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JP5800279B2 - Fuel cell system and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムにおける制御技術の改良に関する。   The present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof. More specifically, the present invention relates to an improvement in control technology in a fuel cell system.

燃料電池を始動する際、アノードに供給される燃料ガス及びカソードに供給される酸化ガスの少なくともいずれか一方を不足状態とし、電極の一部の過電圧を増加させてさらなる熱を発生させることで、燃料電池の温度を上昇させる急速暖機技術が開示されている。このような急速暖機を行う際には、燃料電池のセル電圧を予め設定された閾値(許容値)まで下げる必要がある。   When starting the fuel cell, by causing at least one of the fuel gas supplied to the anode and the oxidizing gas supplied to the cathode to be in a deficient state, increasing the overvoltage of a part of the electrode to generate further heat, A rapid warm-up technique for increasing the temperature of a fuel cell is disclosed. When performing such rapid warm-up, it is necessary to lower the cell voltage of the fuel cell to a preset threshold value (allowable value).

ところが、従来、セル電圧が許容値を下回るまで電流制限を行わない場合があった。このようにセル電圧が許容値を下回ってから電流制限をしようとすると、急速暖機時のセル電圧の低下スピードが速いために電流制限が追いつかず、セル電圧が許容値を大幅に下回ってしまうという問題が生じていた。   However, conventionally, there is a case where current limitation is not performed until the cell voltage falls below an allowable value. If you try to limit the current after the cell voltage falls below the allowable value in this way, the cell voltage will fall significantly below the allowable value because the current voltage cannot catch up due to the rapid decrease in the cell voltage during rapid warm-up. There was a problem.

そこで、このような問題を解決する技術として、セルモニタによって検知される最低セル電圧が目標値付近に一定時間連続して収束している場合には、最低セル電圧目標値を所定幅下げた値に更新するという技術が開示されている(例えば特許文献1参照)。かかる技術によれば、検知されるセル電圧と最低目標電圧との関係が所定条件を満たす場合(例えば、セル電圧が最低目標電圧の付近に一定時間連続して収束している場合や、セル電圧が最低目標電圧の付近から離れて一定時間連続して高くなっている場合など)に、最低目標電圧を段階的に更新する。電流制限の際には、このように更新される最低セル電圧目標値が利用されるため、セル電圧と最低目標電圧とが大きくかけ離れてしまい、セル電圧を制御し切れずにセル電圧が最低目標電圧を大幅に低下してしまう、といった問題を未然に防止することが可能となる。   Therefore, as a technique for solving such a problem, when the lowest cell voltage detected by the cell monitor has converged continuously in the vicinity of the target value for a certain period of time, the lowest cell voltage target value is reduced to a predetermined width. A technique of updating is disclosed (for example, see Patent Document 1). According to such a technique, when the relationship between the detected cell voltage and the minimum target voltage satisfies a predetermined condition (for example, when the cell voltage converges continuously in the vicinity of the minimum target voltage for a certain period of time, The minimum target voltage is updated step by step when the value is continuously high for a certain time away from the vicinity of the minimum target voltage. When the current is limited, the minimum cell voltage target value updated in this way is used. Therefore, the cell voltage and the minimum target voltage are largely separated from each other, and the cell voltage is not controlled completely and the minimum cell voltage is reached. It is possible to prevent the problem that the voltage is greatly reduced.

特開2009−158399号公報JP 2009-158399 A

しかしながら、上述のごとき制御技術においては、セル電圧監視を常に(例えば燃料電池車の運転中であれば常時)行っていたため、セルモニタの消費電力が大きく、無駄な消費電力が生じていた。   However, in the control technique as described above, since cell voltage monitoring is always performed (for example, always during operation of the fuel cell vehicle), the power consumption of the cell monitor is large and wasteful power consumption occurs.

そこで、本発明は、セル電圧の大幅な低下を回避しつつ、セルモニタにおける消費電力を抑止できるようにした燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a control method therefor that can suppress power consumption in a cell monitor while avoiding a significant decrease in cell voltage.

