JP2009158165A - Fuel cell system and its control method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池は、一般に、電解質膜を電極で挟持した発電体(膜電極接合体)が複数個積層されたスタック構造を有している。燃料電池は、各発電体における発電電力を集電して外部負荷へと供給するため、各発電体が一様に発電できることが好ましい。 A fuel cell generally has a stack structure in which a plurality of power generators (membrane electrode assemblies) each having an electrolyte membrane sandwiched between electrodes are stacked. Since the fuel cell collects the power generated in each power generator and supplies it to an external load, it is preferable that each power generator can generate power uniformly.
しかし、燃料電池では、一部の発電体のみの内部抵抗が著しく増大してしまったり、一部の発電体のみの反応ガスの供給量が著しく不足してしまう場合がある。この場合には、当該一部の発電体の出力電力が他の発電体より低下してしまうため、燃料電池全体の発電効率が低下してしまう。また、この状態で燃料電池の発電を継続すると、当該一部の発電体が劣化する原因ともなる。 However, in a fuel cell, the internal resistance of only some of the power generators may increase remarkably, or the reaction gas supply amount of only some of the power generators may be extremely short. In this case, since the output power of the part of the power generators is lower than that of other power generators, the power generation efficiency of the entire fuel cell is reduced. Moreover, if the power generation of the fuel cell is continued in this state, this part of the power generators may be deteriorated.
そこで、こうした一部の発電体における著しい電圧降下を検出した場合に、燃料電池全体の出力電流値を低下させて当該発電体の出力電圧値を回復させる制御処理が知られている(特許文献1)。 Therefore, when such a significant voltage drop is detected in some of the power generators, a control process is known in which the output current value of the entire fuel cell is reduced to recover the output voltage value of the power generator (Patent Document 1). ).
しかし、上記制御処理の実行中は燃料電池の出力電流値が制限されてしまうため、当該制御処理を実行する燃料電池システムの負荷追従性は低下する。従って、例えば、当該燃料電池システムを動力源として搭載する車両等の移動体においては、その負荷追従性の低下が当該移動体のドライバビリティを低下させる原因となっていた。こうした問題は、燃料電池を動力源とする燃料電池システムや装置に共通する問題であったが、これまで十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。 However, since the output current value of the fuel cell is limited during the execution of the control process, the load followability of the fuel cell system that executes the control process decreases. Therefore, for example, in a moving body such as a vehicle equipped with the fuel cell system as a power source, the decrease in load followability has caused the drivability of the moving body to decrease. Such a problem is a problem common to fuel cell systems and devices using a fuel cell as a power source, but it has been the actual situation that no sufficient contrivance has been made so far.
本発明は、燃料電池システムの負荷追従性の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique which suppresses the fall of the load followability of a fuel cell system.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池システムに対する出力要求に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池の出力を一時的に制限するために、前記燃料電池の電流値を前記出力要求に相当する要求電流値よりも低下させる電流制限処理を実行した後に、前記電流値を前記要求電流値まで増大させる電流回復処理を実行し、前記電流回復処理を、前記電流制限処理よりも短時間で完了する、燃料電池システム。 Application Example 1 A fuel cell system including a fuel cell and a control unit that controls an output of the fuel cell in response to an output request to the fuel cell system, the control unit including an output of the fuel cell In order to temporarily limit the current value, the current recovery is performed to increase the current value to the required current value after executing a current limiting process for reducing the current value of the fuel cell to be lower than the required current value corresponding to the output request. A fuel cell system that executes a process and completes the current recovery process in a shorter time than the current limiting process.
この燃料電池システムによれば、電流制限処理によって燃料電池の電圧を増大させることによって、燃料電池の低下した発電性能の回復を図ることができる。その際に、電流制限処理を比較的緩やかに実行することによって急激に燃料電池の出力が低下することを抑制できる。また、電流回復処理を比較的迅速に実行することによって燃料電池の出力が低下してしまう時間帯を短縮することができる。従って、燃料電池システムの負荷追従性の低下を抑制することが可能である。 According to this fuel cell system, it is possible to recover the reduced power generation performance of the fuel cell by increasing the voltage of the fuel cell by the current limiting process. At this time, the output of the fuel cell can be prevented from suddenly decreasing by executing the current limiting process relatively slowly. In addition, the time period during which the output of the fuel cell is reduced by executing the current recovery process relatively quickly can be shortened. Therefore, it is possible to suppress a decrease in load followability of the fuel cell system.
