JP6790510B2 - Fuel cell system and control method of fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a method for controlling a fuel cell system.
特許文献1には、燃料電池とガスタービンの複合発電システムであって、タービンと、タービンによって駆動される圧縮機と、圧縮機を駆動する電動機(電動モータ)と、燃料電池と、圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃料電池へ供給する第1のガス供給流路と、燃料電池から排出される排ガスをタービンへ供給する第1の排ガス流路を備えた燃料電池システムが開示されている。特許文献1のシステムでは、要求発電電力(システム要求出力)が大きい場合には、燃焼器を作動させて燃焼ガスをタービンに供給してタービンを駆動さることが記載されている。
しかしながら、特許文献1の燃料電池システムは、高負荷時に電動機を停止してタービン回収動力で圧縮機を駆動するという一般的な動力源の切り替え制御を行っているに過ぎない。したがって、要求発電電力を満たすための動力は基本的には電動モータで確保することとなるため、電動モータの出力可能な動力に余裕を持たせる必要が生じ、電動モータが大型化し、ひいてはシステム全体の大型化につながるという問題がある。
However, the fuel cell system of
本発明のある態様によれば、燃料電池のアノード極に燃料を供給する燃料供給装置と、燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、運転状態検出部からの信号により燃料供給装置及び酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、酸化剤供給装置は、コンプレッサと該コンプレッサを駆動する電動モータと、を備え、前記運転制御装置は、システムが定常運転状態であるか否かを判定する定常状態判定部と、定常状態判定部による判定結果に基づいて前記電動モータの出力上限値を設定するモータ出力上限値設定部と、燃料電池システムが搭載される車両のアクセルペダル操作量に基づいて該車両の走行用電力に相当するシステム要求出力を算出するシステム要求出力算出部と、算出された前記システム要求出力に基づいて燃料電池の目標発電電流を設定する目標発電電流設定部と、を有し、モータ出力上限値設定部は、目標発電電流に基づいて燃料電池から電動モータへ供給すべき電力に相当する発電電力要求最大モータ動力を演算し、発電電力要求最大モータ動力を、目標発電電流が所定値未満となる低・中負荷領域よりも該所定値以上となる高負荷領域において低い値となるように演算する燃料電池システムが提供される。 According to an aspect of the present invention, a fuel supply device that supplies fuel to the anode electrode of a fuel cell, an oxidant supply device that supplies an oxidant to the cathode electrode of the fuel cell, and an operation for detecting an operating state of the fuel cell. A fuel cell system including a state detection unit and an operation control device that controls a fuel supply device and an oxidant supply device by a signal from an operation state detection unit. The oxidant supply device includes a compressor and the compressor. The operation control device includes an electric motor to be driven, and the operation control device includes a steady state determination unit for determining whether or not the system is in a steady operation state, and an output upper limit of the electric motor based on a determination result by the steady state determination unit. A motor output upper limit value setting unit that sets a value, a system request output calculation unit that calculates a system request output corresponding to the running power of the vehicle based on the accelerator pedal operation amount of the vehicle on which the fuel cell system is mounted, and a system request output calculation unit. It has a target power generation current setting unit that sets the target power generation current of the fuel cell based on the calculated system required output, and the motor output upper limit value setting unit moves from the fuel cell to the electric motor based on the target power generation current. The maximum generated power required motor power corresponding to the power to be supplied is calculated, and the maximum generated power required motor power is a high load region where the target generated current is equal to or more than the predetermined value than the low / medium load region where the target generated current is less than the predetermined value. Provided is a fuel cell system that calculates to a low value in.
本発明のある態様によれば、電動モータの出力を制限することができ、電動モータを小型に構成することができる。結果として、システムの小型化が実現される。 According to an aspect of the present invention, the output of the electric motor can be limited, and the electric motor can be made compact. As a result, the miniaturization of the system is realized.
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings and the like.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
図示のように、本発明の第1実施形態における燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、カソード給排機構12と、アノード供給機構14と、コンプレッサ64及びタービン62を有するターボ過給機16と、加熱/冷却機構17と、HFR測定装置18と、負荷装置19と、コントローラ20と、を有している。
As shown in the figure, the
燃料電池スタック10は、複数の燃料電池を積層した積層電池である。燃料電池スタック10は、アノード供給機構14からの燃料としてのアノードガス(水素)の供給及びカソード給排機構12からの酸化剤としてのカソードガス(空気)の供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。この発電電力は、コンプレッサ64等の各種の補機類や、図示しない車輪駆動用の走行モータで使用される。また、燃料電池スタック10の正極端子及び負極端子には、HFR測定装置18と負荷装置19が接続されている。
The
カソード給排機構12は、カソードガス供給通路22と、カソードガス排出通路24と、を備えている。
The cathode supply /
カソードガス供給通路22は、燃料電池スタック10に供給される空気が流れる通路である。カソードガス供給通路22の一端はコンプレッサ64の吸気入口に接続され、他端は燃料電池スタック10に接続される。
The cathode
カソードガス排出通路24は、燃料電池スタック10から排出されるカソード排ガスが流れる通路である。カソードガス排出通路24の一端は燃料電池スタック10に接続され、他端はタービン62に接続されている。
The cathode
そして、カソードガス供給通路22には、上流から順に、エアフローメータ26と、空気圧力センサ28が設けられている。また、カソードガス排出通路24には、上流から順に、スタック出口温度センサ30と、燃焼器32と、ノズルベーン34と、が設けられている。
An
エアフローメータ26は、カソードガス供給通路22において、ターボ過給機16のコンプレッサ64の吸気入口に設けられている。エアフローメータ26は、コンプレッサ64に吸入される空気の流量(以下では「空気流量」とも記載する)を検出する。エアフローメータ26で検出された空気流量検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
The
空気圧力センサ28は、コンプレッサ64から吐出されたカソードガス供給通路22の圧力(以下では「空気圧力」とも記載する)を検出する。空気圧力センサ28で検出された空気圧力検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
The
また、カソードガス供給通路22において、コンプレッサ64と空気圧力センサ28の間には、カソードガス排出通路24のスタック出口温度センサ30と燃焼器32の間に接続されるバイパス通路36が接続されている。
Further, in the cathode
バイパス通路36は、コンプレッサ64によりカソードガス供給通路22に吸入される空気の一部を、燃料電池スタック10をバイパスさせてカソードガス排出通路24へ供給する。バイパス通路36には、バイパス弁38が設けられている。バイパス弁38は、バイパス通路36を流れる空気の流量を調節する。
The
バイパス弁38は、コントローラ20によって開閉制御される。例えば、コンプレッサ64によりカソードガス供給通路22に吸入される空気の流量が燃料電池スタック10により発電のために要求される空気の流量を上回る場合に、コントローラ20はバイパス弁38の開度を増加させる。これにより、バイパス流量が増加して、燃料電池スタック10内の電解質膜の過乾燥が防止される。
The
スタック出口温度センサ30は、燃料電池スタック10から排出されるカソード排ガスの温度(以下、スタック出口温度とも記載する)を検出する。スタック出口温度センサ30で検出されたスタック出口温度検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
The stack
燃焼器32は、水素とカソード排ガスを図示しないミキサで混合してなる混合ガスを、白金等による触媒作用で触媒燃焼させ、燃焼後に残ったガス(燃焼ガス)を排出する。この燃焼器32には、アノード供給機構14の高圧タンク40から水素が供給される一方で、燃料電池スタック10からのカソード排ガス及びバイパス通路36からの空気が混合されてなるカソード排ガスが供給される。
The
なお、本実施形態では、燃焼器32として触媒燃焼方式の燃焼器が用いられることで、拡散燃焼方式の燃焼器や希薄予混合燃焼方式の燃焼器を用いる場合と比較して、窒素化合物(Nox)の発生が抑制される。しかしながら、拡散燃焼方式の燃焼器や希薄予混合燃焼方式の燃焼器等の触媒燃焼器以外の燃焼器を用いても良い。
In this embodiment, since the catalytic combustion type combustor is used as the
また、カソードガス排出通路24における燃焼器32とノズルベーン34の間には、タービンバイパス通路39が接続されている。このタービンバイパス通路39は、燃焼器32からの燃焼ガスの一部を、加熱/冷却機構17に供給する。
Further, a
すなわち、燃料電池スタック10の暖機時などにおいて、燃焼ガスの一部を加熱/冷却機構17に供給し、燃焼ガスの熱で燃料電池スタック10を暖めることで暖機を促進することができる。また、タービンバイパス通路39から加熱/冷却機構17へ供給されて加熱/冷却機構17で熱が回収された後の燃焼ガスは、後述するタービン排気通路68に合流して燃料電池システム100の外部に排出される。
That is, when the
ノズルベーン34は、タービン62に供給する燃焼ガスの圧力を調節する。ノズルベーン34の開度(ノズルリフト量)は、コントローラ20により制御される。ノズルベーン34は、開放状態でタービン62への入口流路の断面積が増加し、カソードガス排出通路24からタービン62に流入する燃焼ガスの圧力損失が相対的に小さくなる。一方、ノズルベーン34の閉塞状態では、タービン62への入口流路の断面積が相対的に減少し、圧力損失が大きくなる。すなわち、ノズルベーン開度が増大するほど、空気圧力を下げることができる。
The
次に、アノード供給機構14について説明する。本実施形態におけるアノード供給機構14は、高圧タンク40と、水素ヒータ42と、スタック用水素供給通路44と、燃焼器用水素供給通路46と、を備えている。
Next, the
高圧タンク40は、燃料電池スタック10及び燃焼器32に供給する水素を高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。
The high-
水素ヒータ42は、加熱/冷却機構17から供給される熱により高圧タンク40からの水素を加熱する熱交換器である。具体的に、高圧タンク40からの水素は、加熱/冷却機構17における燃料電池スタック10の冷却水と熱交換されることで加熱される。
The
スタック用水素供給通路44は、高圧タンク40から排出される水素を燃料電池スタック10のアノード極に供給する通路である。スタック用水素供給通路44の一端は水素ヒータ42に接続され、他端は燃料電池スタック10に接続される。
The stack
また、スタック用水素供給通路44には、スタック供給水素調圧弁48が設けられている。スタック供給水素調圧弁48は、コントローラ20により開閉制御され、燃料電池スタック10へ供給される水素の圧力が調節される。
Further, a stack supply hydrogen
一方、燃焼器用水素供給通路46は、高圧タンク40から排出される水素の一部を、燃焼器32に供給する通路である。燃焼器用水素供給通路46は、その一端がスタック用水素供給通路44に連通して分岐しており、他端が燃焼器32に連結されている。
On the other hand, the
また、燃焼器用水素供給通路46には、燃焼器用水素供給通路46の上流の水素の圧力(以下では、「供給水素圧力」とも記載する)を検出する水素圧力検出センサ47が設けられている。水素圧力検出センサ47による供給水素圧力検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
Further, the
また、燃焼器用水素供給通路46には、燃焼器32への水素供給量(燃料供給量)を任意に調節する燃焼器水素量調節弁49が設けられている。燃焼器水素量調節弁49は、燃焼器32への水素供給量を適宜調節する弁である。燃焼器水素量調節弁49は、コントローラ20によりその開度が調節される。燃焼器水素量調節弁49は、例えば、比例ソレノイド等で構成することができる。
Further, the combustor
なお、本実施形態にかかる燃料電池システム100において、燃料電池スタック10からのアノード排ガスは、たとえば循環型又は非循環型等の図示しないアノード排出系により処理することができる。
In the
次に、ターボ過給機16について説明する。ターボ過給機16は、タービン62と、コンプレッサ64と、を備えている。また、本実施形態のターボ過給機16には、電動モータ60が設けられている。
Next, the
電動モータ60は、回転駆動軸66の一方側でコンプレッサ64に接続されるとともに、回転駆動軸66の他方側でタービン62に接続される。電動モータ60は、図示しないバッテリ、及び燃料電池スタック10から電力の供給を受けてコンプレッサ64を回転駆動する電動機としての機能(力行モード)、及び外力によって回転駆動されることで発電し、バッテリ等に電力を供給する発電機としての機能(回生モード)を有する。電動モータ60は、図示しないモータケースと、モータケースの内周面に固定されるステータと、ステータの内側に回転可能に配置されるロータと、を有し、ロータは上記回転駆動軸66に一体に取り付けられる。