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば燃料電池車には、アイドリング時、低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転時、燃費を向上させる等のために燃料電池の発電を一時休止し、バッテリーやキャパシタ等の蓄電手段から補機(車両モータ等)への電力供給をするための「間欠運転」を実施するものがある。この間欠運転中にセルモニタを休止させたおいた場合、間欠運転終了後、燃料電池の発電(運転)を再開するとともにセルモニタにも再起動させるための指令をだすのが従来の手法である。ところが、一般に、セルモニタの再起動には所定の時間を要する。このセルモニタ再起動中、万が一、燃料電池のセル電圧低下が生じた場合、そのことを検出することができないため、出力制限等の対処ができず、場合によっては膜部材の破損(穴開き等)につながるおそれがある。このような事態に陥ることのないよう、従来は間欠運転中にセルモニタを休止しておくことができなかった。   In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. For example, in a fuel cell vehicle, during low load operation such as idling, low speed driving, regenerative braking, etc., fuel cell power generation is temporarily stopped to improve fuel consumption, and power storage means such as batteries and capacitors Some carry out “intermittent operation” for supplying power to the auxiliary machinery (vehicle motor, etc.). When the cell monitor is suspended during the intermittent operation, it is a conventional method to restart the power generation (operation) of the fuel cell and restart the cell monitor after the intermittent operation ends. However, in general, it takes a predetermined time to restart the cell monitor. In the unlikely event that the cell voltage of the fuel cell drops during this cell monitor restart, it is not possible to detect this, so it is not possible to deal with output restrictions, etc., and in some cases damage to the membrane member (such as hole opening) May lead to In order not to fall into such a situation, conventionally, the cell monitor could not be stopped during intermittent operation.

以上の点に着目し、さらに従来技術においてはセルモニタ起動中についての言及はあっても間欠運転終了後にセルモニタを起動させることについては想定していないことに着目して検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想を得るに至った。本発明はかかる着想に基づくものであり、燃料電池の低負荷時に当該燃料電池を一時的に休止させる間欠運転の間、燃料電池のセル電圧を測定するセルモニタを停止させ、当該間欠運転の終了後にセルモニタを起動させる際、燃料電池の出力を制限する、というものである。   The present inventor who has repeatedly studied paying attention to the above points and further focusing on the fact that the cell monitor is activated after the end of the intermittent operation is mentioned in the prior art even though the cell monitor is being activated. I came up with an idea that led to the solution of this problem. The present invention is based on such an idea, and during the intermittent operation in which the fuel cell is temporarily suspended at the time of low load of the fuel cell, the cell monitor for measuring the cell voltage of the fuel cell is stopped, and after the intermittent operation is completed. When starting the cell monitor, the output of the fuel cell is limited.

本発明にかかる燃料電池システムにおいては、間欠運転の間にセルモニタを停止させるので、セル電圧を常に監視する場合よりもセルモニタの消費電力を抑えることができる。しかも、間欠運転の終了後は、セルモニタを再起動させる際に燃料電池の出力(発電)を制限することにしているため、セル電圧が大幅に低下してしまうのを回避することができる。   In the fuel cell system according to the present invention, since the cell monitor is stopped during the intermittent operation, the power consumption of the cell monitor can be suppressed as compared with the case where the cell voltage is constantly monitored. Moreover, since the output (power generation) of the fuel cell is restricted when the cell monitor is restarted after the end of the intermittent operation, it is possible to avoid a significant drop in the cell voltage.

上述の燃料電池システムにおいては、所定の閾値を間欠終了閾値として設定しており、当該燃料電池システムから燃料電池に対して要求される出力を示すシステム要求パワーが当該間欠終了閾値を上回った場合に間欠運転を終了させることが好ましい。   In the fuel cell system described above, when a predetermined threshold is set as the intermittent termination threshold, and the system required power indicating the output required for the fuel cell from the fuel cell system exceeds the intermittent termination threshold. It is preferable to end the intermittent operation.

さらに、本発明にかかる燃料電池システムにおいて、セルモニタの起動を指令するための閾値であるセルモニタ起動閾値を、間欠終了閾値よりも小さい値に変更することが好ましい。この場合、セルモニタの起動を指令するタイミングが早くなり、間欠運転が終了する際にはセルモニタの起動を完了させることが可能となるため、出力制限を低減させあるいは不要とすることが可能となる。 Further, in the fuel cell system according to the present invention, the cell monitor activation threshold value is a threshold value for commanding the start of the cell monitor, it is preferable to change to a value smaller than the intermittent end threshold. In this case, the timing for instructing activation of the cell monitor is advanced, and when the intermittent operation ends, the activation of the cell monitor can be completed, so that the output restriction can be reduced or eliminated.