[適用例2]適用例1記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測部を備え、前記制御部は、前記電圧計測部の計測値が第1の閾値より小さくなったときに、前記電流制限処理を実行し、前記計測値が第2の閾値より大きくなったときに、前記電流回復処理を実行する、燃料電池システム。 Application Example 2 The fuel cell system according to Application Example 1, further including a voltage measurement unit that measures the voltage of the fuel cell, wherein the control unit has a measured value of the voltage measurement unit as a first threshold value. A fuel cell system that executes the current limiting process when it becomes smaller, and executes the current recovery process when the measured value becomes larger than a second threshold value.
この燃料電池システムによれば、必要に応じて適時、電流制限処理及び電流回復処理を実行することとなるため、より、燃料電池システムの負荷追従性の低下を抑制することができる。 According to this fuel cell system, the current limiting process and the current recovery process are executed in a timely manner as necessary, so that it is possible to further suppress a decrease in load followability of the fuel cell system.
[適用例3]適用例2記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、複数の発電体を含み、前記電圧計測部は、前記複数の発電体ごとに電圧を計測し、前記制御部は、前記複数の発電体のうち少なくとも1つの計測値が前記第1の閾値より小さくなったときに、前記電流制限処理を実行し、前記計測値が前記第2の閾値より大きくなったときに、前記電流回復処理を実行する、燃料電池システム。 [Application Example 3] The fuel cell system according to Application Example 2, wherein the fuel cell includes a plurality of power generation bodies, the voltage measurement unit measures a voltage for each of the plurality of power generation bodies, and the control unit Is configured to execute the current limiting process when at least one measured value of the plurality of power generators is smaller than the first threshold value, and when the measured value is larger than the second threshold value. A fuel cell system that executes the current recovery process.
この燃料電池システムによれば、複数の単セルのうちの少なくとも1つの発電性能が低下している場合に発電性能の回復のために電流制限処理及び電流回復処理が実行される。従って、燃料電池の劣化を抑制でき、燃料電池の劣化による燃料電池システムの負荷追従性の低下を抑制できる。 According to this fuel cell system, when at least one of the plurality of single cells has a reduced power generation performance, the current limiting process and the current recovery process are executed to recover the power generation performance. Therefore, deterioration of the fuel cell can be suppressed, and a decrease in load followability of the fuel cell system due to deterioration of the fuel cell can be suppressed.
[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の出力低下の際に、前記出力要求に対して不足する出力を補償する補助電源を備える、燃料電池システム。 [Application Example 4] The fuel cell system according to any one of Application Example 1 to Application Example 3, and further, an auxiliary device that compensates for an output that is insufficient with respect to the output request when the output of the fuel cell decreases. A fuel cell system including a power source.
この燃料電池システムによれば、外部負荷からの要求に対して燃料電池の出力が不足した場合であっても、補助電源に出力補償させることができるため、燃料電池システムの負荷追従性の低下を抑制できる。また、電流回復処理の処理速度が、電流制限処理より比較的緩やかであるため、補助電源の負荷追従性が低下することを抑制でき、燃料電池システムの負荷追従性の低下をさらに抑制できる。 According to this fuel cell system, even if the output of the fuel cell is insufficient in response to a request from an external load, the auxiliary power supply can be compensated for output, so the load followability of the fuel cell system is reduced. Can be suppressed. In addition, since the processing speed of the current recovery process is relatively slower than that of the current limiting process, it is possible to suppress the load followability of the auxiliary power source from being lowered, and to further suppress the load followability of the fuel cell system.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. .
