JP5834594B2 - Fuel cell wet state control device - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池の湿潤状態を制御する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for controlling the wet state of a fuel cell.
燃料電池を効率よく発電させるには、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが重要である。すなわち、電解質膜の湿潤状態が高すぎればフラッディングが生じたり零下起動に備えて停止時のパージ動作が必要になる。また電解質膜の湿潤状態が低すぎれば燃料電池スタックの電圧が落ち込んで出力が大きく低下するおそれがある。そこで特許文献１では、電解質膜を適度な湿潤状態に維持するカソードガス圧力及びカソードガス流量となるように調圧弁やカソードコンプレッサーを制御していた。特に燃費を考慮して湿潤側に制御する場合は、カソードコンプレッサーの消費電力を下げるために回転速度を先に低下させ、その後、調圧弁を開いて圧力を上げる。 In order to efficiently generate power in the fuel cell, it is important to maintain the electrolyte membrane in an appropriate wet state. That is, if the wet state of the electrolyte membrane is too high, flooding occurs or a purge operation at the time of stop is required in preparation for starting below zero. Moreover, if the electrolyte membrane is too wet, the voltage of the fuel cell stack drops and the output may be greatly reduced. Therefore, in Patent Document 1, the pressure regulating valve and the cathode compressor are controlled so that the cathode gas pressure and the cathode gas flow rate for maintaining the electrolyte membrane in an appropriate wet state are obtained. In particular, when the control is performed on the wet side in consideration of fuel consumption, the rotational speed is first reduced in order to reduce the power consumption of the cathode compressor, and then the pressure regulating valve is opened to increase the pressure.
湿潤度を制御するパラメーターとしては冷却水温もある。しかしながら、前述した手法では、湿潤調整するために、冷却水温を制御していなかった。そのため過渡時の湿潤制御において、燃費を改善する余地のあることが本件発明者らによって知見された。 A parameter for controlling the wetness is the cooling water temperature. However, in the above-described method, the cooling water temperature is not controlled in order to adjust the wetness. For this reason, the present inventors have found that there is room for improving fuel consumption in wet control during transition.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、冷却水の制御を含めて燃費の悪化を抑制しつつ、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することができる燃料電池の湿潤状態制御装置を提供することである。 The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and an object of the present invention is to keep the electrolyte membrane in an appropriate wet state while suppressing deterioration of fuel consumption including control of cooling water. It is an object to provide a wet state control device for a fuel cell that can be maintained.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。 The present invention solves the above problems by the following means.
本発明の燃料電池の湿潤状態制御装置は、燃料電池の目標水収支、冷却水温度、カソードガス流量に基づいてカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、燃料電池の目標水収支、カソードガス流量、カソードガス圧力に基づいて、冷却水温度を調整する水温制御部と、燃料電池の目標水収支、カソードガス圧力、冷却水温度に基づいてカソードガス流量を調整する流量制御部と、を含んで燃料電池の湿潤状態を制御する装置である。そして、前記圧力制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合であって、湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、前記水温制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量を用いて冷却水の温度を制御し、前記流量制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び冷却水の実温度を用いてカソードガスの流量を制御する。 A fuel cell wet state control device according to the present invention includes a fuel cell target water balance, a cooling water temperature, a pressure control unit that adjusts a cathode gas pressure based on a cathode gas flow rate, a fuel cell target water balance, and a cathode gas flow rate. A water temperature control unit that adjusts the cooling water temperature based on the cathode gas pressure, and a flow rate control unit that adjusts the cathode gas flow rate based on the target water balance of the fuel cell, the cathode gas pressure, and the cooling water temperature. This device controls the wet state of the fuel cell. The pressure control unit adjusts the wet state of the fuel cell, and when the wet state is lowered and dried, the flow rate of the cathode gas supplied when the fuel cell is brought into a higher wet state than the present state and The pressure of the cathode gas is controlled based on the temperature of the cooling water supplied when the fuel cell is in a higher wet state than in the present state, and when the wet state is increased and wetted, the fuel cell is in a higher wet state than in the present state. The cathode gas pressure is controlled based on the flow rate of the cathode gas sometimes supplied and the actual temperature of the cooling water, and the water temperature control unit adjusts the actual pressure of the cathode gas and the fuel cell when adjusting the wet state of the fuel cell. The temperature of the cooling water is controlled using the flow rate of the cathode gas supplied when making the wet state higher than the present, and the flow rate control unit adjusts the wet state of the fuel cell. Controlling the flow rate of the cathode gas by using the actual temperature of the actual pressure and cooling water Sodogasu.
本発明によれば、燃料電池の湿潤状態を調整するときに、湿潤状態を下げるときには、可能な限りコンプレッサーの回転速度の上昇が抑制されることとなる。また湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサーの回転速度を下げることとなる。このようになるので、コンプレッサーの消費電力が抑えられるため、燃費の悪化を抑制しつつ、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することができる。 According to the present invention, when the wet state of the fuel cell is adjusted, when the wet state is lowered, an increase in the rotational speed of the compressor is suppressed as much as possible. When the wet state is increased, the target flow rate is first decreased to decrease the rotational speed of the compressor. Since it becomes like this, the power consumption of a compressor is suppressed, Therefore An electrolyte membrane can be maintained in a moderate wet state, suppressing the deterioration of a fuel consumption.
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。 Embodiments of the present invention and advantages of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用するシステムの一例を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an example of a system to which a wet state control device for a fuel cell according to the present invention is applied.
最初に図１を参照して、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用する基本的なシステムについて説明する。 First, referring to FIG. 1, a basic system to which a wet state control device for a fuel cell according to the present invention is applied will be described.