The
また、電動モータ60には、回転数センサ72が設けられている。回転数センサ72は、電動モータ60の回転数を検出する。回転数センサ72で検出されたモータ回転数検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
Further, the
タービン62は、燃焼器32から供給される燃焼ガスによって回転駆動される。そして、タービン62は、この回転駆動力を、回転駆動軸66を介してコンプレッサ64に出力する。すなわち、タービン62の回収動力(以下、「タービン回収動力」とも記載する)で回転駆動軸66を介して直接コンプレッサ64を回転させることができる。
The
なお、タービン62の回収動力により電動モータ60を駆動しても良い。また、タービン62からの回収動力で電動モータ60を駆動することで電動モータ60の回生運転を行うことができる。さらに、タービン62の駆動に使用された後の燃焼ガスは、タービン排気通路68を介して排出される。
The
また、例えば、燃料電池システム100への要求出力(以下では、「システム要求出力」とも記載する)が高い場合などのコンプレッサ64の動力の目標値(以下では、「目標コンプレッサ動力」とも記載する)が比較的大きい場合であって、タービン回収動力を増加させる必要がある場合などには、タービン62へ流入する燃焼ガスの流量(以下では、「タービンガス入口流量」とも記載する)、温度(以下では、「タービン入口温度」)、及び圧力を増加させてコンプレッサ64へ好適に動力を供給することができる。また、上述したノズルベーン34のノズルリフト量の調節により、タービン62へ供給される燃焼ガスの圧力を調節することでタービン回収動力を調節することができる。
Further, for example, when the required output to the fuel cell system 100 (hereinafter, also referred to as “system required output”) is high, the target value of the power of the compressor 64 (hereinafter, also referred to as “target compressor power”). Is relatively large, and when it is necessary to increase the turbine recovery power, etc., the flow rate of the combustion gas flowing into the turbine 62 (hereinafter, also referred to as “turbine gas inlet flow rate”), temperature (hereinafter, also referred to as “turbine gas inlet flow rate”), temperature (hereinafter, Then, the “turbine inlet temperature”) and the pressure can be increased to suitably supply power to the
コンプレッサ64は、電動モータ60及びタービン62と回転駆動軸66を介して接続されている。コンプレッサ64は、電動モータ60及びタービン62の少なくとも何れか一方により回転駆動軸66を介して回転駆動され、外部から燃料電池システム100内に空気を吸入する。そして、コンプレッサ64は、吸入した空気をカソードガス供給通路22を介して燃料電池スタック10のカソード極に供給する。したがって、本実施形態では、コンプレッサ64は、タービン62とは独立した電動モータ60と、タービン62により駆動される。
The
次に、加熱/冷却機構17について説明する。加熱/冷却機構17は、冷却水循環流路80と、熱交換器82と、冷却水循環ポンプ84と、を有している。加熱/冷却機構17は、図示しないラジエータ等の冷却装置により冷却水循環流路80内の冷却水の温度を制御する。
Next, the heating /
冷却水循環流路80は、燃料電池スタック10の冷却水入口10aから冷却水出口10bの間で冷却水を循環させる通路である。すなわち、冷却水循環流路80を循環する冷却水は、燃料電池スタック10の冷却水入口10aから燃料電池スタック10内に供給されるとともに、燃料電池スタック10の冷却水出口10bから排出される方向に流れる。
The cooling water circulation flow path 80 is a passage for circulating cooling water between the cooling
さらに、冷却水循環流路80には、上述した水素ヒータ42に冷却水を供給する冷却水分岐路86が接続されている。したがって、冷却水循環流路80から冷却水分岐路86に流れる冷却水により、高圧タンク40から燃料電池スタック10や燃焼器32に供給される水素が加熱されることとなる。
Further, a cooling
また、冷却水循環流路80には、燃料電池スタック10の冷却水出口10bの近傍に水温センサ88が設けられている。水温センサ88は、燃料電池スタック10から排出される冷却水の温度(以下では、「冷却水温度」とも記載する)を検出する。水温センサ88で検出された冷却水温度検出値の信号は、コントローラ20に入力される。
Further, in the cooling water circulation flow path 80, a
熱交換器82は、冷却水循環流路80を流れる冷却水と上述したタービンバイパス通路39からの排ガスとの間で熱交換を行う。
The
冷却水循環ポンプ84は、冷却水循環流路80で冷却水を循環させる。なお、冷却水循環ポンプ84の出力は、コントローラ20により制御される。
The cooling
次にHFR測定装置18について説明する。HFR測定装置18は、燃料電池スタック10内の電解質膜の湿潤状態を取得する湿潤状態取得装置として機能する。HFR測定装置18は、燃料電池スタック10に接続され、電解質膜の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック10の内部インピーダンスを測定する。
Next, the
一般に、電解質膜の含水量(水分)が少なくなるほど、すなわち電解質膜が乾き気味になるほど、内部インピーダンスは大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち電解質膜が濡れ気味になるほど、内部インピーダンスは小さくなる。このため、本実施形態では、電解質膜の湿潤状態を示すパラメータとして、燃料電池スタック10の内部インピーダンスが用いられる。
In general, the smaller the water content (moisture) of the electrolyte membrane, that is, the drier the electrolyte membrane, the larger the internal impedance. On the other hand, the larger the water content of the electrolyte membrane, that is, the wetter the electrolyte membrane, the smaller the internal impedance. Therefore, in the present embodiment, the internal impedance of the
そして、HFR測定装置18は、例えば、電解質膜の電気抵抗を検出するのに適した高周波数の交流電流を供給し、出力される交流電圧の振幅を当該交流電流の振幅で除することにより、内部インピーダンスを算出する。
Then, the
以下では、この高周波数の交流電圧及び交流電流に基づいて算出される内部インピーダンス(高周波数抵抗)をHFR(High Frequency Resistance)とも記載する。HFR測定装置18は、算出したHFR値をHFR測定値としてコントローラ20に出力する。
In the following, the internal impedance (high frequency resistance) calculated based on the high frequency AC voltage and AC current will also be described as HFR (High Frequency Resistance). The
負荷装置19は、燃料電池スタック10から供給される発電電力を受けて駆動する。負荷装置19としては、例えば、車両を駆動する走行モータや電動モータ60等の各種補機類などが挙げられる。
The load device 19 receives and drives the generated electric power supplied from the
なお、負荷装置19は、その作動に必要な電力を、燃料電池スタック10に対する要求発電電力としてコントローラ20に出力する。
The load device 19 outputs the electric power required for its operation to the
負荷装置19と燃料電池スタック10との間には、電流センサ51と電圧センサ52とが配置される。
A
電流センサ51は、燃料電池スタック10の正極端子と負荷装置19の正極端子との間の電源線に接続される。電流センサ51は、燃料電池スタック10から負荷装置19に出力される電流を検出する。以下では、燃料電池スタック10から負荷装置19に出力される電流のことを「スタック電流」とも記載する。電流センサ51は、スタック電流検出値の信号をコントローラ20に出力する。
The
電圧センサ52は、燃料電池スタック10の正極端子と負極端子との間に接続される。電圧センサ52は、正極端子と負極端子との間の電圧である端子間電圧を検出する。以下では、燃料電池スタック10の端子間電圧のことを「スタック電圧」という。電圧センサ52は、スタック電圧検出値の信号をコントローラ20に出力する。
The
さらに、上述のように構成される燃料電池システム100は、当該システムの作動状態を統括的に制御する運転制御装置としてのコントローラ20を有している。
Further, the
コントローラ20は、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。
The
コントローラ20には、燃料電池システム100の運転状態検出部からの信号が入力される。具体的に、コントローラ20は、運転状態検出部として、HFR測定装置18、エアフローメータ26、空気圧力センサ28、スタック出口温度センサ30、水素圧力検出センサ47、電流センサ51、電圧センサ52、回転数センサ72、及び水温センサ88を有している。そして、コントローラ20には、これらからの信号が入力される。
A signal from the operating state detection unit of the
さらに、コントローラ20には、燃料電池スタック10内の負荷装置19からの要求負荷が入力される。本実施形態では、負荷装置19による負荷には、例えば、図示しないアクセルペダルセンサで検出されるアクセルペダルの操作量に基づく走行用電力(システム要求出力)、電動モータ60や各種ポンプ及びバルブ等の、燃料電池システム100を作動させるための補機類で消費される電力(補機消費電力)が含まれる。
Further, the requested load from the load device 19 in the
コントローラ20は、上記要求負荷に基づいて燃料電池システム100への要求発電電力を算出する。すなわち、燃料電池スタック10に対する要求発電電力は、燃料電池システム100の外部に出力される走行用電力等のシステム要求出力と、補機消費電力の和に相当する。本実施形態では、後に詳細に説明するが、補機消費電力に含まれる電動モータ60の消費電力分を、タービン62の回収動力でアシストする。
The
そして、コントローラ20は、予め定められている燃料電池スタック10のIV特性に基づいて、要求発電電力からスタック電流の目標値である目標スタック電流を算出する。
Then, the
コントローラ20は、上記各入力信号等に基づいて、ノズルベーン34のノズルリフト量、バイパス弁38の開度、スタック供給水素調圧弁48の開度、燃焼器水素量調節弁49の開度、電動モータ60の出力(トルク又は動力)、及び冷却水循環ポンプ84の出力を制御する。
Based on the above input signals and the like, the
以下では、本実施形態にかかる燃料電池システム100の制御態様について説明する。なお、本実施形態においては、「出力」に相当する語として「動力」及び「電力」という語を、それらが機械的エネルギー及び電気的エネルギーの何れも意味する用語として区別すること無く用いる。
Hereinafter, the control mode of the
図2は、燃料電池システム100の全体的な制御の概要を説明するフローチャートである。
FIG. 2 is a flowchart illustrating an outline of overall control of the
図示のように、ステップS100において、コントローラ20は、負荷装置19による要求電力の信号を読み込む。
As shown in the figure, in step S100, the
ステップS110において、コントローラ20は目標スタック電流を演算する。
In step S110, the
図3は、目標スタック電流の演算の流れを示すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing the flow of calculation of the target stack current.
図示のように、ステップS111において、コントローラ20は補機の消費電力を推定する。具体的には、コントローラ20は、モータ回転数センサ72による電動モータ回転数検出値等から電動モータ60の消費電力の推定値を算出する。また、冷却水循環ポンプ84や燃焼器水素量調節弁49等の他のアクチュエータの消費電力又はその推定値を電動モータ60の消費電力の推定値に加算した値を補機の消費電力推定値としても良い。
As shown, in step S111, the
ステップS112において、コントローラ20は、目標スタック電力を演算する。具体的には、負荷装置19により含まれる、上述のアクセルペダルの操作量に基づく走行用電力としてのシステム要求出力に、ステップS111で算出した補機消費電力の推定値を加算して目標スタック電力を演算する。
In step S112, the
ステップS113において、コントローラ20は、実スタック電力を演算する。具体的には、コントローラ20は、電流センサ51によるスタック電流検出値と電圧センサ52によるスタック電圧検出値を乗じて実スタック電力を演算する。
In step S113, the
ステップS114において、コントローラ20は、目標スタック電流を演算する。具体的には、コントローラ20は、IV特性を参照しつつ、ステップS113で演算した実スタック電力が、ステップS112で演算した目標スタック電力に近づくように、目標スタック電流を定める。
In step S114, the
図2に戻り、ステップS110で目標スタック電流が演算されると、ステップS120の冷却系操作量の演算、ステップS130の空気系操作量の演算、及びステップS140の燃料系操作量演算が行われる。 Returning to FIG. 2, when the target stack current is calculated in step S110, the cooling system operation amount calculation in step S120, the air system operation amount calculation in step S130, and the fuel system operation amount calculation in step S140 are performed.
図4は、冷却系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing the flow of calculation of the cooling system operation amount.
先ず、ステップS121において、コントローラ20は、燃料電池スタック10の電解質膜の湿潤状態を好適に制御する観点から、HFR測定装置18によるHFR測定値が目標スタック電流に基づいて算出される目標HFRに近づくように、湿潤制御要求目標空気流量及び湿潤制御要求目標空気圧力を演算する。
First, in step S121, the
ステップS122において、コントローラ20は、各冷却系アクチュエータの操作量を演算する。例えば、コントローラ20は、上記目標HFR等に基づいて、冷却水循環流路80に設けられる図示しないラジエータの目標ラジエータファン回転数や図示しない三方弁8の目標開度を算出する。
In step S122, the
次に、空気系操作量の演算の流れについて説明する。 Next, the flow of calculation of the air system operation amount will be described.
図5は、空気系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing the flow of calculation of the air system operation amount.