A.実施例:
図1は、本発明の一実施例として燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10に接続する水素系統20及び空気系統30と、制御部40とを備えている。
A. Example:
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell system as an embodiment of the present invention. The
燃料電池スタック10は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて、その電気化学反応によって発電する固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池スタック10としては、固体高分子型燃料電池でなくとも良く、任意の種々のタイプの燃料電池に本発明を適用することが可能である。
The
燃料電池スタック10は、電解質膜を電極で挟持した発電体である膜電極接合体を含む複数の単セル1を積層したスタック構造を有している。燃料電池スタック10には、各単セル1ごとの電位を計測することができる電圧センサ11が設けられている。
The
水素系統20は、水素を貯蔵するための水素タンク21と水素供給配管22とを備えている。水素タンク21は水素供給配管22によって燃料電池スタック10の水素供給用マニホールド(図示せず)と接続されており、これによって、水素系統20は燃料電池スタック10に対して水素を供給する。水素供給配管22には上流側から、水素の圧力を調整するための圧力調整バルブ23と、水素の流量を計測するためのガスフローメータ24とが設けられている。
The
また、水素系統20は、燃料電池スタック10の水素排出用マニホールド(図示せず)に接続された水素排出配管25を備えており、電気化学反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスを燃料電池スタック10の外部へと排出する。水素排出配管25には上流側から、水素の圧力を計測するための圧力計26と、アノード排ガスの排出を必要に応じて停止するための開閉弁である水素排出バルブ27とが設けられている。
Further, the
空気系統30は、エアコンプレッサ31と空気供給配管32とを備えている。エアコンプレッサ31は、空気供給配管32によって、燃料電池スタック10の空気供給用マニホールド(図示せず)と接続されており、これによって、空気系統30は燃料電池スタック10に対して圧縮空気を供給する。空気供給配管32には上流側から、圧縮空気の圧力を調整するための圧力調整バルブ33と、圧縮空気の流量を計測するためのガスフローメータ34とが設けられている。
The air system 30 includes an
また、空気系統30は、燃料電池スタック10の空気排出用マニホールド(図示せず)に接続する空気排出配管35を備えており、電気化学反応に供されることのなかった酸素を含むカソード排ガスを燃料電池スタック10の外部へと排出する。空気排出配管35には、カソード排ガスの圧力を計測するための圧力計36が設けられている。
Further, the air system 30 includes an
制御部40は、例えば燃料電池システム100が車両等の移動体に搭載されている場合には、アクセルペダル50の開度に応じた外部負荷からの燃料電池システム100に対する出力要求(「外部出力要求」と呼ぶ)を検出する。また、制御部40は、上述の2つのガスフローメータ24,34や、2つの圧力計26,36や、電圧センサ11などの各種センサからのシステムのステータス情報を受け取る。制御部40は、外部からの出力要求とシステムのステータス情報とを基に、圧力調整バルブ23、33や水素排出バルブ27の開閉動作を制御して燃料電池スタック10の出力を制御する。
For example, when the
図2は、燃料電池システム100の電気的構成を示すブロック図である。燃料電池システム100は、さらに、2次電池60と、DC/DCコンバータ70と、DC/ACインバータ80とを備えている。燃料電池スタック10は、直流電源ラインDCLを介してDC/ACインバータ80に接続されている。2次電池60は、DC/DCコンバータ70を介して直流電源ラインDCLに接続されている。DC/ACインバータ80は、外部負荷であるモータ90に接続されている。
FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the
2次電池60は、燃料電池スタック10の補助電源として機能し、例えば充・放電可能なリチウムイオン電池で構成することができる。DC/DCコンバータ70は、2次電池60の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部40の指示によって直流電源ラインDCLの電圧レベルを可変に調整する。燃料電池スタック10の出力が外部出力要求に対して不足するような場合には、DC/DCコンバータ70は、その不足分を補償するように2次電池60に放電させる。