本発明にかかる燃料電池システムにおいては、燃料電池の温度に応じ、セル電圧の低下が生じない範囲で当該燃料電池の出力制限を緩和することが好ましい。あるいは、燃料電池のインピーダンスに応じ、セル電圧の低下が生じない範囲で当該燃料電池の出力制限を緩和することも好ましい。   In the fuel cell system according to the present invention, it is preferable that the output restriction of the fuel cell is relaxed within a range in which the cell voltage does not decrease according to the temperature of the fuel cell. Alternatively, it is also preferable to relax the output limit of the fuel cell in a range where the cell voltage does not decrease according to the impedance of the fuel cell.

本発明にかかる燃料電池の制御方法は、燃料電池の低負荷時に当該燃料電池を一時的に休止させる間欠運転の間、燃料電池のセル電圧を測定するセルモニタを停止させ、当該間欠運転の終了後にセルモニタを起動させる際、燃料電池の出力を制限する、というものである。   In the fuel cell control method according to the present invention, the cell monitor that measures the cell voltage of the fuel cell is stopped during the intermittent operation in which the fuel cell is temporarily stopped at a low load of the fuel cell. When starting the cell monitor, the output of the fuel cell is limited.

本発明によれば、セル電圧の大幅な低下を回避しつつ、セルモニタにおける消費電力を抑止することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power consumption in a cell monitor can be suppressed, avoiding the significant fall of a cell voltage.

本発明にかかる燃料電池システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the fuel cell system concerning this invention. 本発明の一実施形態を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows one Embodiment of this invention. 図2に示すフローチャートに従って制御した場合のシステム各部の動作、制御信号、出力等の時系列処理・動作例を示す図である。It is a figure which shows the time-sequential process and operation example, such as operation | movement of each part of the system at the time of controlling according to the flowchart shown in FIG. 2, a control signal, and an output. 燃料電池の温度により出力制限の度合を変える手法について説明するグラフである。It is a graph explaining the method of changing the degree of output restriction | limiting with the temperature of a fuel cell. 燃料電池のインピーダンスにより出力制限の度合を変える手法について説明するグラフである。It is a graph explaining the method of changing the degree of output restriction by the impedance of a fuel cell. セルモニタへの起動指令をだすタイミングをより早くした場合の時系列処理・動作例を示す図である。It is a figure which shows the time-sequential process and operation example when the timing which issues the starting command to a cell monitor is made earlier.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載されることが予定された燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings. Hereinafter, as an example, a case where the present invention is applied to a fuel cell scheduled to be mounted on a fuel cell vehicle or a fuel cell system including the fuel cell will be described as an example. There is no limit.

図1〜図5に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。燃料電池システム100は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセル(図示省略)と、該セルを積層してなるセルスタック(図示省略)と、燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段としての制御装置700と、を備えたシステムとして構成されている。以下においては、まず燃料電池システム100の全体構成について説明し、その後、間欠運転の間およびその前後におけるセルモニタ等の動作等について説明する。   1 to 5 show an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. The fuel cell system 100 includes a cell (not shown) that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas, a cell stack (not shown) formed by stacking the cells, and a supply flow rate of the fuel gas and the oxidizing gas. And a control device 700 as control means for controlling. In the following, the overall configuration of the fuel cell system 100 will be described first, and then the operation of the cell monitor and the like during and after intermittent operation will be described.

図1に本実施形態における燃料電池システム100の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム100は、燃料電池1と、酸化ガスとしての空気(酸素)を燃料電池1に供給する酸化ガス給排系(以下、酸化ガス配管系ともいう)300と、燃料ガスとしての水素を燃料電池1に供給する燃料ガス給排系(以下、燃料ガス配管系ともいう)400と、燃料電池1に冷媒を供給して燃料電池1を冷却する冷媒配管系500と、システムの電力を充放電する電力系600と、システム全体を統括制御する制御装置700と、を備えている。   FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 100 in the present embodiment. As shown in the figure, a fuel cell system 100 includes a fuel cell 1, an oxidizing gas supply / discharge system (hereinafter also referred to as an oxidizing gas piping system) 300 for supplying air (oxygen) as an oxidizing gas to the fuel cell 1, a fuel A fuel gas supply / discharge system (hereinafter also referred to as a fuel gas piping system) 400 that supplies hydrogen as a gas to the fuel cell 1, a refrigerant piping system 500 that supplies the refrigerant to the fuel cell 1 and cools the fuel cell 1, A power system 600 that charges and discharges system power and a control device 700 that performs overall control of the entire system are provided.