図示のように、ステップS131において、コントローラ20は、予め定められたテーブルに基づいて、目標スタック電流から、上記湿潤制御要求目標空気圧力を考慮して、空気圧力の目標値である目標空気圧力を算出する。
As shown in the figure, in step S131, the
ステップS132において、コントローラ20は、予め定められたテーブルに基づき、上記湿潤制御要求目標空気流量を考慮して、目標スタック電流から空気流量の目標値である目標空気流量を算出する。
In step S132, the
ステップS133において、コントローラ20は、空気系の各アクチュエータの操作量を演算する。例えば、コントローラ20は、目標空気圧力、目標空気流量、空気流量検出値、及び空気圧力検出値等に基づいて、ノズルベーン34の指令ノズルリフト量、及び電動モータ60の指令トルクを算出する。
In step S133, the
ステップS134において、コントローラ20は、タービン62の入口付近における燃焼排ガスの温度(タービン入口温度)の目標値である目標タービン入口温度を演算する。具体的に、コントローラ20は、上記ステップS133で算出された電動モータ60の指令トルク、モータ回転数センサ72による電動モータ回転数検出値、目標スタック電流、目標空気圧力、及び目標空気流量等に基づいて、目標タービン入口温度を演算する。
In step S134, the
図6は、燃料系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing the flow of calculation of the fuel system operation amount.
図示のように、ステップS141において、コントローラ20は、目標スタック電流等に基づいて燃料電池スタック10に供給する水素圧力の目標値である目標供給水素圧力を演算する。
As shown in the figure, in step S141, the
ステップS142において、コントローラ20は、目標供給水素圧力に基づいて、スタック供給水素調圧弁48の開度目標値である目標スタック供給水素調圧弁開度や図示しないパージ弁の開度等の燃料系アクチュエータの操作量を演算する。
In step S142, the
図2に戻り、ステップS150において、コントローラ20は、上記ステップS120で演算した冷却系アクチュエータの操作量、上記ステップS130において演算した空気系アクチュエータの操作量、及び上記ステップS140で演算した燃料系アクチュエータの操作量に基づいて、冷却系アクチュエータ、空気系アクチュエータ、及び燃料系アクチュエータをそれぞれ制御する。
Returning to FIG. 2, in step S150, the
さらに、以下では、特に本実施形態にかかる燃料電池システム100の空気系の制御について、より詳細に説明する。
Further, in the following, the control of the air system of the
図7は、本実施形態の空気系の制御の詳細を示すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing the details of the control of the air system of the present embodiment.
図示のように、ステップS210において、コントローラ20は、定常運転状態におけるモータ動力の上限値である定常運転モータ動力上限値を決定する(図10の「モータ出力上限値設定部202」参照)。ここで、本実施形態で「定常運転状態」とは、システム要求出力に応じたモータ動力とタービン回収動力の変化がほぼ静定する状態を意味する。
As shown in the figure, in step S210, the
より具体的には、タービン回収動力が目標タービン回収動力に略一致している状態又はモータ動力が実質的に定常時目標運転モータ動力上限値以下である状態を意味する。すなわち、定常運転状態では、モータ動力から定常時目標運転モータ動力上限値を減じて得られるモータ動力超過量が所定値以下となる。 More specifically, it means a state in which the turbine recovery power substantially matches the target turbine recovery power or a state in which the motor power is substantially equal to or less than the steady-state target operation motor power upper limit value. That is, in the steady operation state, the motor power excess amount obtained by subtracting the steady-state target operation motor power upper limit value from the motor power is equal to or less than a predetermined value.
図8は、定常運転モータ動力上限値の算出の詳細を説明するフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart illustrating details of calculation of the steady-state motor power upper limit value.
図示のように、ステップS211において、コントローラ20は、最大モータ動力を取得する(図10の「モータ出力上限値設定部202」参照)。最大モータ動力とは、例えば、電動モータ60の連続定格等として予め定められた動力の最大値である。
As shown in the figure, in step S211 the
ステップS212において、コントローラ20は、発電電力要求最大モータ動力を取得する(図10の「モータ出力上限値設定部202」参照)。発電電力要求最大モータ動力とは、目標スタック電流に基づいて定まる、燃料電池スタック10から電動モータ60への供給すべき電力に相当する。
In step S212, the
後に詳細に説明するが、本実施形態では、コントローラ20は、目標スタック電流が所定値以上に増大する高負荷領域において発電電力要求最大モータ動力を低下させることで、目標モータ動力を制限するようにしている(図10の「モータ出力上限値設定部202」及び図13参照)。
As will be described in detail later, in the present embodiment, the
ステップS213において、コントローラ20は、出力制限要求モータ動力を取得する。出力制限要求モータ動力とは、燃料電池スタック10の冷却水温度や湿潤状態に応じたスタック出力制限値と補機消費電力(電動モータ60消費電力以外)やシステム要求出力との関係により定まるモータ動力の制限値である(図10の演算部B1037参照)。
In step S213, the
具体的に、コントローラ20は、燃料電池スタック10の冷却水温度に基づいて得られる温度要求スタック電流制限値、及びHFR測定値に基づいて得られるHFR要求スタック電流制限値からスタック出力制限値を演算する(後述の図14参照)。そして、コントローラ20は、スタック出力制限値から補機(電動モータ60以外)の消費電力及びシステム要求出力を減算することで出力制限要求モータ動力を算出する(図10の「モータ出力上限値設定部202」参照)。
Specifically, the
ステップS134において、コントローラ20は、取得した最大モータ動力、発電電力要求最大モータ動力、及び出力制限要求モータ動力の内の最小値を目標モータ動力(定常運転モータ動力上限値)として演算する(図10のミニマムセレクト部B1038参照)。
In step S134, the
図7に戻り、ステップS220において、コントローラ20は、目標コンプレッサ動力を算出する。
Returning to FIG. 7, in step S220, the
具体的には、コントローラ20は、空気圧力検出値及び空気流量検出値が、それぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に近づくように、目標コンプレッサ動力に相当する指令ノズルリフト量及び目標コンプレッサトルクを算出する(図10の空気系アクチュエータ制御部B1033参照)。
Specifically, the
なお、本実施形態において、目標コンプレッサトルクとは、燃料電池システム100の運転状態としての空気圧力及び空気流量に基づいて定められるコンプレッサ64において要求されるトルクである。すなわち、本実施形態において、目標コンプレッサトルクとは、電動モータ60の目標トルクとタービン62の目標トルクの和に相当する値である。そして、コントローラ20は、算出された目標コンプレッサトルクから目標コンプレッサ動力を演算する(図10の演算部B1035参照)。
In the present embodiment, the target compressor torque is the torque required in the
ステップS230において、コントローラ20は、目標タービン回収動力を演算する。具体的に、コントローラ20は、ステップS140で算出された目標コンプレッサ動力(図10の演算部B1035参照)からステップS130で算出した目標モータ動力(定常運転モータ動力上限値)を減算することで、目標タービン回収動力を演算する(図10の減算部302参照)。
In step S230, the
ステップS240において、コントローラ20は、燃焼器32への水素供給量を制御する。
In step S240, the
具体的に、コントローラ20は、ステップS230で得られた目標タービン回収動力に基づいて、燃焼器水素量調節弁49の開度の目標値である目標水素供給弁開度を算出する(図10の目標タービン入口温度算出部B1039及び図9の燃焼器水素量調節弁制御部B105)。
Specifically, the
なお、本実施形態では、目標水素供給弁開度の算出にあたり、タービン62の部品の耐熱性等に基づき決定される許容上限温度を考慮する(後述の図9のミニマムセレクト部B104参照)。そして、コントローラ20は、燃焼器水素量調節弁49の開度を目標水素供給弁開度に制御する(図9の燃焼器水素量調節弁制御部B105参照)。
In this embodiment, when calculating the target hydrogen supply valve opening degree, the allowable upper limit temperature determined based on the heat resistance of the parts of the
ステップS250において、コントローラ20は、制限前モータ指令トルクを演算する。具体的には、コントローラ20は、現在のタービン回収動力の推定値(以下では、「推定タービン回収動力」とも記載する)を電動モータ60の回転数で除して推定タービン回収トルクを算出する(図10の演算部B1032)。そして、コントローラ20は、ステップS220で演算した目標コンプレッサトルクから、推定タービン回収動力を減算することにより、制限前モータ指令トルクを演算する(図10の減算部300参照)。
In step S250, the
ステップS260において、コントローラ20は、モータ指令トルクを演算する。具体的に、コントローラ20は、ステップS250で演算した制限前モータ指令トルクと、過渡運転状態におけるモータ動力の上限値である過渡運転モータ動力上限値と、の内の小さい方をモータ指令トルクとして演算する(図10のミニマムセレクト部B1034参照)。すなわち、モータ指令トルクは、制限前モータ指令トルクを過渡運転モータ動力上限値で制限した値である。
In step S260, the
なお、本実施形態において、過渡運転状態とは、タービン回収動力が目標タービン回収動力よりも所定値以上低い状態、又はモータ動力が定常時目標運転モータ動力上限値よりも所定値以上高い状態を意味する。 In the present embodiment, the transient operation state means a state in which the turbine recovery power is lower than a predetermined value or more than the target turbine recovery power, or a state in which the motor power is higher than a predetermined value or more than the steady time target operation motor power upper limit value. To do.
次に、本実施形態における燃料電池システム100における各種制御について、図9〜図14に示すブロック図を参照して詳細に説明する。なお、図9〜図14に示す各ブロックの機能は、コントローラ20により実現される。
Next, various controls in the
図9は、燃料電池システム100における空気系制御の全体の機能の概要を示すブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram showing an outline of the overall function of the air system control in the
図示のように、コントローラ20は、目標スタック電流算出部B100と、暫定目標空気圧力演算部B101と、マックスセレクト部B101´と、暫定目標空気流量演算部B102と、マックスセレクト部B102´と、本実施形態における定常状態判定部及び出力配分調節部としての空気系制御部B103と、ミニマムセレクト部B104と、燃焼器水素量調節弁制御部B105と、を有している。
As shown in the figure, the
目標スタック電流算出部B100には、燃料電池システム100の外部からの要求として、当該燃料電池システム100が搭載された車両の走行にかかる走行用電力が入力される。具体的には、図示しないアクセルペダルセンサで検出されるアクセルペダルの踏込み量に基づく走行用電力が入力される。また、目標スタック電流算出部B100には、補機消費電力の推定値が入力される。
As a request from the outside of the
目標スタック電流算出部B100は、上記走行用電力と補機消費電力の推定値を加算して目標スタック電力を算出し、図3のステップS112〜S114で説明した処理にしたがい、目標スタック電流を算出する。 The target stack current calculation unit B100 calculates the target stack power by adding the estimated values of the traveling power and the auxiliary power consumption, and calculates the target stack current according to the processes described in steps S112 to S114 of FIG. To do.
さらに、目標スタック電流算出部B100は、算出した目標スタック電流を、暫定目標空気圧力演算部B101、暫定目標空気流量演算部B102、及び空気系制御部B103に出力する。 Further, the target stack current calculation unit B100 outputs the calculated target stack current to the provisional target air pressure calculation unit B101, the provisional target air flow rate calculation unit B102, and the air system control unit B103.
暫定目標空気圧力演算部B101には、目標スタック電流が入力される。暫定目標空気圧力演算部B101は、予め定められたマップに基づいて、目標スタック電流から、燃料電池スタック10内の電解質膜の湿潤状態を考慮する前の暫定目標空気圧力を演算する。暫定目標空気圧力演算部B101は、演算した暫定目標空気圧力をマックスセレクト部B101´に出力する。
The target stack current is input to the provisional target air pressure calculation unit B101. The provisional target air pressure calculation unit B101 calculates the provisional target air pressure from the target stack current before considering the wet state of the electrolyte membrane in the
マックスセレクト部B101´には、暫定目標空気圧力と湿潤要求目標空気圧力が入力される。なお、湿潤要求目標空気圧力は、燃料電池スタック10内における電解質膜の湿潤状態を適切に維持する観点から定まる空気圧力の目標値である。そして、マックスセレクト部B101´は、上記暫定目標空気圧力と上記湿潤要求目標空気圧力の内の大きい方を、最終的な目標空気圧力として空気系制御部B103に出力する。
The provisional target air pressure and the wet requirement target air pressure are input to the max select unit B101'. The wet requirement target air pressure is a target value of the air pressure determined from the viewpoint of appropriately maintaining the wet state of the electrolyte membrane in the
暫定目標空気流量演算部B102には、目標スタック電流が入力される。暫定目標空気流量演算部B102は、予め定められたマップに基づいて、目標スタック電流から、燃料電池スタック10内の電解質膜の湿潤状態を考慮する前の暫定目標空気流量を演算する。
The target stack current is input to the provisional target air flow rate calculation unit B102. The provisional target air flow rate calculation unit B102 calculates the provisional target air flow rate before considering the wet state of the electrolyte membrane in the
マックスセレクト部B102´には、暫定目標空気流量と湿潤要求目標空気流量が入力される。なお、湿潤要求目標空気流量は、燃料電池スタック10内における電解質膜の湿潤状態を適切に維持する観点から定まる空気流量の目標値である。そして、マックスセレクト部B102´は、上記暫定目標空気流量と上記湿潤要求目標空気流量の内の大きい方を、最終的な目標空気流量として空気系制御部B103に出力する。
A provisional target air flow rate and a wet requirement target air flow rate are input to the max select unit B102'. The wet requirement target air flow rate is a target value of the air flow rate determined from the viewpoint of appropriately maintaining the wet state of the electrolyte membrane in the
空気系制御部B103には、目標スタック電流、目標空気圧力、目標空気流量、空気流量検出値、目標タービン入口温度前回値、モータ回転数検出値、空気圧力検出値、HFR測定値、目標冷却水温度、冷却水温度検出値、スタック電圧検出値、及びシステム要求出力が入力される。 The air system control unit B103 includes a target stack current, a target air pressure, a target air flow rate, an air flow rate detection value, a target turbine inlet temperature previous value, a motor rotation speed detection value, an air pressure detection value, an HFR measurement value, and a target cooling water. The temperature, cooling water temperature detection value, stack voltage detection value, and system required output are input.