The
DC/ACインバータ80は、燃料電池スタック10及び2次電池60から得られた直流電力を交流電力へと変換する。モータ90は三相モータなどで構成することができ、DC/ACインバータ80からの交流電力に応じて回転駆動力を発生する。モータ90は、外力によってそのロータが回転させられるときには発電機として働き、交流電力(回生電力)を発生する。そうした回生電力は、DC/ACインバータ80で直流電力に変換され、DC/DCコンバータ70を介して2次電池60に充電される。
The DC / AC inverter 80 converts DC power obtained from the
制御部40は、電圧センサ11(図1)の測定値から燃料電池スタック10の出力電力測定値(発電状態)を検出する。また、制御部40は、2次電池60の充電状態(SOC)を検出する。制御部40は、これらの情報を基にDC/DCコンバータ70の出力電圧を設定して燃料電池スタック10及び2次電池60の出力電力を制御する。また、制御部40は、DC/ACインバータ80によって交流電力の周波数を制御して、モータ90に必要なトルクを発生させる(トルク指令)。
The
図3(A)〜(D)は、通常運転時における燃料電池システム100の制御を説明するための説明図である。ここで「通常運転時」とは、燃料電池スタック10の各単セル1が制御部40の出力指示に応じて、電圧降下を生じることなく発電を継続している状態を意味する。
3A to 3D are explanatory diagrams for explaining control of the
図3(A)は、制御部40が燃料電池スタック10に対して要求する出力電力(「FC要求電力」と呼ぶ)の時間変化を示すグラフである。図3(A)のグラフは、時刻t0において外部出力要求が増大したことに伴って、制御部40がFC要求電力をW0からW1に増大させたことを示している。
FIG. 3A is a graph showing a change with time of output power (referred to as “FC required power”) requested by the
制御部40は、燃料電池スタック10のW−I特性を基にFC要求電力に応じて燃料電池スタック10の出力すべき電流値を算出し、その電流値に応じた出力電圧をDC/DCコンバータ70(図2)に設定する。また、制御部40は、燃料電池スタック10がFC要求電力を出力可能なように、反応ガスの供給量及び排ガス量などを圧力調整バルブ23、33や水素排出バルブ27(図1)によって制御する。
The
図3(B)は、図3(A)に示すFC要求電力の変化があったときの燃料電池スタック10の任意の単セル1における出力電圧の時間変化を示すグラフである。図3(B)の実線グラフG1は、燃料電池スタック10の単セル1ごとの出力電圧値が、時刻t0において電圧値V0から減少を開始し、時刻t1においてFC要求電力に相当する出力電圧値V1に到達し、その後、電圧値V1で維持されていることを示している。なお、燃料電池スタック10全体の出力電圧は、この各単セル1の出力電圧の総和となる。
FIG. 3B is a graph showing the time change of the output voltage in an arbitrary
図3(C)は、図3(A)に示すFC要求電力の変化があったときの燃料電池スタック10の出力電流の時間変化を示すグラフである。燃料電池スタック10の出力電流は、燃料電池スタック10のV−I特性により、図3(B)に示す出力電圧の変化に対応して時刻t0〜時刻t1の区間で電流値I0から電流値I1まで増大し、その後、電流値I1で維持される。
FIG. 3C is a graph showing the change over time of the output current of the
図3(D)は、図3(C)に示す燃料電池スタック10の出力電流の変化があったときの、モータ90(図2)の出力トルクの時間変化を示すグラフである。モータ90の出力トルクは、燃料電池スタック10の出力電流値の変化に応じて時刻t0〜時刻t1の区間でトルク値T0からトルク値T1まで増大し、その後、トルク値T1で維持される。
FIG. 3D is a graph showing the change over time of the output torque of the motor 90 (FIG. 2) when the output current of the
なお、この通常運転時において、何らかの原因で燃料電池スタック10の出力電力がFC要求電力に対して不足してしまう場合には、制御部40は、2次電池60の放電によってその不足分を補償する。これによって、燃料電池システム100は、燃料電池スタック10の出力不足による負荷追従性の低下を抑制することができる。
In this normal operation, if the output power of the