燃料電池1は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル(単セル)を積層したスタック構造となっている。各セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ20を有している。一方のセパレータ20の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ20の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池1は電力を発生する。   The fuel cell 1 is composed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of cells (single cells) are stacked. Each cell has an air electrode on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and a pair of separators 20 so as to sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. ing. Fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator 20, and oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator 20, and the fuel cell 1 generates electric power by this gas supply.

酸化ガス配管系300は、燃料電池1に供給される酸化ガスが流れる供給路111と、燃料電池1から排出された酸化オフガスが流れる排出路112と、を有している。供給路111には、フィルタ113を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ114と、コンプレッサ114により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器115と、が設けられている。排出路112を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁116を通って加湿器115で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ114は、モータ114aの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。   The oxidizing gas piping system 300 has a supply path 111 through which the oxidizing gas supplied to the fuel cell 1 flows, and a discharge path 112 through which the oxidizing off gas discharged from the fuel cell 1 flows. The supply path 111 is provided with a compressor 114 that takes in the oxidizing gas via the filter 113, and a humidifier 115 that humidifies the oxidizing gas fed by the compressor 114. The oxidizing off-gas flowing through the discharge path 112 is subjected to moisture exchange by the humidifier 115 through the back pressure regulating valve 116, and is finally exhausted into the atmosphere outside the system as exhaust gas. The compressor 114 takes in the oxidizing gas in the atmosphere by driving the motor 114a.

燃料ガス配管系400は、水素供給源121と、水素供給源121から燃料電池1に供給される水素ガスが流れる供給路122と、燃料電池1から排出された水素オフガス(燃料オフガス)を供給路122の合流点Aに戻すための循環路123と、循環路123内の水素オフガスを供給路122に圧送するポンプ124と、循環路123に分岐接続された排出路125と、を有している。   The fuel gas piping system 400 includes a hydrogen supply source 121, a supply path 122 through which hydrogen gas supplied from the hydrogen supply source 121 to the fuel cell 1 flows, and a supply path for supplying hydrogen offgas (fuel offgas) discharged from the fuel cell 1. A circulation path 123 for returning to the confluence point A of 122, a pump 124 that pumps the hydrogen off gas in the circulation path 123 to the supply path 122, and a discharge path 125 that is branched and connected to the circulation path 123. .

水素供給源121は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば35MPa又は70MPaの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源121の元弁126を開くと、供給路122に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁127その他の減圧弁により、最終的に例えば200kPa程度まで減圧されて、燃料電池1に供給される。   The hydrogen supply source 121 is composed of, for example, a high-pressure tank or a hydrogen storage alloy, and is configured to be able to store, for example, 35 MPa or 70 MPa of hydrogen gas. When the main valve 126 of the hydrogen supply source 121 is opened, hydrogen gas flows out to the supply path 122. The hydrogen gas is finally depressurized to, for example, about 200 kPa by the pressure regulating valve 127 and other pressure reducing valves and supplied to the fuel cell 1.

供給路122の合流点Aの上流側には、遮断弁128、および供給路122内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ129が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路122の合流点Aの下流側流路と、燃料電池1のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路123とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ124は、モータ124aの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池1に循環供給する。符号130は、燃料電池1あるいは水素ガスの温度を検出する温度センサである。   A shutoff valve 128 and a pressure sensor 129 for detecting the pressure of hydrogen gas in the supply path 122 are provided on the upstream side of the confluence point A of the supply path 122. The hydrogen gas circulation system is configured by sequentially communicating a flow path downstream of the confluence point A of the supply path 122, a fuel gas flow path formed in the separator of the fuel cell 1, and the circulation path 123. Yes. The hydrogen pump 124 circulates and supplies the hydrogen gas in the circulation system to the fuel cell 1 by driving the motor 124a. Reference numeral 130 denotes a temperature sensor that detects the temperature of the fuel cell 1 or hydrogen gas.

循環路123には、水素オフガス(燃料オフガス)の圧力を検出する圧力センサ132が設けられている。また、排出路125には、遮断弁であるパージ弁133が設けられている。パージ弁133が燃料電池システム100の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁133の開弁により、循環路123内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。   The circulation path 123 is provided with a pressure sensor 132 that detects the pressure of hydrogen offgas (fuel offgas). The discharge path 125 is provided with a purge valve 133 that is a shutoff valve. By appropriately opening the purge valve 133 when the fuel cell system 100 is in operation, impurities in the hydrogen off gas are discharged together with the hydrogen off gas to a hydrogen diluter (not shown). By opening the purge valve 133, the concentration of impurities in the hydrogen off-gas in the circulation path 123 decreases, and the concentration of hydrogen in the hydrogen off-gas circulated increases.

