の時は0を出力する制御ブロックである。このため、要求電力RPが仮指令値SFP0よりも大きいときは、両者の偏差に対してゲインPGが掛けられ、要求電力RPが仮指令値SFP0よりも小さいときは、両者の偏差に対してゲインMGが掛けられる。   The saturator PST is a control block that passes a signal only when the deviation is positive, that is, when the required power RP is larger than the temporary command value SFP0, and outputs 0 at other times. The saturator MST is a control block that passes a signal only when the deviation is negative, that is, when the required power RP is smaller than the temporary command value SFP0, and outputs 0 at other times. Therefore, when the required power RP is larger than the temporary command value SFP0, the gain PG is multiplied by the deviation between the two, and when the required power RP is smaller than the temporary command value SFP0, the gain is gained with respect to both the deviations. MG is multiplied.

ここで、ゲインPG及びゲインMGは、いずれも固定値ではなく、バッテリ52のSOCによりその値が変更される。具体的には、図6に示したゲインマップを参照しながら、その値が決定されるものである。   Here, the gain PG and the gain MG are not fixed values, and the values are changed by the SOC of the battery 52. Specifically, the value is determined with reference to the gain map shown in FIG.

図6は、SOCとゲインPGとの関係を規定したゲインマップPGMと、SOCとゲインMGとの関係を規定したゲインマップMGMとを表す図である。図6に示したように、ゲインマップPGMは、SOCが目標蓄電量TSOCである50%以下の時は、その値が一定のG0となっている。一方、SOCが目標蓄電量TSOCである50%を超えると、SOCが高くなるに伴って、その値が徐々に減少するように設定されている。   FIG. 6 is a diagram illustrating a gain map PGM that defines the relationship between the SOC and the gain PG, and a gain map MGM that defines the relationship between the SOC and the gain MG. As shown in FIG. 6, the gain map PGM has a constant value G0 when the SOC is 50% or less, which is the target charged amount TSOC. On the other hand, when the SOC exceeds 50%, which is the target power storage amount TSOC, the value is set to gradually decrease as the SOC increases.

一方、ゲインマップMGMは、SOCが目標蓄電量TSOCである50%以上の時は、その値が一定のG0となっている。一方、SOCが目標蓄電量TSOCである50%を下回ると、SOCが低くなるに伴って、その値が徐々に減少するように設定されている。   On the other hand, the gain map MGM has a constant value G0 when the SOC is 50% or more, which is the target storage amount TSOC. On the other hand, when the SOC falls below 50%, which is the target power storage amount TSOC, the value is set to gradually decrease as the SOC decreases.

本実施形態に係る燃料電池システム10においては、コントローラ60においてゲインマップPGM及びゲインマップMGMが上記のように設定されている結果、既に説明した蓄電量調整制御が行われ、要求電力RPの変化に応じた発電電力FPの変化が図2及び図3に示したようなものとなっている。   In the fuel cell system 10 according to the present embodiment, as a result of the gain map PGM and the gain map MGM being set as described above in the controller 60, the power storage amount adjustment control already described is performed, and the change in the required power RP The corresponding change in the generated power FP is as shown in FIGS.

すなわち、要求電力RPが上昇すると、要求電力RPと仮指令値SFP0との偏差がプラスになる。このとき、当該偏差に対して掛けられるゲインPGは、SOCが目標蓄電量TSOCよりも小さい場合には高い値(G0)となるため、仮指令値SFP0は直ちに増加することとなる。その結果、発電電力FPは直ちに増加する(図2の時刻t1から時刻t2)。一方、ゲインPGは、SOCが目標蓄電量TSOCよりも大きい場合には、SOCが高い程その値が減少するため、仮指令値SFP0の増加が抑制される。その結果、発電電力FPの増加が抑制され、発電電力FPの増加速度は緩やかになる(図3の時刻t3から時刻t4)。   That is, when the required power RP increases, the deviation between the required power RP and the temporary command value SFP0 becomes positive. At this time, the gain PG multiplied by the deviation becomes a high value (G0) when the SOC is smaller than the target charged amount TSOC, so the temporary command value SFP0 immediately increases. As a result, the generated power FP immediately increases (from time t1 to time t2 in FIG. 2). On the other hand, when the SOC is larger than the target charged amount TSOC, the value of the gain PG decreases as the SOC increases. Therefore, the increase in the temporary command value SFP0 is suppressed. As a result, the increase in the generated power FP is suppressed, and the increasing speed of the generated power FP becomes slow (from time t3 to time t4 in FIG. 3).