本実施形態において、空気系制御部B103は、これら入力された値に基づいて、電動モータ60の出力及びタービン回収動力を制御する。具体的に、空気系制御部B103は、入力された各値に基づいて、指令ノズルリフト量及びモータ指令トルクを算出して電動モータ60のトルク及びノズルベーン開度をフィードバック制御するとともに、制限前目標タービン入口温度を演算しミニマムセレクト部B104に出力する。
In the present embodiment, the air system control unit B103 controls the output of the
図10は、空気系制御部B103の詳細な機能を示すブロック図である。図示のように、空気系制御部B103は、タービン回収動力推定部B1031と、演算部B1032と、空気系アクチュエータ制御部B1033と、ミニマムセレクト部B1034と、演算部B1035と、モータ出力上限値設定部202と、目標タービン入口温度算出部B1039と、を有している。 FIG. 10 is a block diagram showing a detailed function of the air system control unit B103. As shown in the figure, the air system control unit B103 includes a turbine recovery power estimation unit B1031, a calculation unit B1032, an air system actuator control unit B1033, a minimum select unit B1034, a calculation unit B1035, and a motor output upper limit value setting unit. It has 202 and a target turbine inlet temperature calculation unit B1039.
タービン回収動力推定部B1031には、空気圧力検出値、空気流量検出値、及び目標タービン入口温度前回値が入力される。タービン回収動力推定部B1031は、これら値及び図示しない記憶部に記憶されたタービン入口温度前回値からタービン回収動力の推定値(以下では、「推定タービン回収動力」とも記載する)を算出する。 The air pressure detection value, the air flow rate detection value, and the target turbine inlet temperature previous value are input to the turbine recovery power estimation unit B1031. The turbine recovery power estimation unit B1031 calculates an estimated value of turbine recovery power (hereinafter, also referred to as “estimated turbine recovery power”) from these values and the previous value of the turbine inlet temperature stored in a storage unit (not shown).
具体的に、先ず、タービン回収動力推定部B1031は、以下に示す離散系における一時遅れの近似式(1)を用いてタービン入口温度の推定値Tt_in_eを求める。 Specifically, first, the turbine recovery power estimation unit B1031 obtains an estimated value Tt _in_e of the turbine inlet temperature by using the approximation formula (1) of the temporary delay in the discrete system shown below.
Tt_in_e(n−1):タービン入口温度前回値 [℃]
Tt_in_t:目標タービン入口温度前回値 [℃]
ts:時定数 [sec]
tsamp:制御演算周期 [sec]
である。なお、時定数tsは、実験等により予め定められる。
Tt _in_e (n−1): Turbine inlet temperature previous value [° C]
Tt _in_t : Target turbine inlet temperature Previous value [℃]
ts: Time constant [sec]
t samp : Control calculation cycle [sec]
Is. The time constant ts is predetermined by an experiment or the like.
そして、タービン回収動力推定部B1031は、推定したタービン入口温度から推定タービン回収動力を算出する。具体的に、タービン回収動力推定部B1031は、以下の式(2)に基づいて推定タービン回収動力POt_eを算出する。 Then, the turbine recovery power estimation unit B1031 calculates the estimated turbine recovery power from the estimated turbine inlet temperature. Specifically, the turbine recovery power estimation unit B1031 calculates the estimated turbine recovery power PO t_e based on the following equation (2).
POt_e:推定タービン回収動力 [kW]
Qin:空気流量検出値 [NL/min]
Mair:空気の式量 [g/mol]
cpair:空気の定圧比熱 [kJ/(g・K)]
Vsta:標準状態における体積(=22.414) [L]
ηcp:タービン効率
Tt_in_e:タービン入口温度の推定値[℃]
Tsta:標準状態における絶対温度(=273.15) [K]
Pt_in:タービン入口空気圧力 [kPa_a]
Pt_out:タービン出口空気圧力 [kPa_a]
γ:比熱比
60:秒分間の単位変換係数
1000:m3とL(リットル)の単位変換係数
である。
PO t_e : Estimated turbine recovery power [kW]
Q in : Air flow rate detection value [NL / min]
M air : Formula amount of air [g / mol]
cp air : Constant pressure specific heat of air [kJ / (g ・ K)]
V sta : Volume in standard state (= 22.414) [L]
η cp : Turbine efficiency T t_in_e : Estimated turbine inlet temperature [° C]
T sta : Absolute temperature under standard conditions (= 273.15) [K]
P t_in : Turbine inlet air pressure [kPa_a]
P t_out : Turbine outlet air pressure [kPa_a]
γ: Specific heat ratio 60: Unit conversion coefficient for seconds and minutes 1000: Unit conversion coefficient of m 3 and L (liter).
タービン入口空気圧力Pt_inは、空気圧力検出値及び空気流量検出値に基づいて算出される。 The turbine inlet air pressure Pt _in is calculated based on the air pressure detection value and the air flow rate detection value.
図11は、タービン入口空気圧力Pt_inの算出機能を示すブロック図である。タービン回収動力推定部B1031は、タービン入口空気圧力Pt_inの演算を行う機能として、図に示す圧損演算ブロックB301と、演算部B302と、を有している。 FIG. 11 is a block diagram showing a calculation function of the turbine inlet air pressure Pt _in . The turbine recovery power estimation unit B1031 has a pressure loss calculation block B301 and a calculation unit B302 shown in the figure as functions for calculating the turbine inlet air pressure Pt _in .
圧損演算ブロックB301には、空気流量検出値が入力される。圧損演算ブロックB301は、空気流量と圧損ΔPの関係を示す圧損マップを有している。圧損演算ブロックB301は、この圧損マップに基づいて、入力された空気流量検出値から燃料電池スタック10の圧損ΔPを演算し、演算部B302に出力する。
An air flow rate detection value is input to the pressure drop calculation block B301. The pressure drop calculation block B301 has a pressure loss map showing the relationship between the air flow rate and the pressure loss ΔP. The pressure loss calculation block B301 calculates the pressure loss ΔP of the
演算部B302には、空気圧力検出値と圧損ΔPが入力される。演算部B302は、空気圧力検出値から圧損ΔPを減算してタービン入口空気圧力Pt_inを求める。 The air pressure detection value and the pressure loss ΔP are input to the calculation unit B302. The calculation unit B302 subtracts the pressure loss ΔP from the air pressure detected value to obtain the turbine inlet air pressure Pt _in .
タービン出口空気圧力Pt_outとしては、例えば大気圧(≒101[kpa])を用いる。外気の圧力が変動する場合には、図示しない大気圧センサにより検出された圧力検出値をタービン出口空気圧力Pt_outとしても良い。 As the turbine outlet air pressure Pt _out , for example, atmospheric pressure ( ≈101 [kpa]) is used. When the pressure of the outside air fluctuates, the pressure detection value detected by the atmospheric pressure sensor (not shown) may be used as the turbine outlet air pressure Pt _out .
タービン効率ηcpは、タービン入口空気圧力Pt_in及びタービン出口空気圧力Pt_outに基づいて算出される。 Turbine efficiency η cp is calculated based on the turbine inlet air pressure Pt _in and the turbine outlet air pressure Pt _out .
図12は、タービン効率ηcpの算出機能を示すブロック図である。タービン回収動力推定部B1031は、タービン効率ηcpの算出を行う機能として、図に示す演算部B401と、タービン効率演算ブロックB402と、を有している。 FIG. 12 is a block diagram showing a calculation function of the turbine efficiency η cp . The turbine recovery power estimation unit B1031 has a calculation unit B401 shown in the figure and a turbine efficiency calculation block B402 as functions for calculating the turbine efficiency η cp .
演算部B401には、タービン入口空気圧力Pt_in及びタービン出口空気圧力Pt_outが入力される。演算部B401は、空気圧力比Pt_in/Pt_outを演算し、タービン効率演算ブロックB402を出力する。 Turbine inlet air pressure Pt _in and turbine outlet air pressure Pt _out are input to the calculation unit B401 . The calculation unit B401 calculates the air pressure ratio Pt _in / Pt _out and outputs the turbine efficiency calculation block B402 .
タービン効率演算ブロックB402には、空気圧力比Pt_in/Pt_outが入力される。タービン効率演算ブロックB402は、空気圧力比Pt_in/Pt_outとタービン効率ηcpの関係を示すタービン効率マップを有している。タービン効率演算ブロックB402は、このタービン効率マップに基づいて、入力された空気圧力比Pt_in/Pt_outからタービン効率ηcpを演算する。 The air pressure ratio Pt _in / Pt _out is input to the turbine efficiency calculation block B402 . The turbine efficiency calculation block B402 has a turbine efficiency map showing the relationship between the air pressure ratio Pt _in / Pt _out and the turbine efficiency η cp . The turbine efficiency calculation block B402 calculates the turbine efficiency η cp from the input air pressure ratio Pt _in / Pt _out based on this turbine efficiency map.
図10に戻り、タービン回収動力推定部B1031は、算出した推定タービン回収動力を演算部B1032に出力する。 Returning to FIG. 10, the turbine recovery power estimation unit B1031 outputs the calculated estimated turbine recovery power to the calculation unit B1032.
演算部B1032には、推定タービン回収動力と、回転数センサ72からのモータ回転数検出値が入力される。演算部B1032は、推定タービン回収動力からモータ回転数検出値を除して、タービン62で回収されるトルクであるタービン回収トルクの推定値(以下では、「推定タービン回収トルク」とも記載する)を算出する。そして、演算部B1032は、算出した推定タービン回収トルクを減算部300に出力する。
The estimated turbine recovery power and the motor rotation speed detection value from the
空気系アクチュエータ制御部B1033には、目標空気圧力、目標空気流量、空気圧力検出値、及び空気流量検出値が入力される。空気系アクチュエータ制御部B1033は、入力された空気圧力検出値及び空気流量検出値が、それぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に近づくように、指令ノズルリフト量及び目標コンプレッサトルクを算出する。 The target air pressure, the target air flow rate, the air pressure detection value, and the air flow rate detection value are input to the air system actuator control unit B1033. The air system actuator control unit B1033 calculates the command nozzle lift amount and the target compressor torque so that the input air pressure detection value and the air flow rate detection value approach the target air pressure and the target air flow rate, respectively.
また、空気系アクチュエータ制御部B1033は、算出した指令ノズルリフト量をノズルベーン34に出力するとともに、算出した目標コンプレッサトルクを減算部300及び演算部B1035に出力する。
Further, the air system actuator control unit B1033 outputs the calculated command nozzle lift amount to the
減算部300は、空気系アクチュエータ制御部B1033で算出された目標コンプレッサトルクから演算部B1032で算出された推定タービン回収トルクを減算し、ミニマムセレクト部B1034に出力する。
The
そして、ミニマムセレクト部B1034には、制限前モータ指令トルクと過渡時モータトルク上限値が入力される。ここで、制限前モータ指令トルクとは、減算部300において目標コンプレッサトルクから推定タービン回収トルクを減算して得られる値である。
Then, the pre-limit motor command torque and the transient motor torque upper limit value are input to the minimum select unit B1034. Here, the pre-limit motor command torque is a value obtained by subtracting the estimated turbine recovery torque from the target compressor torque in the
また、過渡時モータトルク上限値は、燃料電池システム100が過渡運転状態である場合に、電動モータ60の動力が到達し得る最大のモータトルクとして設定される値であり、記憶部301にあらかじめ記憶されている。過渡時モータトルク上限値は、例えば、電動モータ60の仕様などに応じて設定されるいわゆる短時間定格である。
Further, the transient motor torque upper limit value is a value set as the maximum motor torque that the power of the
そして、ミニマムセレクト部B1034は、制限前モータ指令トルクと過渡時モータトルク上限値の内の小さい方を、モータ指令トルクとして電動モータ60に出力する。
Then, the minimum select unit B1034 outputs the smaller of the pre-limit motor command torque and the transient motor torque upper limit value to the
演算部B1035には、空気系アクチュエータ制御部B1033で算出された目標コンプレッサトルク、及びモータ回転数検出値が入力される。演算部B1035は、目標コンプレッサトルクにモータ回転数検出値を乗じて、目標コンプレッサ動力を算出する。演算部B1035は、目標コンプレッサ動力を減算部302に出力する。
The target compressor torque calculated by the air system actuator control unit B1033 and the motor rotation speed detection value are input to the calculation unit B1035. The calculation unit B1035 calculates the target compressor power by multiplying the target compressor torque by the motor rotation speed detection value. The calculation unit B1035 outputs the target compressor power to the
本実施形態におけるモータ出力上限値設定部202は、上述した定常運転状態における電動モータ60の出力上限値であるモータ出力上限値を設定する。
The motor output upper limit value setting unit 202 in the present embodiment sets the motor output upper limit value, which is the output upper limit value of the
具体的に、モータ出力上限値設定部202は、発電電力要求最大モータ動力算出部B1036と、スタック出力制限値算出部203と、演算部B1037と、ミニマムセレクト部B1038と、目標タービン入口温度算出部B1039と、を有している。 Specifically, the motor output upper limit value setting unit 202 includes a generated power request maximum motor power calculation unit B1036, a stack output limit value calculation unit 203, a calculation unit B1037, a minimum select unit B1038, and a target turbine inlet temperature calculation unit. It has B1039 and.