冷媒配管系500は、燃料電池1内の冷却流路に連通する冷媒循環流路141と、冷媒循環流路141に設けられた冷却ポンプ142と、燃料電池1から排出される冷媒を冷却するラジエータ143と、ラジエータ143をバイパスするバイパス流路144と、ラジエータ143及びバイパス流路144への冷却水の通流を設定する三方弁(切替え弁)145と、を有している。冷却ポンプ142は、モータ142aの駆動により、冷媒循環流路141内の冷媒を燃料電池1に循環供給する。   The refrigerant piping system 500 includes a refrigerant circulation channel 141 communicating with a cooling channel in the fuel cell 1, a cooling pump 142 provided in the refrigerant circulation channel 141, and a radiator that cools the refrigerant discharged from the fuel cell 1. 143, a bypass flow path 144 that bypasses the radiator 143, and a three-way valve (switching valve) 145 that sets the flow of cooling water to the radiator 143 and the bypass flow path 144. The cooling pump 142 circulates and supplies the refrigerant in the refrigerant circulation channel 141 to the fuel cell 1 by driving the motor 142a.

電力系600は、高圧DC/DCコンバータ161、バッテリー(蓄電手段)162、トラクションインバータ163、トラクションモータ164、及び各種の補機インバータ165,166,167を備えている。高圧DC/DCコンバータ161は、直流の電圧変換器であり、バッテリー162から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ163側に出力する機能と、燃料電池1又はトラクションモータ164から入力された直流電圧を調整してバッテリー162に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ161のこれらの機能により、バッテリー162の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ161により、燃料電池1の出力電圧が制御される。   The power system 600 includes a high-voltage DC / DC converter 161, a battery (power storage means) 162, a traction inverter 163, a traction motor 164, and various auxiliary inverters 165, 166, and 167. The high-voltage DC / DC converter 161 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 162 and outputs it to the traction inverter 163 side, and the direct-current input from the fuel cell 1 or the traction motor 164. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 162. The charge / discharge of the battery 162 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 161. Further, the output voltage of the fuel cell 1 is controlled by the high voltage DC / DC converter 161.

バッテリー162は、バッテリーセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ163は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ164に供給する。トラクションモータ164は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム100が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。   The battery 162 is configured such that battery cells are stacked so that a constant high voltage is used as a terminal voltage, and surplus power can be charged or supplementary power can be supplied under the control of a battery computer (not shown). The traction inverter 163 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 164. The traction motor 164 is, for example, a three-phase AC motor, and constitutes a main power source of, for example, a vehicle on which the fuel cell system 100 is mounted.

補機インバータ165,166,167は、それぞれ、対応するモータ114a,124a,142aの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ165,166,167は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ114a,124a,142aに供給する。補機インバータ165,166,167は、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御装置700からの制御指令に従って燃料電池1又はバッテリー162から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ114a,124a,142aで発生する回転トルクを制御する。   Auxiliary machine inverters 165, 166, and 167 are motor control devices that control driving of corresponding motors 114a, 124a, and 142a, respectively. Auxiliary machine inverters 165, 166, and 167 convert a direct current into a three-phase alternating current and supply it to motors 114a, 124a, and 142a, respectively. Auxiliary machine inverters 165, 166, and 167 are, for example, pulse width modulation type PWM inverters that convert a DC voltage output from fuel cell 1 or battery 162 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from control device 700. The rotational torque generated by each motor 114a, 124a, 142a is controlled.

制御装置700は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。CPUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、ポンプ124の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ROMは、CPUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置700は、ガス系統(300,400)や冷媒配管系500に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。   The control device 700 is configured as a microcomputer having a CPU, a ROM, and a RAM inside. The CPU executes a desired calculation according to the control program, and performs various processes and controls such as a thawing control of the pump 124. The ROM stores control programs and control data processed by the CPU. The RAM is mainly used as various work areas for control processing. The control device 700 inputs detection signals such as various pressure sensors, temperature sensors, and outside air temperature sensors used in the gas system (300, 400) and the refrigerant piping system 500, and outputs control signals to each component.

セルモニタ800は、セルにおける電圧(セル電圧)を測定して発電状況(例えば発電中におけるセル電圧の変動など)を測定するために用いられる電圧センサである(図1参照)。セルモニタ800による測定結果に基づけば、当該燃料電池1のセル電圧を監視することができる。   The cell monitor 800 is a voltage sensor that is used for measuring a voltage (cell voltage) in a cell and measuring a power generation state (for example, fluctuation of the cell voltage during power generation) (see FIG. 1). Based on the measurement result by the cell monitor 800, the cell voltage of the fuel cell 1 can be monitored.