燃料電池スタック１０は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。そこで燃料電池スタック１０には、カソードライン２０と、アノードライン３０と、冷却水循環ライン４０と、が接続される。なお燃料電池スタック１０の発電電流は、電流センサー１０１で検出される。燃料電池スタック１０の発電電圧は、電圧センサー１０２で検出される。
The
カソードライン２０には、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスＯ2が流れる。カソードライン２０には、コンプレッサー２１と、カソード調圧弁２２と、が設けられる。
A cathode gas O 2 supplied to the
コンプレッサー２１は、カソードガスＯ2、すなわち空気を燃料電池スタック１０に供給する。コンプレッサー２１は、燃料電池スタック１０よりも上流のカソードライン２０に設けられる。コンプレッサー２１は、モーターＭによって駆動される。コンプレッサー２１は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量を調整する。カソードガスＯ2の流量は、コンプレッサー２１の回転速度によって調整される。
The
カソード調圧弁２２は、燃料電池スタック１０よりも下流のカソードライン２０に設けられる。カソード調圧弁２２は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力を調整する。カソードガスＯ2の圧力は、カソード調圧弁２２の開度によって調整される。
The cathode pressure regulating valve 22 is provided in the
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量は、カソード流量センサー２０１で検出される。このカソード流量センサー２０１は、コンプレッサー２１よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。
The flow rate of the cathode gas O 2 flowing through the
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力は、カソード圧力センサー２０２で検出される。このカソード圧力センサー２０２は、コンプレッサー２１よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。さらに図１では、カソード圧力センサー２０２は、カソード流量センサー２０１の下流に位置する。
The pressure of the cathode gas O 2 flowing through the
アノードライン３０には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスＨ2が流れる。アノードライン３０には、アノード再循環ライン３００が並設される。アノード再循環ライン３００は、燃料電池スタック１０よりも下流のアノードライン３０から分岐し、燃料電池スタック１０よりも上流のアノードライン３０に合流する。アノードライン３０には、ボンベ３１と、アノード調圧弁３２と、エゼクター３３と、アノードポンプ３４と、パージ弁３５と、が設けられる。
The anode gas H 2 supplied to the
ボンベ３１には、アノードガスＨ2が高圧状態で貯蔵されている。ボンベ３１は、アノードライン３０の最上流に設けられる。
The cylinder 31 stores the anode gas H 2 in a high pressure state. The cylinder 31 is provided on the uppermost stream of the
アノード調圧弁３２は、ボンベ３１の下流に設けられる。アノード調圧弁３２は、ボンベ３１から新たにアノードライン３０に供給するアノードガスＨ2の圧力を調整する。アノードガスＨ2の圧力は、アノード調圧弁３２の開度によって調整される。
The anode
エゼクター３３は、アノード調圧弁３２よりも下流に設けられる。エゼクター３３は、アノード再循環ライン３００がアノードライン３０に合流する部分に位置する。このエゼクター３３で、アノード再循環ライン３００を流れたアノードガスＨ2が、ボンベ３１から新たに供給されたアノードガスＨ2に混合される。
The
アノードポンプ３４は、エゼクター３３の下流に位置する。アノードポンプ３４は、エゼクター３３を流れたアノードガスＨ2を燃料電池スタック１０に送る。
The
パージ弁３５は、燃料電池スタック１０の下流であって、さらにアノード再循環ライン３００の分岐部分の下流のアノードライン３０に設けられる。パージ弁３５が開くと、アノードガスＨ2がパージされる。
The
アノードライン３０を流れるアノードガスＨ2の圧力は、アノード圧力センサー３０１で検出される。このアノード圧力センサー３０１は、アノードポンプ３４よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。
The pressure of the anode gas H 2 flowing through the
冷却水循環ライン４０には、燃料電池スタック１０に供給される冷却水が流れる。冷却水循環ライン４０には、ラジエーター４１と、三方弁４２と、ウォーターポンプ４３と、が設けられる。また冷却水循環ライン４０には、バイパスライン４００が並設される。バイパスライン４００は、ラジエーター４１よりも上流から分岐し、ラジエーター４１よりも下流に合流する。このためバイパスライン４００を流れる冷却水は、ラジエーター４１をバイパスする。
The cooling water supplied to the
ラジエーター４１は、冷却水を冷却する。ラジエーター４１には、クーリングファン４１０が設けられている。
The radiator 41 cools the cooling water. The radiator 41 is provided with a cooling
三方弁４２は、バイパスライン４００の合流部分に位置する。三方弁４２は、開度に応じて、ラジエーター側のラインを流れる冷却水の流量と、バイパスラインを流れる冷却水の流量と、を調整する。これによって冷却水の温度が調整される。
The three-
ウォーターポンプ４３は、三方弁４２の下流に位置する。ウォーターポンプ４３は、三方弁４２を流れた冷却水を燃料電池スタック１０に送る。
The
冷却水循環ライン４０を流れる冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出される。この水温センサー４０１は、バイパスライン４００が分岐する部分よりも上流に設けられる。
The temperature of the cooling water flowing through the cooling
コントローラーは、電流センサー１０１、電圧センサー１０２、カソード流量センサー２０１、カソード圧力センサー２０２、アノード圧力センサー３０１、水温センサー４０１の信号を入力する。そして、信号を出力して、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御する。
The controller inputs signals from the
このような構成によって、燃料電池スタック１０は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１を介してバッテリー１２や負荷１３に供給される。
With such a configuration, the
図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the reaction of the electrolyte membrane in the fuel cell stack.
次に、図２を参照して、発明者らの技術思想について説明する。 Next, the technical idea of the inventors will be described with reference to FIG.
上述のように、燃料電池スタック１０は、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。なお図２(Ａ)は１枚のＭＥＡを示している。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)対角側から排出される(アノードアウト)例が示されている。
As described above, the
各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。 In each membrane electrode assembly (MEA), the following reaction proceeds in accordance with the load in the cathode electrode catalyst layer and the anode electrode catalyst layer to generate power.
図２(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(１−１)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。 As shown in FIG. 2 (B), as the reaction gas (cathode gas O 2 ) flows through the cathode flow path, the reaction of the above equation (1-1) proceeds and water vapor is generated. Then, the relative humidity increases on the downstream side of the cathode channel. As a result, the relative humidity difference between the cathode side and the anode side increases. With this relative humidity difference as the driving force, water is back-diffused and the anode upstream side is humidified. This moisture further evaporates from the MEA to the anode channel, and humidifies the reaction gas (anode gas H 2 ) flowing through the anode channel. Then, it is transported downstream of the anode and humidifies the MEA downstream of the anode.
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。 In order to generate electric power efficiently by the above reaction, the electrolyte membrane needs to be in an appropriate wet state.
そこで、本件発明者らは、カソードガスＯ2の流量及び圧力並びに燃料電池スタック１の温度に着目した。 Therefore, the present inventors paid attention to the flow rate and pressure of the cathode gas O 2 and the temperature of the fuel cell stack 1.