発電電力要求最大モータ動力算出部B1036には、目標スタック電流が入力される。発電電力要求最大モータ動力算出部B1036は、所定の発電電力要求最大モータ動力マップに基づいて目標スタック電流から、発電電力要求最大モータ動力を算出する。 The target stack current is input to the generated power request maximum motor power calculation unit B1036. The generated power required maximum motor power calculation unit B1036 calculates the generated power required maximum motor power from the target stack current based on a predetermined generated power required maximum motor power map.
図13は、発電電力要求最大モータ動力マップの概要を示している。図に示すマップでは、目標スタック電流が増加して所定値I1に到達するまで、すなわちシステム要求出力が相対的に低い低〜中負荷領域では発電電力要求最大モータ動力マップが一定値に設定されている。これにより、システム要求出力が相対的に低い状態では、コンプレッサ64への要求動力が目標モータ出力より低く目標タービン回収動力がマイナスとなり、燃焼器32への燃料供給が停止されることとなる。
FIG. 13 shows an outline of the maximum power generation required motor power map. In the map shown in the figure, the maximum power generation required motor power map is set to a constant value until the target stack current increases and reaches the predetermined value I1, that is, in the low to medium load region where the system required output is relatively low. There is. As a result, when the system required output is relatively low, the required power to the
一方、目標スタック電流が所定値I1に達した以降、すなわちシステム要求出力が相対的に高い高負荷領域においては、発電電力要求最大モータ動力が減少している。これは、システム要求出力が相対的に高い状態においては目標タービン回収動力を相対的に増加させて、発電電力要求最大モータ動力を減少させ電動モータ60の消費電力のさらなる低減を図るためである。これにより、燃料電池スタック10の発電電力から電動モータ60を含む補機類で消費される電力を差し引いて得られる燃料電池システム100のシステム出力を向上させることができる。
On the other hand, after the target stack current reaches the predetermined value I1, that is, in the high load region where the system required output is relatively high, the generated power required maximum motor power decreases. This is because the target turbine recovery power is relatively increased in a state where the system required output is relatively high, the maximum generated power required motor power is reduced, and the power consumption of the
図10に戻り、発電電力要求最大モータ動力算出部B1036は、算出した発電電力要求最大モータ動力をミニマムセレクト部B1038に出力する。 Returning to FIG. 10, the generated power required maximum motor power calculation unit B1036 outputs the calculated generated power required maximum motor power to the minimum select unit B1038.
図14は、スタック出力制限値算出部203の構成を示すブロック図である。 FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of the stack output limit value calculation unit 203.
図示のように、スタック出力制限値算出部203は、温度要求スタック電流制限値算出部B501と、HFR要求電流制限値算出部B502と、ミニマムセレクト部B503と、演算部B504と、を有している。 As shown in the figure, the stack output limit value calculation unit 203 includes a temperature request stack current limit value calculation unit B501, an HFR request current limit value calculation unit B502, a minimum select value calculation unit B503, and a calculation unit B504. There is.
温度要求スタック電流制限値算出部B501には、目標冷却水温度と冷却水温度検出値が入力される。温度要求スタック電流制限値算出部B501は、冷却水温度検出値と目標冷却水温度の偏差が所定値以下となるように算出されるスタック電流の制限値を温度要求スタック電流制限値として算出する。 The target cooling water temperature and the cooling water temperature detection value are input to the temperature request stack current limit value calculation unit B501. The temperature request stack current limit value calculation unit B501 calculates the limit value of the stack current calculated so that the deviation between the cooling water temperature detection value and the target cooling water temperature is equal to or less than a predetermined value as the temperature request stack current limit value.
HFR要求電流制限値算出部B502には、HFR測定値が入力される。HFR要求電流制限値算出部B502は、所定のHFR−電流制限値マップに基づき、HFR測定値からHFR要求スタック電流制限値を算出する。 The HFR measurement value is input to the HFR required current limit value calculation unit B502. The HFR request current limit value calculation unit B502 calculates the HFR request stack current limit value from the HFR measurement value based on a predetermined HFR-current limit value map.
図に示すHFR−電流制限値マップでは、HFR測定値が大きくなるほど(電解質膜がより乾燥するほど)HFR要求スタック電流制限値が小さくなる。これは、電解質膜が乾燥すると電解質膜の劣化を防止する観点から、燃料電池スタック10から取り出す電流を減少させるためである。
In the HFR-current limit value map shown in the figure, the larger the HFR measurement value (the drier the electrolyte membrane), the smaller the HFR required stack current limit value. This is to reduce the current taken out from the
一方で、HFR値が相対的に低い状態(電解質膜の湿潤度が相対的に高い状態)では、燃料電池スタック10からより多くの電流を取り出すことができるので、HFR要求スタック電流制限値は相対的に大きくなる。
On the other hand, when the HFR value is relatively low (the wetness of the electrolyte membrane is relatively high), a larger amount of current can be taken out from the
ミニマムセレクト部B503には、温度要求スタック電流制限値及びHFR要求スタック電流制限値が入力される。ミニマムセレクト部B503は、これら値の内の小さい方をスタック電流制限値として演算部B504に出力する。 The temperature required stack current limit value and the HFR required stack current limit value are input to the minimum select unit B503. The minimum select unit B503 outputs the smaller of these values to the calculation unit B504 as the stack current limit value.
演算部B504には、スタック電流制限値及びスタック電圧制限値が入力される。演算部B504は、これら値を相互に乗算することでスタック出力制限値を算出し、演算部B1037に出力する。 The stack current limit value and the stack voltage limit value are input to the calculation unit B504. The calculation unit B504 calculates the stack output limit value by multiplying these values with each other, and outputs the stack output limit value to the calculation unit B1037.
図10に戻り、演算部B1037には、スタック出力制限値、補機消費電力、及びシステム要求出力が入力される。ここで、補機消費電力は、燃料電池システム100における電動モータ60以外の補機(例えば、各種バルブやポンプ等)の消費電力である。
Returning to FIG. 10, the stack output limit value, auxiliary power consumption, and system request output are input to the calculation unit B1037. Here, the power consumption of auxiliary equipment is the power consumption of auxiliary equipment (for example, various valves, pumps, etc.) other than the
演算部B1037は、スタック出力制限値から上記電動モータ60以外の補機消費電力及びシステム要求出力を減算し、出力制限要求モータ動力として演算する。演算部B1037は、演算した出力制限要求モータ動力をミニマムセレクト部B1038に出力する。
The calculation unit B1037 subtracts the auxiliary power consumption other than the
ミニマムセレクト部B1038には、最大モータ動力、発電電力要求最大モータ動力、及び出力制限要求モータ動力が入力される。ミニマムセレクト部B1038は、これら値の内の最小値を目標モータ動力として減算部302に出力する。
The maximum motor power, the maximum generated power required motor power, and the output limit required motor power are input to the minimum select unit B1038. The minimum select unit B1038 outputs the minimum value among these values to the
すなわち本実施形態では、最大モータ動力、発電電力要求最大モータ動力、及び出力制限要求モータ動力の内の最小値が、電動モータ60の動力の目標値である目標モータ動力として定められることとなる。したがって、本実施形態では、目標モータ動力が定常時目標運転モータ動力上限値に相当する。
That is, in the present embodiment, the minimum value among the maximum motor power, the maximum generated power required motor power, and the output limit required motor power is set as the target motor power which is the target value of the power of the
目標タービン入口温度算出部B1039には、減算部302において目標コンプレッサ動力から目標モータ動力を減算した値が目標タービン回収動力として入力される。したがって、本実施形態では、目標タービン回収動力は、コンプレッサ64で必要とされる動力に対して電動モータ60で得られる動力が不足する分として算出されることとなる。
In the target turbine inlet temperature calculation unit B1039, a value obtained by subtracting the target motor power from the target compressor power in the
また、目標タービン入口温度算出部B1039には、目標空気圧力及び目標空気流量が入力される。 Further, the target air pressure and the target air flow rate are input to the target turbine inlet temperature calculation unit B1039.
そして、目標タービン入口温度算出部B1039は、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量に基づいて、制限前目標タービン入口温度を算出する。ここで、制限前目標タービン入口温度は、後述するタービン62の部品の耐熱温度等を考慮した制限がかかる前のタービン入口温度も目標値である。
Then, the target turbine inlet temperature calculation unit B1039 calculates the target turbine inlet temperature before the limit based on the target turbine recovery power, the target air pressure, and the target air flow rate. Here, the target turbine inlet temperature before the limit is also the target value of the turbine inlet temperature before the limit is applied in consideration of the heat resistant temperature of the parts of the
目標タービン入口温度算出部B1039は、具体的に、タービン回収動力推定部B1031で用いた式(2)を用いて、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量から制限前目標タービン入口温度を算出する。 The target turbine inlet temperature calculation unit B1039 specifically uses the equation (2) used in the turbine recovery power estimation unit B1031 to obtain the target turbine inlet temperature before the limit from the target turbine recovery power, the target air pressure, and the target air flow rate. Is calculated.
すなわち、式(2)のPOt_eに目標タービン回収動力を代入し、Qinに目標空気流量を代入する。そして、図11に示したタービン入口空気圧力Pt_inの算出ロジックにおいて、「空気圧力検出値」及び「空気流量検出値」をそれぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に置き換えて、タービン入口空気圧力Pt_inを算出する。また、タービン出口空気圧力Pt_outとしては大気圧を用いる。このようにして得られた各値を式(2)に適用すれば、式(2)のTt_in_eを求めることができるので、これを制限前目標タービン入口温度とすることができる。 That is, the target turbine recovery power is substituted for PO t_e in Eq. (2), and the target air flow rate is substituted for Q in . Then, in the calculation logic of the turbine inlet air pressure P t_in shown in FIG. 11, the “air pressure detection value” and the “air flow rate detection value” are replaced with the target air pressure and the target air flow rate, respectively, and the turbine inlet air pressure P Calculate t_in . Atmospheric pressure is used as the turbine outlet air pressure P t_out . By applying each value thus obtained to the equation (2), the T t_in_e of the equation (2) can be obtained, and this can be set as the target turbine inlet temperature before restriction.
目標タービン入口温度算出部B1039は、算出した制限前目標タービン入口温度をミニマムセレクト部B104に出力する。 The target turbine inlet temperature calculation unit B1039 outputs the calculated target turbine inlet temperature before the limit to the minimum select unit B104.
図9に戻り、ミニマムセレクト部B104には、空気系制御部B103から出力される制限前目標タービン入口温度、及び許容上限温度が入力される。ここで、許容上限温度とは、部品の耐熱温度を考慮して定められるタービン入口温度の上限温度であり、記憶部303に予め記憶されている。
Returning to FIG. 9, the minimum pre-limit turbine inlet temperature and the allowable upper limit temperature output from the air system control unit B103 are input to the minimum select unit B104. Here, the allowable upper limit temperature is an upper limit temperature of the turbine inlet temperature determined in consideration of the heat resistant temperature of the component, and is stored in advance in the
ミニマムセレクト部B104は、制限前目標タービン入口温度と許容上限温度の内の小さい方の値を、目標タービン入口温度として燃焼器水素量調節弁制御部B105に出力する。 The minimum select unit B104 outputs the smaller value of the pre-limit target turbine inlet temperature and the allowable upper limit temperature to the combustor hydrogen amount control valve control unit B105 as the target turbine inlet temperature.