また、要求電力RPが減少すると、要求電力RPと仮指令値SFP0との偏差がマイナスになる。このとき、当該偏差に対して掛けられるゲインMGは、SOCが目標蓄電量TSOCよりも大きい場合には高い値(G0)となるため、仮指令値SFP0は直ちに減少することとなる。その結果、発電電力FPは直ちに減少する(図3の時刻t4以降)。一方、ゲインMGは、SOCが目標蓄電量TSOCよりも小さい場合には、SOCが低い程その値が減少するため、仮指令値SFP0の減少が抑制される。その結果、発電電力FPの減少が抑制され、発電電力FPの減少速度は緩やかになる(図2の時刻t2以降)。   Further, when the required power RP decreases, the deviation between the required power RP and the temporary command value SFP0 becomes negative. At this time, the gain MG multiplied by the deviation becomes a high value (G0) when the SOC is larger than the target charged amount TSOC, and therefore the temporary command value SFP0 immediately decreases. As a result, the generated power FP decreases immediately (after time t4 in FIG. 3). On the other hand, when the SOC is smaller than the target charged amount TSOC, the gain MG decreases as the SOC decreases, and thus the decrease in the temporary command value SFP0 is suppressed. As a result, the decrease in the generated power FP is suppressed, and the decrease rate of the generated power FP becomes slow (after time t2 in FIG. 2).

このように、本実施形態では、SOCに応じてゲインが変化するように設定されたゲインマップPGM、MGMを有することにより、図2及び図3に示したような蓄電量調整制御を実現している。   Thus, in the present embodiment, by having the gain maps PGM and MGM set so that the gain changes according to the SOC, the storage amount adjustment control as shown in FIGS. 2 and 3 is realized. Yes.

ゲインマップPGMによれば、バッテリ52のSOCと目標蓄電量TSOCとの差が大きいほど(SOCが大きいほど)、要求電力RPが増加した際における発電電力FPの増加の抑制量が大きくなるように制御するため、要求電力RPに対する不足分を補うためにバッテリ52から放電される電力が大きくなる。このため、SOCの減少量が大きくなり、SOCを目標蓄電量TSOCにより近づけることができる。   According to the gain map PGM, the greater the difference between the SOC of the battery 52 and the target charged amount TSOC (the greater the SOC), the greater the amount of suppression of the increase in the generated power FP when the required power RP increases. In order to control, the electric power discharged from the battery 52 is increased in order to compensate for the shortage with respect to the required power RP. For this reason, the amount of decrease in the SOC increases, and the SOC can be brought closer to the target charged amount TSOC.

また、ゲインマップMGMによれば、目標蓄電量TSOCとバッテリ52のSOCとの差が大きいほど(SOCが小さいほど)、要求電力RPが減少した際における発電電力FPの減少の抑制量が大きくなるように制御するため、バッテリ52に蓄電される余剰電力が大きくなる。このため、SOCの増加量が大きくなり、SOCを目標蓄電量TSOCにより近づけることができる。   Further, according to the gain map MGM, the greater the difference between the target charged amount TSOC and the SOC of the battery 52 (the smaller the SOC), the greater the amount of suppression of the decrease in the generated power FP when the required power RP decreases. Thus, the surplus power stored in the battery 52 is increased. For this reason, the increase amount of SOC becomes large, and it is possible to bring the SOC closer to the target power storage amount TSOC.

再び図5に戻って説明を続けると、制御ブロックCT1では、要求電力RPと仮指令値SFP0との偏差に対してゲイン(PG又はMG)を掛けた後、積分処理(符号ITG)を行うことによって仮指令値SFP0を算出している。積分処理を行うことにより、仮指令値SFP0が急激に変動することが抑制される。その結果、発電電力FPの変動も抑制されるため、上記積分処理は、発電電力FPの変動を抑制する平準化処理に該当する。   Returning to FIG. 5 again, the control block CT1 multiplies the deviation between the required power RP and the provisional command value SFP0 by a gain (PG or MG), and then performs an integration process (symbol ITG). Is used to calculate the provisional command value SFP0. By performing the integration process, the temporary command value SFP0 is suppressed from rapidly changing. As a result, since fluctuations in the generated power FP are also suppressed, the integration process corresponds to a leveling process that suppresses fluctuations in the generated power FP.