すなわち、カソードガスＯ2の流量を増やせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の流量を減らせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。 That is, by increasing the flow rate of the cathode gas O 2, water to be discharged together with the cathode gas O 2 increases. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be reduced. On the other hand, Reducing the flow rate of the cathode gas O 2, water to be discharged together with the cathode gas O 2 is reduced. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be increased.
カソードガスＯ2の圧力が減るのは、カソード調圧弁２２の開度が大きくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を大きくしてカソードガスＯ2の圧力を下げれば、カソードガスＯ2が排出されやすくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の圧力が増えるのは、カソード調圧弁２２の開度が小さくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を小さくしてカソードガスＯ2の圧力を上げれば、カソードガスＯ2が排出されにくくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。 The cathode gas O 2 pressure decreases when the opening of the cathode pressure regulating valve 22 increases. Therefore, by lowering the pressure of the cathode gas O 2 to increase the opening of the cathode pressure regulating valve 22, the cathode gas O 2 is likely to be discharged. As a result, the moisture discharged together with the cathode gas O 2 also increases. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be reduced. On the other hand, the pressure of the cathode gas O 2 increases when the opening of the cathode pressure regulating valve 22 decreases. Thus, by raising the pressure of the cathode gas O 2 to reduce the opening of the cathode pressure regulating valve 22, the cathode gas O 2 is less likely to be discharged. As a result, the moisture discharged together with the cathode gas O 2 is also reduced. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be increased.
燃料電池スタック１の温度が高くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が増える。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、燃料電池スタック１の温度が低くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が減る。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。 As the temperature of the fuel cell stack 1 increases, the amount of water contained in the cathode gas O 2 increases. As a result, the moisture discharged together with the cathode gas O 2 also increases. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be reduced. On the other hand, when the temperature of the fuel cell stack 1 is lowered, the amount of water contained in the cathode gas O 2 is reduced. As a result, the moisture discharged together with the cathode gas O 2 is also reduced. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be increased.
発明者らは、このような知見を得た。さらにカソードガスＯ2の流量を増やすためにコンプレッサー２１の回転速度を上げると、消費電力が増大して燃費が悪化する。そこでできる限りコンプレッサー２１の回転速度を低く抑えることが望ましい。発明者らは、このような着想に基づいて本発明を完成するに至った。以下では具体的な内容を説明する。
The inventors have obtained such findings. Further, if the rotation speed of the
図３は、目標湿潤状態が下がるときのコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。 FIG. 3 is a block diagram showing functions related to the wet state control of the controller when the target wet state is lowered.
なおブロック図に示される各ブロックは、コントローラーの各機能を仮想ユニットとして示すものであり、各ブロックは物理的な存在を意味しない。 Each block shown in the block diagram represents each function of the controller as a virtual unit, and each block does not mean physical existence.
湿潤状態制御装置は、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御して、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を制御する。具体的には、湿潤状態制御装置は、目標圧力演算ブロックＢ１０１と、目標温度演算ブロックＢ１０２と、目標流量演算ブロックＢ１０３と、を含む。
The wet state control device controls the operation of the
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を減少させて乾燥させるときには、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを演算する。 Target pressure calculation block B101, the target wastewater Q H2 O _ out increases, i.e. when the drying reduces the wet state, the target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest stack temperature T min, the minimum cathode flow rate Q min, the Based on this, the target pressure P target is calculated.
なお目標排水量ＱH2O_out[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(2)によって求まる。ここでＮＬは、Normal Liter、すなわち標準状態でのリットルを示す。 The target drainage amount Q H2O — out [NL / min] is obtained by the following equation (2). Here, NL indicates a normal liter, that is, a liter in a normal state.
なお燃料電池内部での生成水量ＱH2O_in[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(3)によって求まる。 The amount of generated water Q H2O — in [NL / min] inside the fuel cell is obtained by the following equation (3).
目標水収支Ｑnet_water[ＮＬ／ｍｉｎ]は、燃料電池の運転状態（負荷状態）に応じて決められた電解質膜の目標湿潤状態を実現するように設定される。 The target water balance Q net — water [NL / min] is set so as to realize the target wet state of the electrolyte membrane determined according to the operation state (load state) of the fuel cell.
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、このようにして求められた目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(4-1)(4-2)によって、目標圧力Ｐtargetを求める。 Target pressure calculation block B101 is thus the target wastewater Q H2 O _ out determined by the, and the minimum stack temperature T min, the minimum cathode flow rate Q min, on the basis, determine the target pressure P target. Specifically, the target pressure P target is obtained by the following equations (4-1) and (4-2).
ここで最低スタック温度Ｔｍｉｎとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、燃料電池スタック１の温度を低くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いスタック温度である。同様に、最低カソード流量Ｑｍｉｎとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのカソード流量である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、カソード流量を減らす。なおカソード流量は、低すぎると供給量不足による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると音振性能が悪化するおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード流量とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード流量である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。 Here, the minimum stack temperature Tmin is a stack temperature when the wet state of the fuel cell stack is maximized. As described above, in order to increase the wet state of the electrolyte membrane, the temperature of the fuel cell stack 1 is lowered. Note that if the temperature of the fuel cell stack 1 is too low, power generation failure due to condensed water may occur. On the other hand, when it is too high, the deterioration of the fuel cell stack 1 is accelerated. Therefore, the stack temperature when the wet state of the fuel cell stack is maximized is the lowest stack temperature within a range in which the performance of the fuel cell stack can be ensured by comprehensively considering these. Similarly, the minimum cathode flow rate Qmin is a cathode flow rate when the wet state of the fuel cell stack is maximized. As described above, the cathode flow rate is decreased to increase the wet state of the electrolyte membrane. If the cathode flow rate is too low, power generation failure may occur due to insufficient supply amount. On the other hand, if it is too high, the sound vibration performance may be deteriorated. Therefore, the cathode flow rate when the wet state of the fuel cell stack is minimized is the lowest cathode flow rate within a range in which the performance of the fuel cell stack can be ensured by comprehensively considering these. These are set in advance according to the operating state of the fuel cell through experiments.