燃焼器水素量調節弁制御部B105には、目標タービン入口温度、空気流量検出値、空気圧力検出値、スタック出口温度、スタック電流検出値、供給水素圧力、及び冷却水温度(水素温度)が入力される。 The target turbine inlet temperature, air flow rate detection value, air pressure detection value, stack outlet temperature, stack current detection value, supply hydrogen pressure, and cooling water temperature (hydrogen temperature) are input to the combustor hydrogen amount control valve control unit B105. Will be done.
燃焼器水素量調節弁制御部B105は、入力された各値に基づいて、燃焼器水素量調節弁49の開度の目標値である目標水素供給弁開度を算出し、燃焼器水素量調節弁49に出力する。具体的に、燃焼器水素量調節弁制御部B105は、予め定められた目標タービン入口温度、目標空気流量、及び燃焼器水素量調節弁49の開度の関係を規定したマップに基づいて、目標タービン入口温度及び目標空気流量から燃焼器水素量調節弁49の目標水素供給弁開度を算出する。
The combustor hydrogen amount control valve control unit B105 calculates the target hydrogen supply valve opening degree, which is the target value of the opening degree of the combustor hydrogen
以上説明した制御構成を有する燃料電池システム100の作動状態について説明する。
The operating state of the
図15は、システム要求出力に応じた燃料電池システム100の各パラメータの変化を示している。具体的に、図15(a)はシステムのネット出力の変化を示しており、図15(b)はモータ消費電力及びタービン回収動力の変化を示している。また、図15(c)、図15(d)、及び図15(e)はそれぞれ、システム効率の変化、タービン入口温度の変化、及び燃焼器32への水素供給量を表している。さらに、図15(b)における一点鎖線は、定常時目標モータ動力上限値を示している。
FIG. 15 shows changes in each parameter of the
また、図15(a)〜図15(e)においては、目標スタック電流が所定値I1以上のシステム要求出力が相対的に高い高負荷領域において、定常時目標モータ動力上限値を減少させないと仮定した場合における各量の変化を破線で示す。 Further, in FIGS. 15A to 15E, it is assumed that the steady-state target motor power upper limit value is not reduced in a high load region where the target stack current is a predetermined value I1 or more and the system required output is relatively high. The change of each amount is shown by a broken line.
図示のように、スタック電流が所定値I0以下のシステム要求出力が相対的に低い低負荷領域では、燃焼器32が作動しておらず、タービン入口温度及び燃焼器水素量調節弁49の開度が一定値をとっている(図15(d)及び(e)参照)。したがって、タービン回収動力は相対的に少なくなり、コンプレッサ64の動力をモータ消費電力で賄う割合が高くなるため、システム効率が比較的高くなっている(図15(b)及び(c)参照)。
As shown in the figure, in the low load region where the stack current is a predetermined value I0 or less and the system required output is relatively low, the
スタック電流が所定値I0〜I1の中負荷領域では、モータ動力が、図上一点鎖線で示した目標モータ動力の上限値(定常時目標運転モータ動力上限値)に静定し、これ以上上昇しなくなる。一方で、モータ動力の増加は停止してもシステム要求出力が増加を続ければ、目標コンプレッサ動力は増加していく。したがって、この目標コンプレッサ動力を満たすべく、燃焼器32を作動させて燃焼ガスの温度を向上させ、タービン回収動力を向上させてタービン62で賄うコンプレッサ64の動力を増加させる。
In the medium load region where the stack current is a predetermined value I0 to I1, the motor power is settled at the upper limit value of the target motor power (upper limit value of the steady target operation motor power) shown by the one-point chain line in the figure, and rises further. It disappears. On the other hand, if the system required output continues to increase even if the increase in motor power stops, the target compressor power will increase. Therefore, in order to satisfy this target compressor power, the
次に、スタック電流が所定値I1以上である高負荷領域では、図10における発電電力要求最大モータ動力算出部B1036のロジックにしたがい、定常時目標運転モータ動力上限値が低下した値に設定される(図15(b)参照)。これに伴い、モータ動力が、低下した定常時目標運転モータ動力上限値に向かって減少する。さらに、このモータ動力の低下をタービン回収動力で補うべく、燃焼器32への水素供給量をより増加させて、タービン回収動力をより増加させる(図15(b)、(d)、及び(e)参照)。
Next, in the high load region where the stack current is a predetermined value I1 or more, the upper limit value of the steady-time target operation motor power is set to a value lowered according to the logic of the generated power required maximum motor power calculation unit B1036 in FIG. (See FIG. 15 (b)). Along with this, the motor power decreases toward the lowered steady-state target operation motor power upper limit value. Further, in order to compensate for this decrease in motor power with turbine recovery power, the amount of hydrogen supplied to the
したがって、高負荷領域においてモータ動力(モータ消費電力)を減少させつつも、システム100のネット出力をより増加させることができる(図15(a)参照)。すなわち、本実施形態にかかる燃料電池システム100では、高負荷領域においてタービン回収動力をより向上させて、モータ消費電力を大きく低減し、システム出力を向上させることができるので、燃料電池スタック10のサイズの小型化を図ることができる。
Therefore, the net output of the
図16は、本実施形態の燃料電池システム100の制御における経時的な流れの一例を示すタイムチャートである。
FIG. 16 is a time chart showing an example of the flow over time in the control of the
図示のように、本実施形態の燃料電池システム100では、時刻t1〜t2においては、タービン回収動力が目標タービン回収動力にほぼ一致しており(定常運転状態)、スタック電流が相対的に低くシステム要求出力が小さい低負荷領域である(図16(a)参照)。また、時刻t1〜t2では、モータ動力が定常時目標モータ動力上限値を下回っている。すなわち、モータ動力から定常時目標モータ動力上限値を減算して得られる動力超過量が負の値となっている。
As shown in the figure, in the
この定常運転状態且つ低負荷領域では、モータ動力が不足しておらず、タービン回収動力が目標タービン回収動力にほぼ一致しており、燃焼器32が非作動状態である。したがって、タービン回収動力及びタービン入口温度は相対的に低い値をとっている(図16(c)及び図16(f)参照)。
In this steady operation state and low load region, the motor power is not insufficient, the turbine recovery power substantially matches the target turbine recovery power, and the
次に、時刻t2において燃料電池スタック10の負荷(スタック電流)が増加し始める(図16(a)参照)。すなわち、燃料電池スタック10へのシステム要求出力が増加し始める。したがって、燃料電池スタック10への負荷の増加に応じて空気圧力及び空気流量が上昇する(図16(c)及び図16(d)参照)。そして、負荷の増加に合わせて、燃焼器32が作動し、タービン入口温度及びタービン回収動力の増加が開始される(図16(c)及び図16(f)参照)。
Next, at time t2, the load (stack current) of the
時刻t3において、目標タービン回収動力がタービン回収動力を上回り、モータ動力が定常時目標モータ動力上限値を上回る過渡運転状態に移行する(図16(b)及び図16(c)参照)。図16(b)の一点鎖線で示すように、過渡運転状態では、定常時目標モータ動力上限値よりも大きい過渡時目標モータ動力上限値(図10の「過渡時目標モータトルク最大値」参照)まで、モータ動力の上昇が許容される。 At time t3, the target turbine recovery power exceeds the turbine recovery power, and the motor power shifts to a transient operation state exceeding the steady-time target motor power upper limit value (see FIGS. 16B and 16C). As shown by the alternate long and short dash line in FIG. 16B, in the transient operation state, the transient target motor power upper limit value larger than the steady state target motor power upper limit value (see “Transient target motor torque maximum value” in FIG. 10). Up to, the increase in motor power is allowed.
一方で、図10の発電電力要求最大モータ動力算出部B1036のマップにしたがい、定常目標モータ動力上限値としてより減少した値が設定される(図16(b)参照)。したがって、モータ動力はより低い値に制限されることとなる。これに伴い、タービン回収動力を増加させるべく目標タービン回収動力がより高い値に設定される(図16(c)参照)。 On the other hand, according to the map of the generated power demand maximum motor power calculation unit B1036 of FIG. 10, a smaller value is set as the steady target motor power upper limit value (see FIG. 16B). Therefore, the motor power will be limited to lower values. Along with this, the target turbine recovery power is set to a higher value in order to increase the turbine recovery power (see FIG. 16C).
一方で、図16(c)に破線で示すように、時刻t3以降において目標タービン回収動力が高く設定されるが、実際のタービン回収動力は応答遅れによって目標タービン回収動力に到達するまでにタイムラグが生じる。したがって、本実施形態では、上述のように、時刻t3以降においては、モータ動力の上限値として定常時目標モータ動力上限値よりも大きい過渡時目標モータ動力上限値を設定する。これにより、モータ動力が負荷の増大に応じて定常時目標モータ動力上限値を超えて上昇することを許容し、応答遅れによるタービン回収動力の不足を補っている。 On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 16 (c), the target turbine recovery power is set high after time t3, but the actual turbine recovery power has a time lag before reaching the target turbine recovery power due to the response delay. Occurs. Therefore, in the present embodiment, as described above, after the time t3, the transient target motor power upper limit value larger than the steady state target motor power upper limit value is set as the upper limit value of the motor power. As a result, the motor power is allowed to rise beyond the steady-time target motor power upper limit value as the load increases, and the shortage of turbine recovery power due to the response delay is compensated.
時刻t4において、モータ動力が最大となるとともに(図16(b)参照)、燃料電池スタック10に対する負荷が最大となる。すなわち、システム要求出力が最大となる(図16(a)参照)。以降は、負荷が最大の状態で時刻t6まで静定する。また、タービン回収動力は徐々に目標タービン回収動力に向かって増加していく(図16(c)参照)。一方、図10のモータ出力上限値設定部202の制御ロジックにしたがい、目標モータ動力が定常目標モータ動力上限値に制限されているので、モータ動力は定常目標モータ動力上限値に向かって低下する(図16(b)参照)。すなわち、コンプレッサ64の動力を確保するにあたり、電動モータ60による動力の割合に対して、タービン回収動力の割合を高くなって行くこととなる。
At time t4, the motor power becomes maximum (see FIG. 16B), and the load on the
時刻t5において、モータ動力及びタービン回収動力がそれぞれ、定常目標モータ動力上限値及び目標タービン回収動力に静定する(図16(b)及び図16(c)参照)。すなわち、燃料電池システム100の状態が定常運転状態に移行する。ここで、時刻t5〜t6の間の定常運転状態では、低下された定常目標モータ動力上限値が設定されているので、モータ動力はこの低下された定常目標モータ動力上限値に制限される一方で、このモータ動力の制限分がタービン回収動力により補われることとなる。すなわち、コンプレッサ64の動力を確保するにあたり、電動モータ60による動力の割合に対して、タービン回収動力の割合がより一層高くなる。
At time t5, the motor power and the turbine recovery power are settled at the steady target motor power upper limit value and the target turbine recovery power, respectively (see FIGS. 16 (b) and 16 (c)). That is, the state of the
時刻t6において、負荷が低下し始め(図16(a)参照)、負荷の低下に合わせて要求されるモータ動力及び目標タービン回収動力は低下する。そして、本実施形態では、時刻t6で定常時目標モータ動力上限値を、低下前(時刻t3以前)の値に復帰させる。 At time t6, the load begins to decrease (see FIG. 16A), and the required motor power and target turbine recovery power decrease in accordance with the decrease in load. Then, in the present embodiment, the steady-state target motor power upper limit value is returned to the value before the decrease (before the time t3) at the time t6.
さらに、負荷の低下に合わせて空気圧力及び空気流量が低下するので(図16(d)及び図16(e)参照)、タービン回収動力が低下して目標タービン回収動力に静定する(図16(c)参照)。一方、タービン入口温度については、燃焼器32が非作動状態とされてからやや遅れをともない緩やかに減少していき、時刻t7で目標タービン入口温度に静定する(図16(f)参照)。
Further, since the air pressure and the air flow rate decrease as the load decreases (see FIGS. 16 (d) and 16 (e)), the turbine recovery power decreases and the target turbine recovery power is settled (FIG. 16). (C). On the other hand, the turbine inlet temperature gradually decreases with a slight delay after the
時刻t8〜t10において、再び、燃料電池スタック10の負荷を増加させる(図16(a)参照)。また、時刻t9において燃料電池システム100の状態が過渡運転状態に移行する。この時刻t8〜t10では、上述した時刻t2〜t4の場合よりも負荷増加量(システム要求出力)が少ない。
At times t8 to t10, the load on the
したがって、時刻t10〜時刻t12は中負荷領域となる。ここで、高負荷領域に移行する前の時刻t3では、定常目標モータ動力上限値をより低い値に設定していたが、中負荷領域(時刻t10〜t12)では、定常目標モータ動力上限値を減少させることなく維持したままとなっている。したがって、図16(b)から明らかなように、高負荷領域であった時刻t4〜時刻t5と比較すると、時刻t11においてモータ動力の値が低下していない定常時目標モータ動力上限値に静定することとなる。したがって、モータ動力が比較的高く維持される一方で、タービン回収動力が比較的低い値に設定される(図16(c)参照)。 Therefore, time t10 to time t12 are medium load regions. Here, at time t3 before shifting to the high load region, the steady-state target motor power upper limit value was set to a lower value, but in the medium load region (time t10 to t12), the steady-state target motor power upper limit value was set. It remains maintained without diminishing. Therefore, as is clear from FIG. 16B, when compared with the time t4 to the time t5, which was in the high load region, the motor power value is statically set to the steady-time target motor power upper limit value in which the motor power value does not decrease at the time t11. Will be done. Therefore, while the motor power is maintained relatively high, the turbine recovery power is set to a relatively low value (see FIG. 16 (c)).