ここで、この通常運転時では、各単セル1がほぼ一様に図3(B)に示す出力電圧を出力している。しかし、燃料電池スタック10では、一部の単セル1のみの出力電圧が著しく低下してしまう場合があり、例えば、負電圧にまで低下してしまう場合がある。(図3(B)に示す破線グラフG2)。この原因としては、当該単セル1の内部抵抗の増大による電圧降下や、ガス流路の閉塞など、何らかの原因で当該単セル1への反応ガスの供給量が不足していることなどが考えられる。
Here, during this normal operation, each
このように、一部の単セル1の電圧が著しく低下してしまっている状態で燃料電池スタック10の発電を継続すると、燃料電池スタック10全体としての発電効率が低下してしまうばかりでなく、当該一部の単セル1が劣化してしまう可能性がある。そこで、本実施例では、以下に説明する電圧回復処理を実行する。
Thus, if the power generation of the
図4(A)〜(D)は、燃料電池スタック10の一部の単セル1において著しい電圧低下が発生して電圧回復処理が実行された場合における図3(A)〜(D)と同様なグラフである。図4(A)は、FC要求電力の時間変化を示すグラフであり、図3(A)とほぼ同じである。即ち、以下の説明においては、燃料電池システム100に対して上述した通常運転時と同様な外部出力要求の変化があったものと想定する。
4A to 4D are the same as FIGS. 3A to 3D in the case where a significant voltage drop occurs in a part of the
図4(B)のグラフは、図4(A)に示すFC要求電力の変化があったときに、何らかの原因で著しい電圧降下を生じた単セル1(以後、「低電圧セル1」と呼ぶ)の出力電圧の時間変化を実線グラフG3で示している。なお、図4(B)では、この低電圧セル1が本来出力すべき電圧の時間変化を破線グラフG4で示している。
The graph of FIG. 4B is a single cell 1 (hereinafter referred to as “
低電圧セル1では、制御部40によってDC/DCコンバータ70に設定された出力電圧に従って、時刻t0から出力電圧値が低下し始めるが、出力すべき目標電圧値V1に到達した後も低下し続けている。制御部40は、低電圧セル1の出力電圧値が所定の閾値Vtに到達したことを検出すると電圧回復処理を実行する。ここで、所定の閾値Vtとしては、例えば目標電圧値V1が約0.6V程度であれば、約−0.1V程度であるとしても良い。所定の閾値Vtとしては、実験等によって適切に設定されることが好ましい。
In the
図5は、燃料電池システム100で実行される電圧回復処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップS10において制御部40は、低電圧セル1の出力電圧値が所定の閾値Vtに到達した時刻t2から燃料電池スタック10の出力電流を時間に対して一定の比率(dI1/dt)で低下するように、DC/DCコンバータ70の出力電圧を制御する。即ち、燃料電池スタック10の出力電流が制御部40によって制限される。以後、このステップS10の処理を「電流制限処理」と呼び、出力電流を低下させる一定の比率を「制限側レート」と呼ぶ。
FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure of voltage recovery processing executed in the
ここで、制限側レートは次のように決定される。制御部40は、外部出力要求が増大した時刻t0における低電圧セル1の出力電圧値V0と閾値である出力電圧値Vtとの差に応じて最大電流制限量Imaxを決定する。制御部40は、最大電流制限量Imaxを設定するためのマップを有しているものとしても良い。
Here, the limit side rate is determined as follows.
制御部40は、所定の時間で電流を最大電流制限量Imaxだけ低下させることができるように制限側レートを設定する。ここで、所定の時間としては、約0.5秒〜約2秒程度であることが好ましい。即ち、制限側レートは以下の不等式(1)の範囲内の値で設定されることが好ましい。
Imax/0.5 ≦ |dI1/dt| ≦ Imax/2 …(1)
なお、制限側レートとしては、他の方法で決定されるものとしても良いが、DC/DCコンバータ70が十分に追従できる電流低下速度によって設定されることが好ましい。
The
I max /0.5≦|dI 1 / dt | ≦ I max / 2 (1)
The limiting rate may be determined by another method, but is preferably set at a current decrease rate that can be sufficiently followed by the DC /