またＰsat_minは、最低スタック温度Ｔminに対する飽和水蒸気圧であり、アントワンの式に基づいて上式(4-2)が求められる。 P sat — min is a saturated water vapor pressure with respect to the minimum stack temperature T min , and the above equation (4-2) is obtained based on the Antoine equation.
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を減少させて乾燥させるときには、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを演算する。 As described above, the target pressure calculation block B101, the target wastewater Q H2 O _ out increases, i.e. when the drying reduces the wet state, the target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest stack temperature T min, minimum cathode Based on the flow rate Q min , the target pressure P target is calculated.
目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(5-1)(5-2)によって求める。なお式(5-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
Target temperature calculation block B102 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, and the pressure P sens detected by the
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。なお本実施形態では、圧力Ｐsensは、カソード圧力センサー２０２で検出されたが、予め実験によって燃料電池スタックの圧力損失を求めておいて、それに基づいて推定してもよい。
P sat — target is a target saturated water vapor pressure. In the present embodiment, the pressure P sens is detected by the
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。 As described above, the target temperature calculation block B102 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, and the actual pressure P sens, and minimum cathode flow rate Q min, on the basis of the target temperature T target.
目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(6-1)(6-2)によって求める。
The target flow rate calculation block B103 calculates the target cathode flow rate Q target based on the target drainage amount Q H2O — out , the pressure P sens detected by the
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensにおける飽和水蒸気圧である。
P sat — sens is a saturated water vapor pressure at the water temperature T sens detected by the
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。 As described above, the target flow rate calculation block B103 is a target wastewater Q H2 O _ out, and the actual pressure P sens, and the actual water temperature T sens, on the basis, determine a target cathode flow Q target.
図４は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。 FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the wetting control device when the target wetting state decreases.
以上の制御ロジックが実行されると、目標湿潤状態が下がるときに、湿潤制御装置は以下のように作動する。 When the above control logic is executed, when the target wet state is lowered, the wetness control device operates as follows.
時刻ｔ１１で、目標湿潤状態が下がると、湿潤制御装置が作動を開始する。 When the target wet state falls at time t11, the wetness control device starts operating.
目標圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、設定される。目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。 The target pressure P target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the minimum stack temperature T min, and the minimum cathode flow rate Q min . The target temperature T target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the actual pressure P sens, and the minimum cathode flow rate Q min . The target cathode flow rate Q target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the actual pressure P sens, and the actual water temperature T sens .
目標圧力Ｐtargetは、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標圧力Ｐtargetが下がる。そして、この目標圧力Ｐtargetが実現されるように、カソード調圧弁２２が制御される。するとカソード圧力がほとんど応答遅れなく低下する。 Since the target pressure P target is set based on the stack temperature (minimum stack temperature T min ) and the cathode flow rate (minimum cathode flow rate Q min ) when the wet state is maximized , it is most likely to fluctuate. Therefore, first, the target pressure P target is preferentially lowered. Then, the cathode pressure regulating valve 22 is controlled so that this target pressure P target is realized. Then, the cathode pressure decreases almost without a response delay.
目標圧力Ｐtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ１２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード流量Ｑmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード圧力のセンサー検出値Ｐsensがフィードバックされる。このためカソード圧力だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード流量が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード流量で補完される。
If the adjustment cannot be made by changing the target pressure P target alone, the target temperature T target starts to fluctuate at time t12. That is, a limit value (minimum cathode flow rate Q min ) is used for setting the target temperature T target . The sensor detection value P sens of the cathode pressure adjusted as described above is fed back. For this reason, the amount that cannot be adjusted only by the cathode pressure is adjusted by changing the temperature of the cooling water. Note that the temperature of the cooling water hardly changes even if the target value changes, and a response delay is likely to occur. The temperature of the cooling water is detected by the
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ１３で、目標カソード流量Ｑtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード流量が決められるので、目標圧力Ｐtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード流量で補完されることとなる。
If the target temperature T target cannot be adjusted even by changing the target temperature T target , the target cathode flow rate Q target starts to fluctuate at time t13. That is, the pressure P sens detected by the
このようにすることで、目標湿潤状態が下がるときは、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなる。コンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化するが、本実施形態では、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
In this way, when the target wet state decreases, the target pressure is first lowered and the cathode pressure regulating valve 22 is opened. Next, the target cooling water temperature is raised and the three-
図５は、目標湿潤状態が上がる場合に上記制御ロジックが実行されたときの問題点を説明する図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating a problem when the control logic is executed when the target wet state increases.
目標湿潤状態が下がるときは、上述のようにすることで、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
When the target wet state is lowered, the increase in the rotational speed of the
しかしながら、目標湿潤状態が上がるときに、上述のようにしては、湿潤状態を目標通りには制御できないことが、発明者によって知見された。すなわち、目標圧力Ｐtargetは、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）に基づいて設定されるので、目標湿潤状態が上がるときには、変動しにくい。 However, it has been found by the inventors that when the target wet state increases, the wet state cannot be controlled as intended as described above. That is, the target pressure P target is set based on the stack temperature (minimum stack temperature T min ) and the cathode flow rate (minimum cathode flow rate Q min ) when the wet state is maximized. Difficult to fluctuate.
そのため図５に示されるように、時刻ｔ２１で、目標湿潤状態が上がると、まず目標カソード流量Ｑtargetが下がりはじめる。 Therefore, as shown in FIG. 5, when the target wet state increases at time t21, first, the target cathode flow rate Q target starts to decrease.
目標カソード流量Ｑtargetの変動だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ２２で、目標圧力Ｐtarget及び目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。温度は応答性が悪く、圧力よりも変動しにくい。逆に言えば、圧力が温度よりも先に変動してしまって温度を補完することができなくなる。そのため温度が目標から乖離することとなって、この結果、湿潤状態を目標通りには制御できないのである。 If the target cathode flow rate Q target alone cannot be adjusted, the target pressure P target and the target temperature T target start to change at time t22. Temperature is less responsive and less likely to fluctuate than pressure. In other words, the pressure fluctuates before the temperature and the temperature cannot be supplemented. Therefore, the temperature deviates from the target, and as a result, the wet state cannot be controlled as intended.
図６は、目標湿潤状態が上がるときのコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。 FIG. 6 is a block diagram illustrating functions related to the wet state control of the controller when the target wet state increases.