続いて、間欠運転の間およびその前後におけるセルモニタ等に対する制御やその動作等について説明する(図2等参照)。   Next, control and operation of the cell monitor and the like during and before intermittent operation will be described (see FIG. 2 and the like).

本実施形態の燃料電池システム100においては、燃料電池1の間欠運転中にはセルモニタ800によるセル電圧監視を休止させ、これにより、セルモニタ800の消費電力を低減させる。また、燃料電池1の間欠運転を終了して通常発電に移行する際には、セルモニタ800が再起動完了するまでの間は燃料電池1の発電を制限し、これにより、セル電圧の低下を抑止する。以下、フローチャートを用いて具体的な制御例を説明する(図2参照)。   In the fuel cell system 100 of the present embodiment, the cell voltage monitoring by the cell monitor 800 is suspended during the intermittent operation of the fuel cell 1, thereby reducing the power consumption of the cell monitor 800. In addition, when the intermittent operation of the fuel cell 1 is terminated and a transition is made to normal power generation, the power generation of the fuel cell 1 is restricted until the cell monitor 800 is completely restarted, thereby suppressing a decrease in cell voltage. To do. Hereinafter, a specific control example will be described using a flowchart (see FIG. 2).

まず、燃料電池システム100が要求するパワーが、間欠終了閾値T1を下回っているかどうか判断する(ステップSP1)。間欠終了閾値T1とは、漸増するシステム要求パワー(出力)が当該閾値を上回った場合に間欠運転を終了するものとして設定されている(図3参照)。ここでは、要求パワーが間欠終了閾値T1を下回っていれば(ステップSP1にてYES)、間欠運転を続け、セルモニタ800の休止状態を継続する(ステップSP5)。一方、要求パワーが間欠終了閾値T1を下回っていなければ(ステップSP1にてNO)、間欠運転を終了する処理をし、制御装置700からセルモニタ800を起動する指令をだす(ステップSP2)。   First, it is determined whether or not the power required by the fuel cell system 100 is below the intermittent termination threshold T1 (step SP1). The intermittent end threshold value T1 is set to end the intermittent operation when the gradually increasing system required power (output) exceeds the threshold value (see FIG. 3). Here, if the required power is below the intermittent end threshold value T1 (YES in step SP1), the intermittent operation is continued and the cell monitor 800 is kept in a resting state (step SP5). On the other hand, if the required power is not lower than the intermittent end threshold value T1 (NO in step SP1), processing for terminating the intermittent operation is performed, and a command to start the cell monitor 800 is issued from the control device 700 (step SP2).

セルモニタ800の起動指令後、セルモニタ800が完了したかどうかを判断する(ステップSP3)。完了していれば(ステップSP3にてYES),燃料電池1の出力制限を解除する(ステップSP6)。一方、完了していなければ(ステップSP3にてNO)、燃料電池1の出力を制限し(ステップSP4)、ステップSP1に戻る。   After the start command of the cell monitor 800, it is determined whether or not the cell monitor 800 is completed (step SP3). If completed (YES in step SP3), the output restriction of the fuel cell 1 is released (step SP6). On the other hand, if not completed (NO in step SP3), the output of the fuel cell 1 is limited (step SP4), and the process returns to step SP1.

続いて、上記フローチャートに従って制御した場合の例(各部の動作、制御信号、出力等の時系列処理・動作例)を示す(図3参照)。なお、図3中の矢印は制御の流れあるいは関連性を示している。図中に示しているとおり、本実施形態では、システム要求パワーが間欠終了閾値T1以上になったら燃料電池1の間欠運転を終了し、セルモニタ80の起動指令をだす(図3(A)〜(C)参照)。また、燃料電池1の間欠運転終了により、コンプレッサ114を動作させる(図3(E)参照)。さらに、燃料電池1へのエア流量増に従い、FC(燃料電池)出力の上限が上昇する(図3(F)、(H)参照)。ここで、本実施形態では、セルモニタ800の起動が完了しないうちは、FC出力(P)が0より大きくなったとしても燃料電池1からの出力を許可しないこととし、出力制限をして電圧低下を抑制するようにしている(図3(F)〜(H)等参照)。   Subsequently, an example (time-series processing / operation example of operation of each part, control signal, output, etc.) in the case of controlling according to the above flowchart will be shown (see FIG. 3). In addition, the arrow in FIG. 3 has shown the flow or relationship of control. As shown in the figure, in the present embodiment, when the system required power becomes equal to or higher than the intermittent termination threshold T1, the intermittent operation of the fuel cell 1 is terminated and a start command for the cell monitor 80 is issued (FIG. 3 (A) to ( C)). Further, when the intermittent operation of the fuel cell 1 is completed, the compressor 114 is operated (see FIG. 3E). Further, as the air flow rate to the fuel cell 1 increases, the upper limit of the FC (fuel cell) output increases (see FIGS. 3F and 3H). Here, in this embodiment, as long as the start of the cell monitor 800 is not completed, the output from the fuel cell 1 is not permitted even if the FC output (P) is greater than 0, and the output is limited to reduce the voltage. (See FIGS. 3F to 3H).