このように出力電流を低下させることによって出力電流を制限する理由は、当該低電圧セル1が受けている過度な負荷を緩和することによって、当該低電圧セル1の発電能力の回復を図るためである。制御部40は、電流制限処理とともに、低電圧セル1の発電能力を回復するための発電能力回復処理を実行するものとしても良い。発電能力回復処理としては、例えば、燃料電池スタック10への反応ガスの供給量を増加させる処理や、反応ガスのガス圧を増大させる処理などが実行されるものとしても良い。
The reason for limiting the output current by reducing the output current in this way is to restore the power generation capability of the
図4(C)は、低電圧セル1における燃料電池スタック10の出力電流の時間変化を示すグラフである。燃料電池スタック10の出力電流は、電圧回復処理が開始される時刻t2までは、図3(C)における変化とほぼ同じであるが、電流制限処理が開始された時刻t2以降は、制限側レートで低下している。このように燃料電池スタック10の出力電流を低下させていくと、燃料電池スタック10のI−V特性に従って、燃料電池スタック10の出力電圧は次第に増大傾向へと転じることとなる(図4(B)の時刻t2〜時刻t3の時間区間)。
FIG. 4C is a graph showing the time change of the output current of the
ステップS20(図5)において、制御部40は、燃料電池スタック10の出力電圧が再び所定の閾値Vtに回復したことを検出すると、ステップS30の電流回復処理を実行する。なお、電流制限処理において燃料電池スタック10の出力電流が0Aまで低下しても、出力電圧値が所定の閾値Vtまで回復しない場合には、回復するまで出力電流値は0Aのまま維持されるものとしても良い。あるいは、出力電流値が0Aまで低下したときに直ちに電流回復処理が実行されるものとしても良い。
In step S20 (FIG. 5), the
電流回復処理では、制御部40は、出力電圧値が閾値Vtに回復した時刻t3から燃料電池スタック10の出力電流を時間に対して一定の比率で増大させる(図4(C)の時刻t3以降)。この一定の比率(dI2/dt)を「復帰側レート」と呼ぶ。
In current recovery process, the
復帰側レートは、その絶対値が、制限側レートの絶対値より大きくなるように制御部40が設定するが(不等式(2))、この理由は後述する。
|dI2/dt|≧|dI1/dt|…(2)
The
| DI 2 / dt | ≧ | dI 1 / dt | (2)
また、復帰側レートは、燃料電池スタック10の出力電流が所定の時間で電流値I1まで復帰可能なように設定される。ここで、所定の時間としては、例えば、約0.5秒〜約2秒程度であることが好ましい。即ち、電流制限処理において最大電流制限量Imaxで燃料電池スタック10の出力電力量が制限されている場合には、下記の不等式(3)の範囲で復帰側レートが設定されることが好ましい。
Imax/0.5 ≦ |dI2/dt| ≦ Imax/2 …(3)
The return side rate is set so that the output current of the
I max /0.5≦|dI 2 / dt | ≦ I max / 2 (3)
制御部40は、燃料電池スタック10の出力電流値がFC要求電力に相当する出力電流値I1まで回復したとき(図4(C)の時刻t4)に、通常運転時の制御処理へと戻る(ステップS40)。この電流回復処理の実行中(時刻t3〜時刻t4)において、燃料電池スタック10は、発電性能の回復に伴って、出力電流の増加とともに出力電圧も電圧値V1まで上昇する(図4(B)の時刻t3〜時刻t4)。このように、低電圧セル1の電圧降下を検出して電圧回復処理を実行することによって、燃料電池スタック10の劣化や発電性能低下を抑制することができる。
When the output current value of the
図4(D)は、電圧回復処理がなされた場合のモータ90(図2)の出力トルクの時間変化を示すグラフである。図4(D)のグラフは、時刻t3〜時刻t4の時間区間におけるトルク変化が異なる点以外は、図3(D)のグラフとほぼ同じである。 FIG. 4D is a graph showing the change over time of the output torque of the motor 90 (FIG. 2) when the voltage recovery process is performed. The graph of FIG. 4D is almost the same as the graph of FIG. 3D except that the torque change in the time interval from time t 3 to time t 4 is different.