平準化処理によって発電電力FPの変動が抑制され、スタック電圧Vcの変動が抑制される。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システム10においては、上記蓄電量調整制御によってバッテリ52の劣化を抑制しながら、燃料電池スタック20の発電性能の劣化も抑制している。   The leveling process suppresses fluctuations in the generated power FP and suppresses fluctuations in the stack voltage Vc. That is, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the deterioration of the power generation performance of the fuel cell stack 20 is also suppressed while the deterioration of the battery 52 is suppressed by the storage amount adjustment control.

尚、平準化処理の方法は上記のような積分処理に限られず、種々の方法を採用することができる。例えば、要求電力RPを直接制御ブロックCT1に入力するのではなく、移動平均処理を行ってから制御ブロックCT1に入力してもよい。   The leveling process is not limited to the integration process as described above, and various methods can be employed. For example, the required power RP may not be input directly to the control block CT1, but may be input to the control block CT1 after performing a moving average process.

続いて、SOCが低下し、バッテリ52の出力性能が低下した場合において行われる燃料電池システム10の制御について説明する。バッテリ52のSOCが低下している状況においては、バッテリ52の放電によって負荷に供給することのできる電力が少ない。このため、これまでに説明した蓄電量調整制御を適切に行うことができず、燃料電池システム10からの電力出力(システム電力SP)が低下してしまう可能性がある。また、発電電力FPの変動を抑制する平準化処理を行う場合においても、平準化した発電電力FPと要求電力RPとの差をバッテリ52の放電によって補うことができず、平準化処理を適切に行うことができない可能性がある。   Next, the control of the fuel cell system 10 performed when the SOC decreases and the output performance of the battery 52 decreases will be described. In a situation where the SOC of the battery 52 is lowered, there is little power that can be supplied to the load by discharging the battery 52. For this reason, the power storage amount adjustment control described so far cannot be appropriately performed, and the power output (system power SP) from the fuel cell system 10 may be reduced. Further, even when performing the leveling process that suppresses fluctuations in the generated power FP, the difference between the leveled generated power FP and the required power RP cannot be compensated for by the discharge of the battery 52, and the leveling process is appropriately performed. It may not be possible.

このため、本実施形態に係る燃料電池システム10は、蓄電量調整制御及び平準化処理の実行及び停止を切り換えるスイッチSW1を備えている。図7は、燃料電池システム10において行われる制御を示す制御ブロック図である。図7で明らかなように、スイッチSW1がONの状態では、コントローラ60が行う制御は図4及び図5の制御ブロック図で示されたものと同じとなり、既に説明したような蓄電量調整制御及び平準化処理がいずれも実行される。   For this reason, the fuel cell system 10 according to the present embodiment includes a switch SW1 that switches between execution and stop of the storage amount adjustment control and the leveling process. FIG. 7 is a control block diagram showing control performed in the fuel cell system 10. As apparent from FIG. 7, when the switch SW1 is ON, the control performed by the controller 60 is the same as that shown in the control block diagrams of FIGS. Both leveling processes are executed.

一方、図7においてスイッチSW1がOFFの状態では、蓄電量調整制御及び平準化処理がいずれも実行されない。この場合、発電電力指令値SFPは、要求電力RPとPID制御ブロックP1の出力値とを加算(符号SM6)したものとなる。このため、燃料電池スタック20の発電効率の低下、及び、スタック電圧Vcの変動をいずれも抑制せず、バッテリ52のSOCの回復が優先された状態となる。   On the other hand, when the switch SW1 is OFF in FIG. 7, neither the storage amount adjustment control nor the leveling process is executed. In this case, the generated power command value SFP is obtained by adding the required power RP and the output value of the PID control block P1 (symbol SM6). For this reason, neither reduction in the power generation efficiency of the fuel cell stack 20 nor fluctuation of the stack voltage Vc is suppressed, and the recovery of the SOC of the battery 52 is prioritized.

図7に示したスイッチSW1の切り替えについて、図8を参照しながら説明する。図8は、コントローラ60が行う制御を示すフローチャートであって、コントローラ60がSOCに基づいてスイッチSW1を切り換える制御の内容を示している。図8に示した一連の処理は、燃料電池システム10の運転中において、所定時間が経過するごとにコントローラ60によって繰り返し実行されるものである。   Switching of the switch SW1 shown in FIG. 7 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a flowchart showing the control performed by the controller 60, and shows the contents of the control in which the controller 60 switches the switch SW1 based on the SOC. The series of processing shown in FIG. 8 is repeatedly executed by the controller 60 every time a predetermined time elapses during operation of the fuel cell system 10.