また、本実施形態では、バッテリー162の充放電の状態を表すバッテリーパワー(図3(I)参照)は、Wout以下で放電させることとしている。なお、システム要求パワーがWoutでも十分でないほど大きい場合は、要求パワーを満たせない場合もあり得る。   Further, in this embodiment, the battery power (see FIG. 3I) representing the charge / discharge state of the battery 162 is discharged at Wout or less. If the system required power is too large even with Wout, the required power may not be satisfied.

ここで、本実施形態では、図3に例示したようにセルモニタ状態によるFC出力制限を行うにあたり、燃料電池1の状態によりFC出力の制限の度合を変えるようにしている。すなわち、セルモニタ800の起動が未完了であっても、燃料電池1の状態によっては、セル電圧低下が発生しないことが保障できる範囲でFC出力を許可する。これにより、FC出力に制限がかかる機会を低減し、最終的にドラビリ(ドライバビリティ)の改善に結び付けることができる。   Here, in the present embodiment, as illustrated in FIG. 3, the FC output restriction degree is changed depending on the state of the fuel cell 1 in performing the FC output restriction in the cell monitor state. That is, even if the start of the cell monitor 800 is incomplete, depending on the state of the fuel cell 1, the FC output is permitted within a range in which it is possible to ensure that the cell voltage does not decrease. As a result, the opportunity to limit the FC output can be reduced, and finally the drivability (drivability) can be improved.

このように、燃料電池1の状態によりFC出力の制限の度合を変える手法には例えば以下のようなものがある。すなわち、まず、FC温度によりFC出力の制限率を変えるというものがある(図4参照)。ここでは、燃料電池1が十分に暖機されセル電圧低下が発生しない範囲内で出力制限を緩和する。また、インピーダンスによりFC出力の制限率を変えるというものもある(図5参照)。ここでは、燃料電池1における水バランス(水収支のバランス)が良好な範囲内で出力制限を緩和する。これら各手法によって決定したFC出力制限率は、「エア流量からのFC出力制限」(図3(F)参照)に乗じることによって最終的な制限値とされる。   Thus, for example, there are the following methods for changing the degree of restriction of the FC output depending on the state of the fuel cell 1. That is, first, there is a method of changing the FC output limiting rate according to the FC temperature (see FIG. 4). Here, the output restriction is relaxed within a range where the fuel cell 1 is sufficiently warmed up and the cell voltage does not decrease. There is also a method of changing the FC output limiting rate according to the impedance (see FIG. 5). Here, the output restriction is eased within a range where the water balance (water balance) in the fuel cell 1 is good. The FC output restriction rate determined by each of these methods is used as a final restriction value by multiplying “FC output restriction from air flow rate” (see FIG. 3F).

