JP2010157426A - Fuel cell system - Google Patents

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滋人 梶原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve both maintenance of system efficiency and restraint of degradation of a fuel cell, for a fuel cell system having an output limiting demand of the fuel cell. <P>SOLUTION: The fuel cell system 1, provided with the fuel cell 2 generating power with supply of reaction gas, and a flow control means 6 controlling a supply flow of the reaction gas to the fuel cell 2, carries out operation changeover between a first operation mode and a second operation mode with a lower efficiency than the first operation mode. The flow control means 6 controls a supply flow of the reaction gas so as to suppress an output voltage of the fuel cell 2 below a high-potential evasion voltage, on one hand, in the first operation mode in case there is no output limiting demand, and so as to carry out operation changeover from the first operation mode to the second, while maintaining an output voltage of the fuel cell 2 below the high-potential evasion voltage, only when there is an output limiting demand. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの電気化学反応を利用して発電を行うものであり、燃料ガスの供給を受けるアノードと、酸化ガスの供給を受けるカソードと、を有する単電池が複数積層されたスタック構造を備えている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power by receiving a supply of reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) has been proposed and put into practical use. A fuel cell performs power generation using an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen, and includes an anode that receives supply of the fuel gas and a cathode that receives supply of the oxidizing gas. It has a stack structure in which a plurality of unit cells are stacked.

このような燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧が開放端電圧に近い状態が続くと、燃料電池を構成する膜・電極接合体（Membrane-Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という）が劣化して寿命が短くなる場合がある。このため、現在においては、開放端電圧時における反応ガスの供給量を制御することにより、ＭＥＡの劣化を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、近年においては、測定した開放端電圧に基づいて、燃料電池の劣化判定や反応ガス供給量の制御を行う技術も提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。
特開２００７−４８５１７号公報 特開２００４−１７９００３号公報 特開２００７−２３４３４７号公報 In such a fuel cell system, if the output voltage of the fuel cell continues to be close to the open-circuit voltage, the membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) constituting the fuel cell deteriorates. Life may be shortened. For this reason, at present, a technique for suppressing the deterioration of MEA by controlling the supply amount of the reaction gas at the open-circuit voltage has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In recent years, a technique for determining deterioration of a fuel cell and controlling a supply amount of a reactive gas based on the measured open-circuit voltage has also been proposed (see, for example, Patent Documents 2 and 3).
JP 2007-48517 A JP 2004-179003 A JP 2007-234347 A

ところで、燃料電池システムにおいては、燃料電池で発電した電力を電動機等に供給することにより、このシステムが搭載された燃料電池車両等の動力装置に特定のパフォーマンスを発現させているが、一方で、燃料電池で発電した電力を充電系統（二次電池やコンバータ等）に供給して余剰電力を蓄積させる場合がある。このように余剰電力を蓄積させる従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池から充填系統への電力供給に制限がかかる場合等に、燃料電池の正味出力（以下、「ＦＣネットパワー」という）を制限するための制御を行っていた。ＦＣネットパワーは、燃料電池の発電電力から各種補機で消費される電力を減じた値である。   By the way, in the fuel cell system, by supplying the electric power generated by the fuel cell to an electric motor or the like, a specific performance is expressed in a power device such as a fuel cell vehicle in which the system is mounted. In some cases, surplus power is accumulated by supplying power generated by the fuel cell to a charging system (secondary battery, converter, etc.). In the conventional fuel cell system that accumulates surplus power in this way, the net output of the fuel cell (hereinafter referred to as “FC net power”) is limited when the power supply from the fuel cell to the filling system is limited. I was doing control to do that. FC net power is a value obtained by subtracting the power consumed by various auxiliary machines from the power generated by the fuel cell.

ここで、ＦＣネットパワーを例えばＰAからＰBまで低減させる際に、図２に示すような高効率のＰＶ曲線Ｃ1に沿って動作点を移動させると、ＦＣネットパワーの低減に伴って燃料電池の出力電圧が理論起電圧（開放端電圧）近くまで上昇してしまうため、燃料電池の劣化が懸念される。一方、ＦＣネットパワーをＰAからＰBまで低減させる際に、図２に示すような低効率のＰＶ曲線Ｃ2に沿って動作点を移動させることも考えられる。しかし、低効率のＰＶ曲線Ｃ2上の動作点における運転モード（低効率運転モード）は発熱損失が大きいため、この低効率運転モードが長期間続くとシステム効率が低下するおそれがあった。 Here, when the FC net power is reduced from P A to P B, for example, if the operating point is moved along the highly efficient PV curve C 1 as shown in FIG. 2, the FC net power is reduced. Since the output voltage of the fuel cell rises to near the theoretical electromotive voltage (open-end voltage), there is a concern about deterioration of the fuel cell. On the other hand, when the FC net power is reduced from P A to P B , it is conceivable to move the operating point along a low efficiency PV curve C 2 as shown in FIG. However, since the operation mode (low efficiency operation mode) at the operating point on the low efficiency PV curve C 2 has a large heat loss, the system efficiency may be lowered if the low efficiency operation mode continues for a long period of time.