まず、ステップS01では、バッテリ52のSOCが低下しているかどうかが判断される。具体的には、目標蓄電量TSOC(本実施形態では50%)よりもさらに低い値である下限蓄電量LSOC(例えば20%)をコントローラ60が記憶しており、SOCがこの下限蓄電量LSOC以上であるかどうかが判断される。   First, in step S01, it is determined whether the SOC of the battery 52 has decreased. Specifically, the controller 60 stores a lower limit storage amount LSOC (for example, 20%) that is lower than the target storage amount TSOC (50% in the present embodiment), and the SOC is equal to or greater than the lower limit storage amount LSOC. It is determined whether or not.

SOCが下限蓄電量LSOC以上である場合、コントローラ60は、蓄電量調整制御及び平準化処理を実行可能と判断し、スイッチSW1をONに切り替える(ステップS02)。一方、SOCが下限蓄電量LSOCを下回っている場合、コントローラ60は、蓄電量調整制御及び平準化処理を実行不可能と判断し、スイッチSW1をOFFに切り替える(ステップS03)。   When the SOC is equal to or higher than the lower limit storage amount LSOC, the controller 60 determines that the storage amount adjustment control and the leveling process can be performed, and switches the switch SW1 to ON (step S02). On the other hand, when the SOC is lower than the lower limit storage amount LSOC, the controller 60 determines that the storage amount adjustment control and the leveling process cannot be performed, and switches the switch SW1 to OFF (step S03).

図10に示した制御は、燃料電池システム10の運転中において常に繰り返し実行されているため、SOCが下限蓄電量LSOC以上となれば、その時点でスイッチSW1はONに切り替えられる。また、SOCが下限蓄電量LSOCを下回れば、その時点でスイッチSW1はOFFに切り替えられる。   Since the control shown in FIG. 10 is always repeatedly executed during operation of the fuel cell system 10, if the SOC becomes equal to or higher than the lower limit storage amount LSOC, the switch SW1 is turned on at that time. If the SOC is lower than the lower limit storage amount LSOC, the switch SW1 is turned OFF at that time.

以上のような制御が行われる結果、本実施形態に係る燃料電池システム10においては、コントローラ60は、SOCが目標蓄電量TSOCよりも少ない所定の下限蓄電量LSOC(第二蓄電量)を下回っている場合には、蓄電量調整制御を行わない。これにより、蓄電装置の蓄電量が低下している状況においては蓄電量調整制御及び平準化処理をいずれも行わず、発電電力FPによって燃料電池システム10からの出力を維持することができる。   As a result of the control as described above, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, the controller 60 falls below a predetermined lower limit storage amount LSOC (second storage amount) where the SOC is lower than the target storage amount TSOC. If it is, the power storage amount adjustment control is not performed. Thereby, in the situation where the amount of electricity stored in the electricity storage device is decreasing, neither the amount adjustment control nor the leveling process is performed, and the output from the fuel cell system 10 can be maintained by the generated power FP.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。   The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. For example, the elements included in each of the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as long as technically possible, and the combination of these is also included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.