ここまで説明したように、本発明にかかる燃料電池システム100においては、間欠運転の間にセルモニタ800を停止させるため、セル電圧を常に監視する場合に比べセルモニタの消費電力を抑えることができる。しかも、間欠運転の終了後は、セルモニタ800を起動させる際(例えば、セルモニタ800の再起動が完了するまで)、燃料電池1の発電を制限し、バッテリー162からの電力で賄うようにしているので、セル電圧が大幅に低下してしまうのを回避することができる。   As described so far, in the fuel cell system 100 according to the present invention, since the cell monitor 800 is stopped during the intermittent operation, the power consumption of the cell monitor can be suppressed as compared with the case where the cell voltage is constantly monitored. In addition, after the intermittent operation is completed, when the cell monitor 800 is started (for example, until the restart of the cell monitor 800 is completed), the power generation of the fuel cell 1 is limited, and the power from the battery 162 is used. Thus, it is possible to avoid the cell voltage from greatly decreasing.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、燃料電池1の状態によりFC出力の制限の度合を変える手法を例示したが、この他にも、例えばセルモニタ状態によるFC出力制限を行うにあたり(図3参照)、セルモニタ800への起動指令をだすタイミングをより早くするようにしてもよい(図6参照)。こうした場合、燃料電池1の間欠運転が終了する際にはセルモニタ800の起動が完了しているようにすることにより(図6(B)、(C)のΔt参照)、FC出力制限を低減させあるいは不要とすることが可能である。これにより、FC出力に制限がかかる機会を低減してドラビリ改善に結び付けることができる。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, a method of changing the degree of FC output restriction depending on the state of the fuel cell 1 is exemplified. However, in addition to this, for example, when performing FC output restriction according to the cell monitor state (see FIG. 3), the cell monitor 800 The timing for issuing the start command may be made earlier (see FIG. 6). In such a case, when the intermittent operation of the fuel cell 1 is completed, the start of the cell monitor 800 is completed (see Δt in FIGS. 6B and 6C), thereby reducing the FC output limit. Or it can be made unnecessary. As a result, the opportunity to limit the FC output can be reduced and linked to improved drivability.

具体的手法としては、例えばセルモニタ800の起動指令をだすためのシステム要求パワーの閾値(セルモニタ起動閾値T2)を間欠終了閾値T1よりも小さい値に設定することを挙げることができる。こうした場合には、システム要求パワーがこの閾値以上になったらセルモニタ800の起動指令をだすようにすればよい。   As a specific method, for example, the threshold of the system required power (cell monitor activation threshold T2) for issuing the activation command of the cell monitor 800 can be set to a value smaller than the intermittent termination threshold T1. In such a case, a start command for the cell monitor 800 may be issued when the system required power exceeds this threshold.

本発明は、燃料電池車等の燃料電池システムに適用して好適である。   The present invention is suitably applied to a fuel cell system such as a fuel cell vehicle.

1…燃料電池、100…燃料電池システム、800…セルモニタ、T1…間欠終了閾値、T2…セルモニタ起動閾値 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 100 ... Fuel cell system, 800 ... Cell monitor, T1 ... Intermittent end threshold value, T2 ... Cell monitor starting threshold value

Claims (6)

燃料電池の間欠運転の間、前記燃料電池のセル電圧を測定するセルモニタを停止させ、
当該間欠運転の終了後に前記セルモニタを起動させる際、前記燃料電池の出力を制限する、燃料電池システム。
During intermittent operation of the fuel cell, the cell monitor that measures the cell voltage of the fuel cell is stopped,
A fuel cell system that limits the output of the fuel cell when the cell monitor is activated after the intermittent operation ends.
所定の閾値を間欠終了閾値として設定しており、当該燃料電池システムから前記燃料電池に対して要求される出力を示すシステム要求パワーが当該間欠終了閾値を上回った場合に前記間欠運転を終了させる、請求項1に記載の燃料電池システム。   A predetermined threshold is set as an intermittent end threshold, and the intermittent operation is terminated when a system required power indicating an output required for the fuel cell from the fuel cell system exceeds the intermittent end threshold; The fuel cell system according to claim 1. 前記セルモニタの起動を指令するための閾値であるセルモニタ起動閾値を、前記間欠終了閾値よりも小さい値に変更する、請求項2に記載の燃料電池システム。 The cell monitor activation threshold value is a threshold value for commanding the start of the cell monitor is changed to a value smaller than the previous SL intermittent end threshold, the fuel cell system according to claim 2. 前記燃料電池の温度に応じ、セル電圧の低下が生じない範囲で当該燃料電池の出力制限を緩和する、請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the output restriction of the fuel cell is relaxed within a range in which the cell voltage does not decrease according to the temperature of the fuel cell. 5. 前記燃料電池のインピーダンスに応じ、セル電圧の低下が生じない範囲で当該燃料電池の出力制限を緩和する、請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。   4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the output restriction of the fuel cell is relaxed within a range in which the cell voltage does not decrease according to the impedance of the fuel cell. 5. 燃料電池の間欠運転の間、前記燃料電池のセル電圧を測定するセルモニタを停止させ、
当該間欠運転の終了後に前記セルモニタを起動させる際、前記燃料電池の出力を制限する、燃料電池システムの制御方法。
During intermittent operation of the fuel cell, the cell monitor that measures the cell voltage of the fuel cell is stopped,
A control method for a fuel cell system, wherein the output of the fuel cell is limited when the cell monitor is activated after the intermittent operation ends.
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