このように、システム要求出力がそれほど高くない場合には、コンプレッサ64に供給する動力に対して、タービン回収動力に対する電動モータ60の動力の割合を高負荷領域の場合と比較して高くし、よりシステム効率を向上させることができる。すなわち、燃料電池スタック10に対して多大な負荷を与えないと考えられる中負荷領域では、電動モータ60の動力の割合を相対的に高くしても、燃料電池スタック10の発電電力が極端に大きくはならないので、むしろシステム効率を向上させる観点から電動モータ60の動力の割合を高くする。
As described above, when the system required output is not so high, the ratio of the power of the
以上説明した本発明の第1実施形態にかかる燃料電池システム100及び燃料電池システム100の制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
According to the
本実施形態による燃料電池システム100は、燃料電池としての燃料電池スタック10のアノード極に燃料(水素)を供給する燃料供給装置としての高圧タンク40、スタック用水素供給通路44、及びスタック供給水素調圧弁48と、燃料電池スタック10のカソード極に酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給装置と、燃料電池スタック10の運転状態を検出する運転状態検出部としてのHFR測定装置18、エアフローメータ26、空気圧力センサ28、スタック出口温度センサ30、電流センサ51、及び電圧センサ52と、運転状態検出部からの信号により上記燃料供給装置及び上記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置としてのコントローラ20と、を備える。
The
この燃料電池システム100では、上記酸化剤供給装置は、コンプレッサ64と該コンプレッサ64を駆動する電動モータ60と、を備える。そして、コントローラ20は、システムが定常運転状態であるか否かを判定する定常状態判定部としての空気系制御部B103と、定常状態判定部による判定結果に基づいて、電動モータ60の出力上限値である定常時目標モータ動力上限値(図16(b)参照)を設定するモータ出力上限値設定部202(図10参照)として機能する。
In the
これにより、燃料電池システム100が定常運転状態であるか否かに応じて、電動モータ60の出力を定常時目標モータ動力上限値以下に制限することができる。したがって、燃料電池システム100を電動モータ60の消費電力を削減することができ、電動モータ60のサイズを小型化することができる。結果として、燃料電池システム100全体の小型化に資することとなる。
Thereby, the output of the
特に、本実施形態では、上述のように電動モータ60の消費電力を削減できるので、電動モータ60に電力を供給する燃料電池スタック10の出力も削減されることとなり、スタックサイズの小型化を図ることができる。これにより、電動モータ60及び燃料電池スタック10の双方の小型化が図られ、より一層燃料電池システム100全体の小型化に資することができる。
In particular, in the present embodiment, since the power consumption of the
また、本実施形態では、電動モータ60とは独立してコンプレッサ64を駆動するタービン62と、水素と空気(酸素)を燃焼させてタービン62を駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器32と、をさらに備える。そして、コントローラ20は、燃料電池スタック10への要求負荷(目標スタック電流)に応じて電動モータ60の出力であるモータ出力及びタービン回収動力の出力配分を調節する出力配分調節部としての空気系制御部B103と、空気系制御部B103により定められるタービン回収動力に基づいて、燃焼器32への燃料供給量を制御する燃料供給制御部としての目標タービン入口温度算出部B1039及び燃焼器水素量調節弁制御部B105をさらに備えている。
Further, in the present embodiment, a
これにより、燃料電池スタック10への要求負荷を満たすにあたり、電動モータ60により得られる動力とタービン62の回収動力の割合を好適に調節することができる。特に、出力配分調節が行われた結果、必要されるタービン回収動力に基づいて、燃焼器32への燃料供給量を好適に制御することができる。
Thereby, in satisfying the required load on the
さらに、燃料電池システム100において、上記出力配分調節部としての空気系制御部B103は、モータ出力と定常時目標モータ動力上限値の差(図16(b)のモータ動力超過量)が所定値以下となるようにタービン回収動力を調節する(図10のモータ出力上限値設定部202及び減算部302)。
Further, in the
これにより、モータ出力が定常時目標モータ動力上限値を超えないように、タービン回収動力を好適に調節することができる。したがって、モータ出力を定常時目標モータ動力上限値に制限している状況においても、負荷の要求をより確実に満たすことができる。 Thereby, the turbine recovery power can be suitably adjusted so that the motor output does not exceed the target motor power upper limit value at the steady state. Therefore, even in a situation where the motor output is limited to the target motor power upper limit value in the steady state, the load requirement can be satisfied more reliably.
また、本実施形態の燃料電池システム100では、上記出力配分調節部としての空気系制御部B103は、燃料電池への要求負荷(目標スタック電流)に基づいて目標コンプレッサ動力を算出し、目標コンプレッサ動力から定常時目標モータ動力上限値を減算することで目標タービン回収動力を算出する(図10の減算部302参照)。さらに、燃料供給制御部としての目標タービン入口温度算出部B1039及び燃焼器水素量調節弁制御部B105は、調節されたタービン回収動力に基づいて燃焼器32への燃料供給量の目標値である目標燃料供給量に相当する目標水素供給弁開度を算出し、算出された目標水素供給弁開度に基づいて燃焼器32への燃料供給量(燃焼器水素量調節弁49の開度)を制御する。
Further, in the
これにより、目標コンプレッサ動力に対し、モータ出力が定常時目標モータ動力上限値を超えないように制限しつつ、燃焼器32への水素供給量を調節してタービン回収動力を調節することができる。すなわち、目標コンプレッサ動力に対してモータ出力を比較的低く制限しつつ、不足分をタービン回収動力によって補うように、燃焼器32への水素供給量を調節することができる。したがって、コンプレッサ64で必要とされる動力に対して、モータ出力を比較的低くすることができるので、電動モータ60の消費電力の最大値をより抑えて、電動モータ60や燃料電池スタック10のさらなる小型化を図ることができる。
Thereby, the turbine recovery power can be adjusted by adjusting the hydrogen supply amount to the
さらに、本実施形態において定常運転状態とは、電動モータ60の出力から定常時目標モータ動力上限値を減算した値であるモータ出力超過量(モータ動力超過量)が所定値以下(実質的にゼロ)の場合である(特に図16(b)の時刻t5〜t6及び時刻t11〜時刻t12参照)。
Further, in the present embodiment, the steady operation state means that the motor output excess amount (motor power excess amount), which is the value obtained by subtracting the steady-time target motor power upper limit value from the output of the
このような燃料電池システム100の定常運転状態はタービン回収動力が目標タービン回収動力と略一致する状態に相当することとなる。したがって、定常時目標モータ動力上限値をより適切なシーンで設定することができる。
Such a steady operation state of the
また、本実施形態の燃料電池システム100では、コントローラ20は、システム要求出力を算出するシステム要求出力算出部200をさらに有する。そして、モータ出力上限値設定部202は、システム要求出力を加味して定常時目標モータ動力上限値を設定する(図10参照)。
Further, in the
これにより、定常時目標モータ動力上限値をシステム要求出力の大小に応じてより適切に設定することができる。 As a result, the target motor power upper limit value in the steady state can be set more appropriately according to the magnitude of the system required output.
さらに、システム要求出力算出部200は、車両のアクセルペダルの操作量に基づいてシステム要求出力を算出する(図9のシステム要求出力算出部参照)。
Further, the system requirement
これにより、燃料電池システム100を搭載した車両の負荷状態に応じてシステム要求出力を算出することができる。すなわち、アクセルペダルの踏み込み量が比較的大きい高負荷領域、及びアクセルペダルの踏み込み量が比較的小さい低・中負荷領域等の車両の負荷状態をより確実に検出して、当該負荷状況に応じて本実施形態にかかる制御をより好適に実行することができる。
As a result, the system required output can be calculated according to the load state of the vehicle equipped with the
さらに、モータ出力上限値設定部202としてのモータ出力上限値設定部202は、システム要求出力が相対的に高い場合に、定常時目標モータ動力上限値を低く設定する(図10の発電電力要求最大モータ動力算出部B1036、演算部B1037、及び図13,図15における目標スタック電流がI1以上の領域参照)。 Further, the motor output upper limit value setting unit 202 as the motor output upper limit value setting unit 202 sets the steady-time target motor power upper limit value low when the system required output is relatively high (the maximum generated power request in FIG. 10). Refer to the motor power calculation unit B1036, the calculation unit B1037, and the region where the target stack current in FIGS. 13 and 15 is I1 or more).
これにより、システム要求出力が相対的に高い高負荷領域においても、コンプレッサ64の要求動力に対して寄与するモータ動力を低下させることができ、モータ消費電力をより削減することができる(図16(b)の時刻t4〜時刻t6)。結果として、高負荷領域においてモータ動力を減少させることができる。したがって、電動モータ60の出力をより小さくして電動モータ60のさらなる小型化を図ることができる。
As a result, even in a high load region where the system required output is relatively high, the motor power that contributes to the required power of the
また、本実施形態では、燃料電池スタック10の発電電力の内、電動モータ60で消費される電力の割合をより削減することができる。したがって、燃料電池スタック10の発電電力当りのシステム出力(ネット出力)をより向上させることができるので、燃料電池スタック10のサイズのさらなる小型化が実現される。
Further, in the present embodiment, the ratio of the electric power consumed by the
さらに、本実施形態による燃料電池システム100では、モータ出力上限値設定部202としてのモータ出力上限値設定部202は、上記運転状態検出部としての水温センサ88により検出された冷却水温度、及びHFR測定装置18により検出されたHFR測定値に基づいて燃料電池スタック10の出力制限値としてのスタック出力制限値を算出し(スタック出力制限値算出部203)、算出されたスタック出力制限値とシステム要求出力と、を比較し(図10の演算部B1037)する。そして、モータ出力上限値設定部202は、スタック出力制限値に対してシステム要求出力が大きいほど、定常時目標モータ動力上限値を低く設定する(図10の演算部B1037及びミニマムセレクト部B1038)。
Further, in the
これにより、燃料電池スタック10の運転状態に応じたスタック出力制限値とシステム要求出力の差が小さいとき、すなわち燃料電池スタック10において発電可能な上限電力の多くをシステム出力(車両の走行等)に使用する必要がある場合には、定常時目標モータ動力上限値を低くして電動モータ60に供給する電力を低減することができる。したがって、燃料電池スタック10の運転状態に基づいて必要に応じて、より多くの割合のスタック発電電力をシステム出力に使用することができる。
As a result, when the difference between the stack output limit value and the system required output according to the operating state of the
なお、スタック出力制限値については、上記燃料電池スタック10の運転状態に加えて、燃料電池スタック10のサイズに応じた制限値を加味しても良い。具体的には、例えば、燃料電池の運転状態に基づいて算出される上記スタック出力制限値と、燃料電池スタック10のサイズに応じた制限値と、の小さい方を選択して実際に用いるスタック出力制限値とすることができる。
Regarding the stack output limit value, in addition to the operating state of the
また、本実施形態では、定常時目標モータ動力上限値を低くして電動モータ60の出力を制限した場合でも、タービン回収動力でこれを補い、より確実に目標コンプレッサ動力を確保することができる。
Further, in the present embodiment, even when the upper limit value of the target motor power in the steady state is lowered to limit the output of the
さらに、本実施形態による燃料電池システム100では、モータ出力上限値設定部202は、電動モータ60の連続定格動力である最大モータ動力、燃料電池スタック10の要求負荷(目標スタック電流)に基づいて設定される負荷要求最大モータ動力としての発電電力要求最大モータ動力、及びスタック出力制限値のうち、最も小さい値を定常時目標モータ動力上限値として設定する。
Further, in the
これにより、電動モータ60の連続定格等の最大モータ動力、要求発電電力に応じた発電電力要求最大モータ動力、及び燃料電池スタック10の運転状態等に応じた出力制限値を全て満足するように、定常時目標モータ動力上限値を定めることができる。したがって、これら3つの要素に応じて電動モータ60の消費電力を好適に制限することができる。
As a result, the maximum motor power such as the continuous rating of the
以上説明したように、本実施形態では、燃料電池スタック10にカソード極に空気を供給するコンプレッサ64を電動モータ60で駆動する燃料電池システム100の制御方法が提供される。そして、この制御方法では、コントローラ20は、システム100が定常運転状態であるか否かを判定し(図10の空気系制御部B103)、定常運転状態であるか否かの判定結果に基づいて電動モータの出力上限値を設定する(図10のモータ出力上限値設定部202)。
As described above, the present embodiment provides a control method for the
これにより、燃料電池システム100が定常運転状態であるか否かに応じて、電動モータ60の出力を定常時目標モータ動力上限値以下に制限することができる。したがって、燃料電池システム100を電動モータ60の消費電力を削減することができ、電動モータ60のサイズを小型化することができる。結果として、燃料電池システム100全体の小型化に資することとなる。
Thereby, the output of the
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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the above embodiments are only a part of the application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configurations of the above embodiments. Absent.