図６に示されているように、目標湿潤状態が上がるときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)に基づいて演算され、最低スタック温度Ｔminよりは高いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは低い温度(演算値)を用いる。
As shown in FIG. 6, when the target wet state increases, it is calculated based on the stack temperature (minimum stack temperature T min ) when the wet state is maximized, and the water temperature is higher than the minimum stack temperature T min. A temperature (calculated value) lower than the water temperature T sens detected by the
この演算値について具体的に説明する。 The calculated value will be specifically described.
本実施形態では、冷却水温度を操作する操作量に着目し、この操作量に応じて目標圧力演算ブロックＢ１０１に入力する温度を演算するようにした。 In the present embodiment, attention is paid to the operation amount for operating the cooling water temperature, and the temperature input to the target pressure calculation block B101 is calculated according to the operation amount.
冷却水温度を操作する操作量とは、たとえば、ウォーターポンプ４３の回転速度である。
The operation amount for operating the cooling water temperature is, for example, the rotational speed of the
ウォーターポンプ４３の回転速度が小さいほど、冷却水の流量が少ないので、燃料電池スタック１の温度が高くなる。燃料電池スタック１の温度が高くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が増える。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態が低下して乾燥する。
The smaller the rotation speed of the
逆に、電解質膜の湿潤状態を低下させて乾燥させようとするほど、ウォーターポンプ４３の回転速度が小さくなる。電解質膜の湿潤状態を上昇させようとするほど、ウォーターポンプ４３の回転速度が大きくなる。
On the contrary, the rotational speed of the
したがって、ウォーターポンプ４３の回転速度が小さいほど、電解質膜の湿潤状態を低下させて乾燥させようとしている。ウォーターポンプ４３の回転速度が最小であれば、電解質膜の湿潤状態を大幅に低下させようとしている。そこで、このときには、上述の目標湿潤状態が下がったときの制御として示したように、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)を用いる。
Therefore, the smaller the rotational speed of the
一方、ウォーターポンプ４３の回転速度が大きいほど、電解質膜の湿潤状態を上昇させて湿潤させようとしている。ウォーターポンプ４３の回転速度が最大であれば、電解質膜の湿潤状態を大幅に上昇させようとしている。そこで、このときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)に基づいて演算され、最低スタック温度Ｔminよりは高いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは低い温度(演算値)を用いる。なおこの温度は、定常的には水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensに一致することとなる。
On the other hand, the higher the rotational speed of the
そして、その間は、ウォーターポンプ４３の回転速度に応じて、温度を演算する。具体的には、次式(7)に基づいて、温度Ｔcoolantを演算する。
During that time, the temperature is calculated according to the rotational speed of the
このようにして演算された温度を図示すると図７のようになる。すなわち電解質膜の湿潤状態を低下させて乾燥させようとするときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)を用いる。電解質膜の湿潤状態を上昇させて湿潤させようとするときには、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)に基づいて演算され、最低スタック温度Ｔminよりは高いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは低い温度(演算値)を用いる。 The temperature calculated in this way is shown in FIG. That is, when attempting to dry the electrolyte membrane by lowering the wet state, the stack temperature (minimum stack temperature T min ) when the wet state is maximized is used. When trying to increase the wet state of the electrolyte membrane, the water temperature sensor is calculated based on the stack temperature (minimum stack temperature Tmin ) when the wet state is maximized , and is higher than the minimum stack temperature Tmin. A temperature (calculated value) lower than the water temperature T sens detected in 401 is used.
なお図７に示されるように、上式(7)では、最低スタック温度Ｔminと水温Ｔsensとを直線で結んで、その間を按分して温度Ｔcoolantを演算している。しかしながら、このような手法に限られない。直線ではなく、最低スタック温度Ｔminと水温Ｔsensとを指数関数のように下に凸の曲線で結ばれる関係にしたり、ｌｏｇ関数のように上に凸の曲線で結ばれる関係にしてもよい。そのような関係をあらかじめ設定しておけばよい。そして、これらの曲線に基づいて温度Ｔcoolantを演算してもよい。 As shown in FIG. 7, in the above equation (7), the minimum stack temperature T min and the water temperature T sens are connected by a straight line, and the temperature T coolant is calculated by dividing between them. However, it is not limited to such a method. Instead of a straight line, the minimum stack temperature T min and the water temperature T sens may be connected by a downward convex curve like an exponential function, or may be connected by an upward convex curve like a log function. . Such a relationship may be set in advance. Then, the temperature T coolant may be calculated based on these curves.
図８は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。 FIG. 8 is a timing chart showing the operation of the wetting control device when the target wetting state increases.
このようにすれば、目標圧力演算ブロックＢ１０１には、常に、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりも低い温度が入力されることとなる。そのため、目標圧力演算ブロックＢ１０１で演算された圧力では、目標湿潤状態を達成できない。そのため、目標温度演算ブロックＢ１０２で演算された温度で、目標湿潤状態が達成されるようになり、その温度を補完するように、圧力が変動することとなる。
In this way, a temperature lower than the water temperature T sens detected by the
このようにすれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量が下がってコンプレッサー２１の回転速度が下がる。次に目標冷却水温が下がって三方弁４２が制御される。そして最後に目標圧力が上がってカソード調圧弁２２が閉じられる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなる。上述のようにコンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化する。換言すれば、コンプレッサーの回転速度が低下するほど、消費電力が抑えられて燃費が向上する。本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下するので、燃費が向上するのである。
In this way, when the target wet state of the fuel cell is changed and the wet state is raised, the target flow rate is first lowered and the rotational speed of the
また目標湿潤状態が下がるか上がるかで、目標圧力演算ブロックＢ１０１に入力される温度が急激に切り替わることがないので、制御が不安定になることを回避できる。 Further, since the temperature input to the target pressure calculation block B101 does not change abruptly depending on whether the target wet state decreases or increases, it is possible to avoid unstable control.
（第２実施形態）
図９は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置の第２実施形態のコントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。図９(Ａ)は目標湿潤状態が上がるときであり、図９(Ｂ)は目標湿潤状態が下がるときである。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a block diagram showing functions related to the wet state control of the controller of the second embodiment of the wet state control device for a fuel cell according to the present invention. FIG. 9A shows the time when the target wet state increases, and FIG. 9B shows the time when the target wet state decreases.