ところで、上述のような電圧回復処理が実行される間(時刻t2〜時刻t4)は、燃料電池スタック10の出力が制限されるため、時刻t3において出力トルク値がT3まで低下して、トルクの谷間が生じている。この電圧回復処理における出力トルクの低下が著しい場合には、燃料電池システム100の負荷追従性は一時的に低下することとなる。この負荷追従性の低下は、燃料電池システム100に接続する外部負荷の応答性・操作性(「ドライバビリティ」とも呼ぶ)を低下させ、その操作者に不快感を与える原因となる。
By the way, while the voltage recovery process as described above is executed (time t 2 to time t 4 ), the output of the
しかし、燃料電池システム100では、2次電池60による補償電力によって負荷追従性の低下を抑制している。また、本実施例では、電流回復処理(図5のステップS20)における復帰側レートの絶対値を、電流制限処理(ステップS10)における制限側レートの絶対値より大きく設定している(不等式(2))。これによって、電流制限処理(時刻t2〜時刻t3)より、電流回復処理(時刻t3〜時刻t4)の方が処理に要する時間が速くなる。
However, in the
このように、電流制限処理の処理時間を比較的長くすることによって、燃料電池スタック10の急激な出力低下を抑制でき、モータ90の出力トルクの急激なトルク低下を抑制できる。また、電流回復処理時間の処理時間を比較的短くすることによって、電流回復処理全体の処理時間を短くすることができるため、電流制限処理の処理時間を比較的長くすることによる電圧回復処理の処理時間の増大を抑制することができる。従って、電圧回復処理の実行によって外部負荷の操作者が不快感を感じること(ドライバビリティの低下)を抑制することができる。
In this way, by making the processing time of the current limiting process relatively long, it is possible to suppress the rapid output decrease of the
さらに、電流制限処理時間が比較的長くなることにより、制御部40の出力要求に対する2次電池60の追従性が向上する。これによって、2次電池60の補償性能を十分に発揮させることができるため、燃料電池システム100の負荷追従性が低下することをさらに抑制でき、外部負荷のドライバビリティの低下を抑制できる。
Furthermore, the follow-up performance of the
このように、この燃料電池システム100によれば、電圧回復処理によって燃料電池スタック10の劣化を抑制するとともに、電圧回復処理によって燃料電池システム100の外部負荷に対する負荷追従性が低下してしまうことを抑制することができる。従って、燃料電池システム100に接続された外部負荷のドライバビリティが低下することを抑制することができる。
Thus, according to the
B.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
B1.変形例1:
上記実施例において、電流制限処理及び電流回復処理では、出力電流を一定の比率で低下または増加させていたが、一定の比率で低下または増加させなくとも良い。例えば、出力電流を指数関数的に低下または増加させるものとしても良い。この場合であっても、電流制限処理より電流回復処理の処理の方が短時間で完了すれば良い。
B1. Modification 1:
In the above embodiment, in the current limiting process and the current recovery process, the output current is decreased or increased at a constant ratio, but it is not necessary to decrease or increase the output current at a constant ratio. For example, the output current may be decreased or increased exponentially. Even in this case, the current recovery process may be completed in a shorter time than the current limiting process.
B2.変形例2:
上記実施例では、燃料電池スタック10のうちの少なくとも1つの単セル1の出力電圧が、所定の閾値Vtより低下したときに電流制限処理を開始し、再び所定の閾値Vtまで回復したときに電流回復処理を開始していた。しかし、電流制限処理の開始条件である閾値と電流回復処理の開始条件である閾値とは異なる値であっても良い。即ち、燃料電池スタック10のうちの少なくとも1つの単セル1の出力電圧が、第1の閾値より低下したときに電流制限処理を開始し、第2の閾値まで回復したときに電流回復処理を開始するものとしても良い。
B2. Modification 2:
In the above embodiment, when at least one of the output voltage of the
また、閾値Vtによる単セル1の電圧降下の発生判断を行うことなく電圧回復処理が実行されるものとしても良い。電圧回復処理は、例えば、所定のタイミングで常に実行されるものとしても良い。また、急激な外部負荷の要求がなされたときに実行されるものとしても良いし、燃料電池スタック10全体の出力の低下を検出した場合に実行されるものとしても良い。
The voltage recovery process may be being performed without performing the occurrence determination of the voltage drop of the
B3.変形例3:
上記実施例において、燃料電池システム100は2次電池60を備えていたが、2次電池60は備えていなくとも良い。ただし、2次電池60によって燃料電池スタック10の出力を補償させることによって、燃料電池システム100の負荷追従性の低下をさらに抑制することが可能である。
B3. Modification 3:
In the above embodiment, the
1…単セル,低電圧セル
10…燃料電池
10…燃料電池スタック
11…電圧センサ
20…水素系統
21…水素タンク
22…水素供給配管
23…圧力調整バルブ
24…ガスフローメータ
25…水素排出配管
26…圧力計
27…水素排出バルブ
30…空気系統
31…エアコンプレッサ
32…空気供給配管
33…圧力調整バルブ
34…ガスフローメータ
35…空気排出配管
36…圧力計
40…制御部
50…アクセルペダル
70…DC/DCコンバータ
80…DC/ACインバータ
90…モータ
100…燃料電池システム
DCL…直流電源ライン
DESCRIPTION OF
Claims (5)
燃料電池と、
前記燃料電池システムに対する出力要求に応じて前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の出力を一時的に制限するために、前記燃料電池の電流値を前記出力要求に相当する要求電流値よりも低下させる電流制限処理を実行した後に、前記電流値を前記要求電流値まで増大させる電流回復処理を実行し、
前記電流回復処理を、前記電流制限処理よりも短時間で完了する、燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell;