例えば、本実施形態の図16においては、定常時目標モータ動力上限値を定常運転状態且つ高負荷となる時刻t5より以前の時刻t3で低くしているが、定常運転状態且つ高負荷となる時刻t5に合わせて定常時目標モータ動力上限値を低くするようにしても良い。また、時刻t5以前、例えばモータ動力超過量が予め定められた0以上の所定値以下となった段階で定常時目標モータ動力上限値を低く設定するようにしても良い。 For example, in FIG. 16 of the present embodiment, the upper limit value of the steady state target motor power is lowered at time t3 before the time t5 when the steady operation state and the high load occur, but the time when the steady operation state and the high load occur. The upper limit of the steady-state target motor power may be lowered according to t5. Further, before time t5, for example, when the motor power excess amount becomes a predetermined value of 0 or more and a predetermined value or less, the steady state target motor power upper limit value may be set low.
また、本実施形態では、図16に示すように、定常時目標モータ動力上限値が時刻t4〜時刻t5で低下させた値をとる以外は、時間変化に対してほぼ一定の値となっている。しかしながら、例えば、システム要求出力の連続的な増加(減少)に応じて定常時目標モータ動力上限値を連続的に減少(増加)させるようにしても良い。 Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 16, the value is substantially constant with respect to the time change, except that the steady-state target motor power upper limit value takes a value lowered from time t4 to time t5. .. However, for example, the steady-state target motor power upper limit value may be continuously decreased (increased) according to the continuous increase (decrease) of the system required output.
また、上記実施形態では、過渡時モータトルク上限値としては、電動モータ60の仕様などに応じて予め定められる短時間定格を用いているが、これに限られず、モータトルクの最大値として好適な種々の値を用いることができる。
Further, in the above embodiment, the transient upper limit value of the motor torque uses a short-time rating predetermined according to the specifications of the
一例として、過渡時モータトルク上限値を、電動モータ60の温度、電動モータ60の図示しないインバータの温度、短時間定格、電動モータ60の動力が目標モータ動力(定常運転モータ電力上限値)以上となる時間、インバータの電流制限値、電動モータ60の回転数変化率、及び電動モータ60やそのインバータの冷却水温度等に基づいて得られる固定値又は可変値としても良い。
As an example, the upper limit of the transient motor torque is set to the temperature of the
また、本実施形態における「コンプレッサ64」は、カソードガス供給通路22を介して燃料電池スタック10のカソード極に空気を供給する機能を果たしている。したがって、このような機能を果たすことができるならば、「コンプレッサ64」は、一般的な意味で認識されている「コンプレッサ」(有効吐出し圧力が200kPa以上の圧縮機)以外にも、適宜、ブロワ等の他の圧縮機や送風機に代えることもできる。
Further, the "
さらに、本実施形態における「タービン62」は、燃料電池スタック10にカソードガス排出通路24を介して接続されている。より具体的には、カソードガス排出通路24に設けられた燃焼器32で燃料電池スタック10からのカソード排ガスを水素とともに燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービン62に供給するようにしている。しかしながら、これに限られず、例えば、タービン62をカソードガス排出通路24とは別系統に構成するようにしても良い。例えば、任意のガス供給源からのガスをタービン62へ供給する供給系統、及びタービン62へのガスの供給流量及び温度を調節する機構を別途設けるようにしても良い。
Further, the "
10 燃料電池スタック
12 カソード給排機構
14 アノード供給機構
16 ターボ過給機
17 加熱/冷却機構
18 HFR測定装置
19 負荷装置
20 コントローラ
22 カソードガス供給通路
24 カソードガス排出通路
26 エアフローメータ
28 空気圧力センサ
30 スタック出口温度センサ
32 燃焼器
34 ノズルベーン
36 バイパス通路
38 バイパス弁
39 タービンバイパス通路
40 高圧タンク
42 水素ヒータ
44 スタック用水素供給通路
46 燃焼器用水素供給通路
47 水素圧力検出センサ
48 スタック供給水素調圧弁
49 燃焼器水素量調節弁
51 電流センサ
52 電圧センサ
60 モータ
62 タービン
64 コンプレッサ
100 燃料電池システム
10
Claims (7)
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、
前記運転状態検出部からの信号により前記燃料供給装置及び前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤供給装置は、コンプレッサと該コンプレッサを駆動する電動モータと、を備え、
前記運転制御装置は、システムが定常運転状態であるか否かを判定する定常状態判定部と、前記定常状態判定部による判定結果に基づいて前記電動モータの出力上限値を設定するモータ出力上限値設定部と、
燃料電池システムが搭載される車両のアクセルペダル操作量に基づいて該車両の走行用電力に相当するシステム要求出力を算出するシステム要求出力算出部と、
算出された前記システム要求出力に基づいて前記燃料電池の目標発電電流を設定する目標発電電流設定部と、を有し、
前記モータ出力上限値設定部は、
前記目標発電電流に基づいて前記燃料電池から前記電動モータへ供給すべき電力に相当する発電電力要求最大モータ動力を演算し、
前記発電電力要求最大モータ動力を、前記目標発電電流が所定値未満となる低・中負荷領域よりも該所定値以上となる高負荷領域において低い値となるように演算する、
燃料電池システム。 A fuel supply device that supplies fuel to the anode pole of a fuel cell,
An oxidant supply device that supplies an oxidant to the cathode electrode of the fuel cell,
An operating state detection unit that detects the operating state of the fuel cell,
A fuel cell system including an operation control device that controls the fuel supply device and the oxidant supply device by a signal from the operation state detection unit.
The oxidant supply device includes a compressor and an electric motor for driving the compressor.
The operation control device has a steady state determination unit that determines whether or not the system is in a steady operation state, and a motor output upper limit value that sets an output upper limit value of the electric motor based on a determination result by the steady state determination unit. Setting part and
A system request output calculation unit that calculates the system request output corresponding to the running power of the vehicle based on the accelerator pedal operation amount of the vehicle on which the fuel cell system is mounted,
It has a target power generation current setting unit that sets a target power generation current of the fuel cell based on the calculated system required output.
The motor output upper limit value setting unit is
Based on the target generated current, the maximum generated power required motor power corresponding to the electric power to be supplied from the fuel cell to the electric motor is calculated.
The maximum power generation required motor power is calculated so as to be lower in the high load region where the target power generation current is equal to or more than the predetermined value than in the low / medium load region where the target generated current is less than the predetermined value.
Fuel cell system.
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、 An oxidant supply device that supplies an oxidant to the cathode electrode of the fuel cell,
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、 An operating state detection unit that detects the operating state of the fuel cell,
前記運転状態検出部からの信号により前記燃料供給装置及び前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、 A fuel cell system including an operation control device that controls the fuel supply device and the oxidant supply device by a signal from the operation state detection unit.
前記酸化剤供給装置は、コンプレッサと該コンプレッサを駆動する電動モータと、を備え、 The oxidant supply device includes a compressor and an electric motor for driving the compressor.
前記運転制御装置は、システムが定常運転状態であるか否かを判定する定常状態判定部と、前記定常状態判定部による判定結果に基づいて前記電動モータの出力上限値を設定するモータ出力上限値設定部と、 The operation control device has a steady state determination unit that determines whether or not the system is in a steady operation state, and a motor output upper limit value that sets an output upper limit value of the electric motor based on a determination result by the steady state determination unit. Setting part and
燃料電池システムが搭載される車両のアクセルペダル操作量に基づいて該車両の走行用電力に相当するシステム要求出力を算出するシステム要求出力算出部と、A system request output calculation unit that calculates the system request output corresponding to the running power of the vehicle based on the accelerator pedal operation amount of the vehicle on which the fuel cell system is mounted,
算出された前記システム要求出力に基づいて前記燃料電池の目標発電電流を設定する目標発電電流設定部と、を有し、 It has a target power generation current setting unit that sets a target power generation current of the fuel cell based on the calculated system required output.
前記モータ出力上限値設定部は、The motor output upper limit value setting unit is
前記運転状態検出部により検出された前記燃料電池の運転状態に基づいて前記燃料電池の出力制限値を算出し、 The output limit value of the fuel cell is calculated based on the operating state of the fuel cell detected by the operating state detection unit.
算出された前記燃料電池の出力制限値と前記システム要求出力を比較し、 Comparing the calculated output limit value of the fuel cell with the system required output,
前記燃料電池の出力制限値に対して前記システム要求出力が大きいほど、前記電動モータの出力上限値を低く設定する、 The larger the system required output with respect to the output limit value of the fuel cell, the lower the output upper limit value of the electric motor is set.
燃料電池システム。 Fuel cell system.
前記電動モータとは独立して前記コンプレッサを駆動するタービンと、前記燃料と前記酸化剤を燃焼させて前記タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、をさらに備え、
前記運転制御装置は、
前記燃料電池への要求負荷に応じて前記電動モータの出力及び前記タービンの回収動力の出力配分を調節する出力配分調節部と、
前記出力配分調節部により定められる前記タービンの回収動力に基づいて、前記燃焼器への燃料供給量を制御する燃料供給制御部と、をさらに備えた、
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 1 or 2 .
A turbine that drives the compressor independently of the electric motor, and a combustor that burns the fuel and the oxidizing agent to generate combustion gas for driving the turbine are further provided.
The operation control device is
An output distribution adjusting unit that adjusts the output of the electric motor and the output distribution of the recovered power of the turbine according to the required load on the fuel cell.
A fuel supply control unit that controls the fuel supply amount to the combustor based on the recovery power of the turbine determined by the output distribution adjustment unit is further provided.
Fuel cell system.
前記出力配分調節部は、前記電動モータの出力と前記電動モータの出力上限値の差が所定値以下となるように前記タービンの回収動力を調節する、
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 3 .
The output distribution adjusting unit adjusts the recovery power of the turbine so that the difference between the output of the electric motor and the output upper limit value of the electric motor is equal to or less than a predetermined value.
Fuel cell system.
前記出力配分調節部は、前記燃料電池への要求負荷に基づいて目標コンプレッサ動力を算出し、前記目標コンプレッサ動力から前記電動モータの出力上限値を減算することで目標タービン回収動力を算出し、
前記燃料供給制御部は、前記目標タービン回収動力に基づいて前記燃焼器への燃料供給量の目標値である目標燃料供給量を算出し、算出された前記目標燃料供給量に基づいて前記燃焼器への燃料供給量を制御する、
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 4 .
The output distribution adjusting unit calculates the target compressor power based on the required load on the fuel cell, and calculates the target turbine recovery power by subtracting the output upper limit value of the electric motor from the target compressor power.
The fuel supply control unit calculates a target fuel supply amount, which is a target value of the fuel supply amount to the combustor, based on the target turbine recovery power, and the combustor is based on the calculated target fuel supply amount. Control the amount of fuel supplied to
Fuel cell system.
前記定常運転状態は、
前記電動モータの出力から前記電動モータの出力上限値を減算した値であるモータ出力超過量が所定値以下の状態である、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5 .
The steady operation state is
The motor output excess amount, which is the value obtained by subtracting the output upper limit value of the electric motor from the output of the electric motor, is in a state of being equal to or less than a predetermined value.
Fuel cell system.
前記モータ出力上限値設定部は、
前記電動モータの連続定格動力、前記燃料電池への要求負荷に基づいて設定される負荷要求最大モータ動力、及び前記燃料電池の出力制限値のうち、最も小さい値を前記電動モータの出力上限値として設定する、
燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6 .
The motor output upper limit value setting unit is
The smallest of the continuous rated power of the electric motor, the maximum load required motor power set based on the required load on the fuel cell, and the output limit value of the fuel cell is set as the output upper limit value of the electric motor. Set,
Fuel cell system.
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