本実施形態の湿潤状態制御装置は、目標流量演算ブロックＢ２０１と、目標温度演算ブロックＢ２０２と、目標圧力演算ブロックＢ２０３と、を含む。 The wet state control device of the present embodiment includes a target flow rate calculation block B201, a target temperature calculation block B202, and a target pressure calculation block B203.
目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outが減る、すなわち湿潤状態を増大させて湿潤させるときには、図９(Ａ)に示されるように、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(8-1)(8-2)によって求める。 Target flow rate calculation block B201 is reduces the target wastewater Q H2 O _ out, i.e. when wetted by increasing the wet state, as shown in FIG. 9 (A), the target wastewater Q H2 O _ out, the maximum stack temperature T Based on max and the minimum cathode pressure P min , a target cathode flow rate Q target is obtained. Specifically, it is obtained by the following equations (8-1) and (8-2).
ここで最高スタック温度Ｔｍａｘとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、燃料電池スタック１の温度を高くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も高いスタック温度である。同様に、最低カソード圧力Ｐｍｉｎとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、カソード圧力を減らす。なおカソード圧力は、低すぎると圧力不足による性能悪化が生じるおそれがある。その一方で、高すぎるとコンプレッサーで実現できないおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード圧力である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。 Here, the maximum stack temperature Tmax is a stack temperature when the wet state of the fuel cell stack is minimized. As described above, in order to lower the wet state of the electrolyte membrane, the temperature of the fuel cell stack 1 is increased. Note that if the temperature of the fuel cell stack 1 is too low, power generation failure due to condensed water may occur. On the other hand, when it is too high, the deterioration of the fuel cell stack 1 is accelerated. Therefore, the stack temperature when the wet state of the fuel cell stack is minimized is the highest stack temperature within a range in which the performance of the fuel cell stack can be ensured by comprehensively considering these. Similarly, the minimum cathode pressure Pmin is a cathode pressure when the wet state of the fuel cell stack is minimized. As described above, the cathode pressure is decreased to lower the wet state of the electrolyte membrane. If the cathode pressure is too low, performance may deteriorate due to insufficient pressure. On the other hand, if it is too high, it may not be realized with a compressor. Therefore, the cathode pressure when the wet state of the fuel cell stack is minimized is the lowest cathode pressure within a range in which the performance of the fuel cell stack can be ensured by comprehensively considering these. These are set in advance according to the operating state of the fuel cell through experiments.
また目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を低下させて乾燥させるときには、図９(Ｂ)に示されるように、目標排水量ＱH2O_outと、スタック温度(最高スタック温度Ｔmax)に基づいて演算され、最高スタック温度Ｔmaxよりは低いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは高い温度(演算値)と、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。この演算値は、第１実施形態と同様に、ウォーターポンプ４３の回転速度(冷却水温度を操作する操作量)を考慮して求める。
Target flow rate calculation block B201 also increases the target wastewater Q H2 O _ out, that is, when the drying to lower the wet state, as shown in FIG. 9 (B), the target amount of wastewater Q H2 O _ out and, stack temperature ( Calculated based on the maximum stack temperature T max ) and based on the temperature (calculated value) lower than the maximum stack temperature T max but higher than the water temperature T sens detected by the
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標カソード流量Ｑtargetを求める。 As described above, the target flow rate calculation block B201 obtains the target cathode flow Q target.
目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(9-1)(9-2)によって求める。なお式(9-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
Target temperature calculation block B202 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest cathode pressure P min, and detected flow rate Q sens cathode
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。 P sat — target is a target saturated water vapor pressure.
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。
As described above, the target temperature calculation block B202 is a target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest cathode pressure P min, and a flow rate Q sens detected by the cathode
目標圧力演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(10-1)(10-2)によって、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。
Target pressure calculation block B203 is a target wastewater Q H2 O _ out, and the flow rate Q sens detected by the cathode
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensに対する飽和水蒸気圧であり、式(10-2)は、アントワンの式に基づいて求められる。
P sat — sens is a saturated water vapor pressure with respect to the water temperature T sens detected by the
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。 As described above, the target pressure calculation block B203 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, the actual flow rate Q sens, and the actual water temperature T sens, based on the target cathode pressure P target.
図１０は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。 FIG. 10 is a timing chart showing the operation of the wetting control device when the target wetting state increases.
以上の制御ロジックが実行されると、目標湿潤状態が上がるときに、湿潤制御装置は以下のように作動する。 When the above control logic is executed, when the target wet state increases, the wetness control device operates as follows.
時刻ｔ３１で、目標湿潤状態が上がると、湿潤制御装置が作動を開始する。 When the target wet state increases at time t31, the wetness control device starts operating.
目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、実流量Ｑsensと、に基づいて設定される。目標カソード圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。 The target cathode flow rate Q target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the maximum stack temperature T max, and the minimum cathode pressure P min . Target temperature T target is the target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest cathode pressure P min, and the actual flow rate Q sens, is set based on. The target cathode pressure P target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the actual flow rate Q sens, and the actual water temperature T sens .
目標流量Ｑtargetは、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標流量Ｑtargetが下がる。そして、この目標流量Ｑtargetが実現されるように、コンプレッサー２１が制御される。するとカソード流量がほとんど応答遅れなく低下する。
Since the target flow rate Q target is set based on the stack temperature (maximum stack temperature T max ) and the cathode pressure (minimum cathode pressure P min ) when the wet state is minimized, it is most likely to fluctuate. Therefore, first, the target flow rate Q target is preferentially lowered. Then, the
目標流量Ｑtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ３２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード圧力Ｐmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード流量のセンサー検出値Ｑsensがフィードバックされる。このためカソード流量だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード圧力が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード圧力で補完される。
If the adjustment cannot be made by changing the target flow rate Q target alone, the target temperature T target starts to fluctuate at time t32. That is, a limit value (minimum cathode pressure P min ) is used for setting the target temperature T target . The sensor detection value Q sens of the cathode flow rate adjusted as described above is fed back. For this reason, the amount that the cathode flow rate alone cannot be adjusted is adjusted by changing the temperature of the cooling water. Note that the temperature of the cooling water hardly changes even if the target value changes, and a response delay is likely to occur. The temperature of the cooling water is detected by the
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ３３で、目標カソード圧力Ｐtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード圧力が決められるので、目標流量Ｑtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード圧力で補完されることとなる。
If the target temperature T target cannot be adjusted even by changing the target temperature T target , the target cathode pressure P target starts to fluctuate at time t33. That is, the flow rate Q sens detected by the cathode
このようにすれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサー２１の回転速度を下げる。次に目標冷却水温を下げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標圧力を上げてカソード調圧弁２２を閉じる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなる。上述のようにコンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化する。換言すれば、コンプレッサーの回転速度が低下するほど、消費電力が抑えられて燃費が向上する。本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下するので、燃費が向上するのである。
In this way, when the target wet state of the fuel cell is changed and the wet state is raised, the target flow rate is first lowered to lower the rotational speed of the
図１１は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。 FIG. 11 is a timing chart showing the operation of the wetting control device when the target wetting state decreases.