A control unit for controlling the output of the fuel cell in response to an output request for the fuel cell system;
With
The control unit executes a current limiting process for reducing the current value of the fuel cell to be lower than a required current value corresponding to the output request in order to temporarily limit the output of the fuel cell, and then the current value To increase the current to the required current value,
The fuel cell system, wherein the current recovery process is completed in a shorter time than the current limit process.
前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測部を備え、
前記制御部は、前記電圧計測部の計測値が第1の閾値より小さくなったときに、前記電流制限処理を実行し、前記計測値が第2の閾値より大きくなったときに、前記電流回復処理を実行する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
A voltage measuring unit for measuring the voltage of the fuel cell;
The control unit executes the current limiting process when the measurement value of the voltage measurement unit becomes smaller than a first threshold value, and the current recovery when the measurement value becomes larger than a second threshold value. A fuel cell system that performs processing.
前記燃料電池は、複数の発電体を含み、
前記電圧計測部は、前記複数の発電体ごとに電圧を計測し、
前記制御部は、前記複数の発電体のうち少なくとも1つの計測値が前記第1の閾値より小さくなったときに、前記電流制限処理を実行し、前記計測値が前記第2の閾値より大きくなったときに、前記電流回復処理を実行する、燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The fuel cell includes a plurality of power generators,
The voltage measuring unit measures a voltage for each of the plurality of power generators,
The control unit executes the current limiting process when at least one measured value of the plurality of power generators becomes smaller than the first threshold, and the measured value becomes larger than the second threshold. A fuel cell system that executes the current recovery process when
前記燃料電池の出力低下の際に、前記出力要求に対して不足する出力を補償する補助電源を備える、燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
A fuel cell system comprising an auxiliary power supply that compensates for an output that is insufficient with respect to the output request when the output of the fuel cell decreases.
(a)前記燃料電池の出力を一時的に制限するために、前記燃料電池の電流値を前記出力要求に相当する要求電流値よりも低下させる電流制限処理を実行する工程と、
(b)前記電流値を前記要求電流値まで増大させる電流回復処理を実行する工程と、
を備え、
前記電流回復処理は、前記電流制限処理よりも短時間で完了する、燃料電池システムの制御方法。 A control method of a fuel cell system that supplies output of a fuel cell in response to an output request,
(A) executing a current limiting process for reducing the current value of the fuel cell to be lower than a required current value corresponding to the output request in order to temporarily limit the output of the fuel cell;
(B) executing a current recovery process for increasing the current value to the required current value;
With
The method of controlling a fuel cell system, wherein the current recovery process is completed in a shorter time than the current limiting process.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007332478A JP2009158165A (en) | 2007-12-25 | 2007-12-25 | Fuel cell system and its control method |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012059444A (en) * | 2010-09-07 | 2012-03-22 | Toto Ltd | Solid electrolyte fuel cell system |
CN103828108A (en) * | 2011-09-29 | 2014-05-28 | Toto株式会社 | Solid electrolyte fuel cell |
CN109873464A (en) * | 2017-12-04 | 2019-06-11 | 中国科学院大连化学物理研究所 | A kind of power supply management system of fuel cell and method |
-
2007
- 2007-12-25 JP JP2007332478A patent/JP2009158165A/en active Pending
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