10:燃料電池システム
20:燃料電池スタック
30:酸化剤ガス供給系
31:フィルタ
32:エアコンプレッサ
33:酸化剤ガス通路
34:酸化オフガス通路
35:加湿器
40:燃料ガス供給系
41:燃料ガス供給源
42:インジェクタ
43:燃料ガス通路
44:循環通路
45:循環ポンプ
46:排気排水通路
50:電力系
51:DC/DCコンバータ
52:バッテリ
53:トラクションインバータ
54:トラクションモータ
55:補機類
60:コントローラ
71:電圧センサ
72:電流センサ
73:SOCセンサ
74:圧力センサ
A2:遮断弁
A3:背圧調整弁
ACC:アクセル開度信号
VV:車速信号
FP:発電電力
H1:遮断弁
H2:レギュレータ
H3:遮断弁
H4:遮断弁
H5:排気排水弁
IG:イグニッションスイッチ
PG,MG:ゲイン
PGM,MGM:ゲインマップ
PST,MST:サチュレータ
RP:要求電力
SP:システム電力
SFP:発電電力指令値
SFP0:仮指令値
SW1:スイッチ
TSOC:目標蓄電量
LSOC:下限蓄電量
Vc:スタック電圧
10: Fuel cell system 20: Fuel cell stack 30: Oxidant gas supply system 31: Filter 32: Air compressor 33: Oxidant gas passage 34: Oxidation off-gas passage 35: Humidifier 40: Fuel gas supply system 41: Fuel gas supply Source 42: Injector 43: Fuel gas passage 44: Circulation passage 45: Circulation pump 46: Exhaust drain passage 50: Electric power system 51: DC / DC converter 52: Battery 53: Traction inverter 54: Traction motor 55: Auxiliary machinery 60: Controller 71: Voltage sensor 72: Current sensor 73: SOC sensor 74: Pressure sensor A2: Shut-off valve A3: Back pressure adjustment valve ACC: Accelerator opening signal VV: Vehicle speed signal FP: Generated power H1: Shut-off valve H2: Regulator H3: Shut-off valve H4: Shut-off valve H5: Exhaust drain valve IG: Igni Switch PG, MG: Gain PGM, MGM: Gain map PST, MST: Saturator RP: Required power SP: System power SFP: Generated power command value SFP0: Temporary command value SW1: Switch TSOC: Target energy storage LSOC: Lower limit energy storage Vc: Stack voltage

Claims (4)

燃料電池からの発電電力を、負荷からの要求電力に基づいて前記負荷に出力する燃料電池システムにおいて、
前記要求電力を検知する要求電力検知手段と、
前記発電電力を制御する制御装置と、
前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続され、蓄電及び放電を行う蓄電装置と、
前記蓄電装置の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、
を備え、
前記制御装置は、
前記蓄電量が所定の第一蓄電量よりも多い場合には、前記要求電力が増加した際における前記発電電力の増加を抑制し、
前記蓄電量が前記第一蓄電量よりも少ない場合には、前記要求電力が減少した際における前記発電電力の減少を抑制することによって、
前記蓄電量の変動幅を抑制する蓄電量調整制御を行い、更に、前記要求電力と前記蓄電量により変動する所定値とに基づき、積分処理を行うことにより仮指令値を算出する平準化処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
In the fuel cell system for outputting the generated power from the fuel cell to the load based on the required power from the load,
Requested power detection means for detecting the required power;
A control device for controlling the generated power;
A power storage device connected in parallel to the fuel cell with respect to the load for performing power storage and discharge;
A storage amount detection means for detecting a storage amount of the power storage device;
With
The controller is
If the amount of stored electricity is greater than a predetermined first stored amount of electricity, suppress the increase in the generated power when the required power increases,
When the amount of stored electricity is less than the first stored amount of electricity, by suppressing the decrease in the generated power when the required power is reduced,
There rows storage amount adjustment control of suppressing the fluctuation width of the charged amount, further, on the basis of a predetermined value which varies by the storage amount and the required power, leveling processing for calculating the provisional command value by performing an integration process The fuel cell system characterized by performing .
前記制御装置は、
前記蓄電量と前記第一蓄電量との差が大きいほど、前記要求電力が増加した際における前記発電電力の増加の抑制量が大きくなるように制御し、
前記第一蓄電量と前記蓄電量との差が大きいほど、前記要求電力が減少した際における前記発電電力の減少の抑制量が大きくなるように制御することを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システム。
The controller is
As the difference between the amount of stored electricity and the first amount of stored electricity is larger, the amount of suppression of increase in the generated power when the required power is increased is controlled,
The control is performed such that as the difference between the first power storage amount and the power storage amount increases, the amount of suppression of the decrease in the generated power when the required power decreases is increased. Fuel cell system.
前記制御装置は、前記蓄電量が前記第一蓄電量に収束するように、前記蓄電量と前記第一蓄電量との偏差をフィードバックしながら前記発電電力を制御することを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 The control device controls the generated power while feeding back a deviation between the storage amount and the first storage amount so that the storage amount converges to the first storage amount. The fuel cell system according to claim 1 or 2. 前記制御装置は、前記蓄電量が、前記第一蓄電量よりも少ない所定の第二蓄電量を下回っている場合には、前記蓄電量調整制御を行わないことを特徴とする、請求項1乃至のいずれか一に記載の燃料電池システム。 The control device does not perform the storage amount adjustment control when the storage amount is below a predetermined second storage amount that is smaller than the first storage amount. 4. The fuel cell system according to any one of 3 .
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