目標湿潤状態が上がるときは、上述のようにすることで、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
When the target wet state increases, the increase in the rotational speed of the
しかしながら、目標湿潤状態が下がるときに、上述のようにしては、湿潤状態を目標通りには制御できない。すなわち、目標流量Ｑtargetは、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）に基づいて設定されるので、目標湿潤状態が下がるときには、変動しにくい。 However, when the target wet state decreases, the wet state cannot be controlled as desired as described above. That is, the target flow rate Q target is set based on the stack temperature (maximum stack temperature T max ) and the cathode pressure (minimum cathode pressure P min ) when the wet state is minimized, so when the target wet state decreases, Difficult to fluctuate.
目標カソード圧力Ｐtargetの変動だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ４２で、目標流量Ｑtarget及び目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。温度は応答性が悪く、流量よりも変動しにくい。逆に言えば、流量が温度よりも先に変動してしまって温度を補完することができなくなる。そのため温度が目標から乖離することとなって、この結果、湿潤状態を目標通りには制御できない。 If the target cathode pressure P target alone cannot be adjusted, the target flow rate Q target and the target temperature T target start to change at time t42. Temperature is less responsive and less likely to fluctuate than flow rate. In other words, the flow rate fluctuates before the temperature and the temperature cannot be supplemented. Therefore, the temperature deviates from the target, and as a result, the wet state cannot be controlled as intended.
これに対して本実施形態では、目標流量演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態を低下させて乾燥させるときには、スタック温度(最高スタック温度Ｔmax)に基づいて演算され、最高スタック温度Ｔmaxよりは低いが水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりは高い温度(演算値)を用いるようにした。
In contrast, in this embodiment, the target flow rate calculation block B201 is increased the target wastewater Q H2 O _ out, that is, when the drying to lower the wet state, is calculated based on the stack temperature (the maximum stack temperature T max) A temperature (calculated value) lower than the maximum stack temperature T max but higher than the water temperature T sens detected by the
このようにすれば、目標流量演算ブロックＢ２０１には、常に、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensよりも高い温度が入力されることとなる。そのため、目標流量演算ブロックＢ２０１で演算された流量では、目標湿潤状態を達成できない。そのため、目標温度演算ブロックＢ２０２で演算された温度で、目標湿潤状態が達成されるようになり、その温度を補完するように、流量が変動することとなる。
In this way, a temperature higher than the water temperature T sens detected by the
このようにすることで、目標湿潤状態が下がるときは、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなる。コンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化するが、本実施形態では、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
In this way, when the target wet state decreases, the target pressure is first lowered and the cathode pressure regulating valve 22 is opened. Next, the target cooling water temperature is raised and the three-
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
たとえば、第２実施形態において、冷却水温度を操作する操作量としては、ウォーターポンプ４３の回転速度を例示したが、これには限られない。三方弁４２の開度や、クーリングファン４１０の回転速度であってもよい。
For example, in the second embodiment, the operation amount for operating the cooling water temperature is exemplified by the rotational speed of the
また第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、冷却水温度を操作する操作量を考慮して温度Ｔcoolantを演算してもよい。 Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the temperature T coolant may be calculated in consideration of the operation amount for operating the cooling water temperature.
さらに上記各実施形態は、その他にも適宜組み合わせ可能である。 Furthermore, the above embodiments can be appropriately combined with each other.
また燃料電池の湿潤状態とは、燃料電池の水収支（たとえば「水収支=生成される水−排出される水」で定義される）であってもよいし、燃料電池の電解質膜の抵抗であってもよいし、その他の燃料電池の湿潤状態を表すものであってもよい。 In addition, the wet state of the fuel cell may be a water balance of the fuel cell (for example, defined as “water balance = generated water−discharged water”) or a resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell. It may be present or may represent the wet state of other fuel cells.
さらに冷却水の温度に代えて、燃料電池自体の温度や、空気の温度を用いてもよい。 Furthermore, instead of the temperature of the cooling water, the temperature of the fuel cell itself or the temperature of air may be used.
さらにまた上記各実施形態では、目標圧力演算ブロックＢ１０１では、目標圧力Ｐtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ１０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標流量演算ブロックＢ２０１では、目標流量Ｑtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ２０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。このように限界値(最大値、最小値)を用いれば、最も効果が大きい。しかしながら、最大値よりも小さめ、最小値よりも大きめのものを使用してもよい。このようにしても相応の効果は得られる。
Furthermore, in each of the above embodiments, in the target pressure calculation block B101, when setting the target pressure Ptarget, the stack temperature (minimum stack temperature Tmin ) and the cathode flow rate (minimum cathode flow rate Q when the wet state is maximized) are set. min ). The target temperature
１０ 燃料電池スタック
２０ カソードライン
２１ コンプレッサー
２２ カソード調圧弁
２０１ カソード流量センサー
２０２ カソード圧力センサー
３０ アノードライン
４０ 冷却水循環ライン
４００ バイパスライン
４１ ラジエーター
４２ 三方弁
４３ ウォーターポンプ
４０１ 水温センサー
Ｂ１０１ 目標圧力演算ブロック
Ｂ１０２ 目標温度演算ブロック
Ｂ１０３ 目標流量演算ブロック
Ｂ２０１ 目標流量演算ブロック
Ｂ２０２ 目標温度演算ブロック
Ｂ２０３ 目標圧力演算ブロック
DESCRIPTION OF
Claims (6)
燃料電池の目標水収支、カソードガス流量、カソードガス圧力に基づいて、冷却水温度を調整する水温制御部と、
燃料電池の目標水収支、カソードガス圧力、冷却水温度に基づいてカソードガス流量を調整する流量制御部と、
を含んで燃料電池の湿潤状態を制御する装置であって、
前記圧力制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合であって、湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときのカソードガスの流量及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときの冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときのカソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御し、
前記水温制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときのカソードガスの流量を用いて冷却水の温度を制御し、
前記流量制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実圧力及び冷却水の実温度を用いてカソードガスの流量を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 A pressure controller that adjusts the cathode gas pressure based on the target water balance of the fuel cell, the coolant temperature, and the cathode gas flow rate;
A water temperature controller that adjusts the cooling water temperature based on the target water balance of the fuel cell, the cathode gas flow rate, and the cathode gas pressure;
A flow rate controller for adjusting the cathode gas flow rate based on the target water balance of the fuel cell, the cathode gas pressure, and the cooling water temperature;
A device for controlling the wet state of the fuel cell, comprising:
The pressure control unit adjusts the wet state of the fuel cell. When the wet state is lowered and dried, the flow rate of the cathode gas and the fuel cell when the fuel cell is set to a higher wet state than the current state are set. controlling the pressure of the cathode gas based on the temperature of the cooling water at the time of a high wet state than when the wetting is to increase the wet state, the cathode gas when the fuel cell in a high wet state than the current flow And controlling the pressure of the cathode gas based on the actual temperature of the cooling water,
When adjusting the wet state of the fuel cell, the water temperature control unit controls the temperature of the cooling water using the actual pressure of the cathode gas and the flow rate of the cathode gas when the fuel cell is in a higher wet state than the present. ,
The flow rate controller controls the flow rate of the cathode gas using the actual pressure of the cathode gas and the actual temperature of the cooling water when adjusting the wet state of the fuel cell.
Fuel cell wet state control device.
前記冷却水の実温度に基づくとは、燃料電池を現在よりも高湿潤状態にするときの冷却水の温度及び冷却水の実温度の間であって冷却水温度を操作する操作量に応じて演算される演算値を用いることである、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 The wet state control device for a fuel cell according to claim 1,
Based on the actual temperature of the cooling water is between the temperature of the cooling water when the fuel cell is in a higher wet state than the current temperature and the actual temperature of the cooling water, depending on the operation amount for operating the cooling water temperature. Is to use the computed value to be computed,
Fuel cell wet state control device.
現在よりも高湿潤状態にするときのカソードガスの流量とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い流量であり、
現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 In the fuel cell wet state control device according to claim 1 or 2,
The flow rate of the cathode gas when the wet state is higher than the present is the lowest flow rate within the range where the performance of the fuel cell can be secured,
The temperature of the cooling water supplied when the wet state is higher than the present is the lowest temperature within the range in which the performance of the fuel cell can be secured.
Fuel cell wet state control device.
燃料電池の目標水収支、カソードガス流量、カソードガス圧力に基づいて、冷却水温度を調整する水温制御部と、
燃料電池の目標水収支、冷却水温度、カソードガス流量に基づいてカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、
を含んで燃料電池の湿潤状態を制御する装置であって、
前記流量制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合であって、湿潤状態を高めて湿潤させるときには、燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときのカソードガスの圧力及び燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときの冷却水の温度に基づいてカソードガスの流量を制御し、湿潤状態を低めて乾燥させるときには、燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときのカソードガスの圧力及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの流量を制御し、
前記水温制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実流量及び燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときのカソードガスの圧力を用いて冷却水の温度を制御し、
前記圧力制御部は、燃料電池の湿潤状態を調整する場合に、カソードガスの実流量及び冷却水の実温度を用いてカソードガスの圧力を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 A flow rate controller for adjusting the cathode gas flow rate based on the target water balance of the fuel cell, the cathode gas pressure, and the cooling water temperature;
A water temperature controller that adjusts the cooling water temperature based on the target water balance of the fuel cell, the cathode gas flow rate, and the cathode gas pressure;
A pressure controller that adjusts the cathode gas pressure based on the target water balance of the fuel cell, the coolant temperature, and the cathode gas flow rate;
A device for controlling the wet state of the fuel cell, comprising:
The flow rate control unit adjusts the wet state of the fuel cell. When the wet state is increased and wetted, the pressure of the cathode gas and the fuel cell when the fuel cell is set to a lower wet state than the current state are set. When controlling the cathode gas flow rate based on the temperature of the cooling water when making it lower wet, and lowering the wet state when drying, the pressure of the cathode gas when making the fuel cell lower wet than the present time And the flow rate of the cathode gas based on the actual temperature of the cooling water,
When adjusting the wet state of the fuel cell, the water temperature control unit controls the temperature of the cooling water using the actual flow rate of the cathode gas and the pressure of the cathode gas when the fuel cell is brought into a lower wet state than the current state. ,
The pressure control unit controls the pressure of the cathode gas using the actual flow rate of the cathode gas and the actual temperature of the cooling water when adjusting the wet state of the fuel cell.
Fuel cell wet state control device.
前記冷却水の実温度に基づくとは、燃料電池を現在よりも低湿潤状態にするときの冷却水の温度及び冷却水の実温度の間であって冷却水温度を操作する操作量に応じて演算される演算値を用いることである、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 The wet state control device for a fuel cell according to claim 4,
Based on the actual temperature of the cooling water is between the temperature of the cooling water when the fuel cell is brought into a lower wet state than the current temperature and the actual temperature of the cooling water, depending on the operation amount for operating the cooling water temperature. Is to use the computed value to be computed,
Fuel cell wet state control device.
現在よりも低湿潤状態にするときのカソードガスの圧力とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い圧力であり、
現在よりも低湿潤状態にするときの冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も高い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 In the fuel cell wet state control device according to claim 4 or 5,
The pressure of the cathode gas when it is in a lower wet state than the present is the lowest pressure within a range where the performance of the fuel cell can be secured,
The temperature of the cooling water when the moisture state is lower than that of the present is the highest temperature within a range where the performance of the fuel cell can be secured.
Fuel cell wet state control device.
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