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力制限要求がある燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化抑制と、システム効率の維持と、の双方を実現させることを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and has an object of realizing both suppression of deterioration of a fuel cell and maintenance of system efficiency in a fuel cell system having a fuel cell output restriction request. To do.

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、この燃料電池への反応ガスの供給流量を制御する流量制御手段と、を備え、第１の運転モードと、この第１の運転モードよりも低効率の第２の運転モードと、の間で運転切替を行う燃料電池システムであって、流量制御手段は、出力制限要求がない場合に、第１の運転モードにおいて燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように、反応ガスの供給流量を制御する一方、出力制限要求がある場合にのみ、燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に維持しながら第１の運転モードから第２の運転モードへの運転切替を行うように、反応ガスの供給流量を制御するものである。   In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power upon receiving a supply of a reaction gas, and a flow rate control unit that controls a supply flow rate of the reaction gas to the fuel cell. The fuel cell system performs operation switching between the first operation mode and the second operation mode having a lower efficiency than the first operation mode, and the flow rate control means has no output restriction request. In this case, in the first operation mode, the supply flow rate of the reaction gas is controlled so as to suppress the output voltage of the fuel cell to be equal to or lower than the high potential avoidance voltage. The supply flow rate of the reactive gas is controlled so that the operation is switched from the first operation mode to the second operation mode while maintaining the voltage below the high potential avoidance voltage.

かかる構成を採用すると、出力制限要求がない場合には、第１の運転モードにおいて燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように、反応ガスの供給流量を制御することができる。また、出力制限要求がある場合（例えば燃料電池から充電系統への電力供給に制限がかかる場合）には、運転切替の際に燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に維持するように、反応ガスの供給流量を制御することができる。従って、燃料電池の劣化を抑制することができる。さらに、出力制限要求がある場合にのみ、第１の運転モードから低効率の第２の運転モードへの運転切替を行うように、反応ガスの供給流量を制御することができるので、システム効率を維持することができる。すなわち、本発明によれば、燃料電池の出力制限要求がある燃料電池システムにおいて、反応ガスの供給流量の制御により、燃料電池の劣化抑制と、システム効率の維持と、の双方を実現させることが可能となる。   When such a configuration is adopted, when there is no output restriction request, the supply flow rate of the reaction gas can be controlled so that the output voltage of the fuel cell is suppressed to a high potential avoidance voltage or lower in the first operation mode. When there is an output restriction request (for example, when there is a restriction on power supply from the fuel cell to the charging system), the output voltage of the fuel cell is maintained below the high potential avoidance voltage at the time of operation switching. The supply flow rate of the reaction gas can be controlled. Therefore, deterioration of the fuel cell can be suppressed. Furthermore, since the reaction gas supply flow rate can be controlled so that the operation is switched from the first operation mode to the low-efficiency second operation mode only when there is an output restriction request, the system efficiency is improved. Can be maintained. That is, according to the present invention, in a fuel cell system that requires a fuel cell output restriction, both control of deterioration of the fuel cell and maintenance of system efficiency can be realized by controlling the supply flow rate of the reaction gas. It becomes possible.

本発明によれば、燃料電池の出力制限要求がある燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化抑制と、システム効率の維持と、の双方を実現させることが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to implement | achieve both deterioration suppression of a fuel cell, and maintenance of system efficiency in a fuel cell system with the output restriction request | requirement of a fuel cell.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。   Hereinafter, a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle will be described.

まず、図１〜図４を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。   First, the configuration of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６等を備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 according to the present embodiment includes a fuel cell 2 that generates electric power upon receiving supply of reaction gases (oxidizing gas and fuel gas), and air as oxidizing gas to the fuel cell 2. An oxidant gas piping system 3 to be supplied, a fuel gas piping system 4 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 2, a power system 5 for charging / discharging system power, a control device 6 for overall control of the entire system, etc. ing.

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータ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２は電力を発生する。なお、燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型等種々のタイプのものを採用することができる。   The fuel cell 2 is formed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The unit cell of the fuel cell 2 has a cathode electrode (air electrode) on one surface of an electrolyte made of an ion exchange membrane, an anode electrode (fuel electrode) on the other surface, and further has a cathode electrode and an anode electrode. A pair of separators are provided so as to be sandwiched from both sides. The fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell 2 generates electric power by this gas supply. In addition to the solid polymer electrolyte type, various types of fuel cells 2 such as a phosphoric acid type and a molten carbonate type can be adopted as the fuel cell 2.

酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。   The oxidizing gas piping system 3 includes an air compressor 31, an oxidizing gas supply path 32, a humidification module 33, a cathode offgas flow path 34, a diluter 35, a motor M <b> 1 that drives the air compressor 31, and the like.

エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給する。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池２の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード極側で生成されるポンピング水素等が含まれる。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。   The air compressor 31 is driven by the driving force of the motor M <b> 1 that operates according to the control command of the control device 6, and oxygen (oxidizing gas) taken from outside air through an air filter (not shown) is supplied to the cathode electrode of the fuel cell 2. Supply. The oxidizing gas supply path 32 is a gas flow path for guiding oxygen supplied from the air compressor 31 to the cathode electrode of the fuel cell 2. Cathode off-gas is discharged from the cathode electrode of the fuel cell 2. The cathode offgas includes oxygen offgas after being subjected to the cell reaction of the fuel cell 2 and pumping hydrogen generated on the cathode electrode side. This cathode off gas is in a highly moist state because it contains moisture generated by the cell reaction of the fuel cell 2.

加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、エア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲等）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流及び後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。   The humidification module 33 exchanges moisture between the low-humidity oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply path 32 and the high-humidity cathode offgas flowing through the cathode offgas flow path 34 and is supplied to the fuel cell 2. Appropriately humidify the oxidizing gas. The cathode off-gas channel 34 is a gas channel for exhausting the cathode off-gas outside the system, and an air pressure regulating valve A1 is disposed in the vicinity of the cathode electrode outlet of the gas channel. The back pressure of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 is regulated by the air pressure regulating valve A1. The diluter 35 dilutes the hydrogen gas discharge concentration so that it falls within a preset concentration range (such as a range determined based on environmental standards). The diluter 35 communicates with the downstream side of the cathode offgas channel 34 and the downstream side of the anode offgas channel 44 described later, and the hydrogen offgas and the oxygen offgas are mixed and diluted and exhausted outside the system.

燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。   The fuel gas piping system 4 drives a fuel gas supply source 41, a fuel gas supply path 42, a fuel gas circulation path 43, an anode off-gas flow path 44, a hydrogen circulation pump 45, a check valve 46, and a hydrogen circulation pump 45. It has a motor M2 and the like.

燃料ガス供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。   The fuel gas supply source 41 is means for supplying a fuel gas such as hydrogen gas to the fuel cell 2 and is constituted by, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage tank. The fuel gas supply path 42 is a gas flow path for guiding the fuel gas discharged from the fuel gas supply source 41 to the anode electrode of the fuel cell 2, and the gas flow path includes a tank valve H1, hydrogen gas from upstream to downstream. Valves such as a supply valve H2 and an FC inlet valve H3 are provided. The tank valve H1, the hydrogen supply valve H2, and the FC inlet valve H3 are shut valves for supplying (or shutting off) the fuel gas to the fuel cell 2, and are constituted by, for example, electromagnetic valves.

燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。   The fuel gas circulation path 43 is a return gas flow path for recirculating unreacted fuel gas to the fuel cell 2, and the gas flow path includes an FC outlet valve H4, a hydrogen circulation pump 45, and a check valve from upstream to downstream. 46 are respectively arranged. The low-pressure unreacted fuel gas discharged from the fuel cell 2 is moderately pressurized by the hydrogen circulation pump 45 driven by the driving force of the motor M <b> 2 that operates according to the control command of the control device 6, and is supplied to the fuel gas supply path 42. Led. The backflow of the fuel gas from the fuel gas supply path 42 to the fuel gas circulation path 43 is suppressed by the check valve 46. The anode off gas passage 44 is a gas passage for exhausting the anode off gas containing the hydrogen off gas discharged from the fuel cell 2 to the outside of the system, and a purge valve H5 is disposed in the gas passage.

電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。   The power system 5 includes a high voltage DC / DC converter 51, a battery 52, a traction inverter 53, an auxiliary inverter 54, a traction motor M3, an auxiliary motor M4, and the like.

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２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５３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。   The high-voltage DC / DC converter 51 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 52 and outputs it to the traction inverter 53 side, and the direct-current input from the fuel cell 2 or the traction motor M3. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 52. The charge / discharge of the battery 52 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 51. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DC / DC converter 51.

バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリ等）により構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリ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。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、バッテリ５２の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ５ａが取付けられている。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。   The battery 52 is a chargeable / dischargeable secondary battery, and is composed of various types of secondary batteries (for example, a nickel metal hydride battery). The battery 52 can be charged with surplus power or supplementarily supplied with power by control of a battery computer (not shown). Part of the direct-current power generated by the fuel cell 2 is stepped up and down by the high-voltage DC / DC converter 51 and charged in the battery 52. The battery 52 is provided with an SOC sensor 5a that detects a state of charge (SOC) of the battery 52. Instead of the battery 52, a chargeable / dischargeable capacitor (for example, a capacitor) other than the secondary battery may be employed.

トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータ（車両駆動用モータ）である。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。   The traction inverter 53 and the auxiliary inverter 54 are pulse width modulation type PWM inverters, and convert DC power output from the fuel cell 2 or the battery 52 into three-phase AC power in accordance with a given control command, thereby obtaining a traction motor. Supply to M3 and auxiliary motor M4. The traction motor M3 is a motor (vehicle driving motor) for driving the wheels 7L and 7R. The auxiliary motor M4 is a motor for driving various auxiliary machines, and is a generic term for the motor M1 that drives the air compressor 31, the motor M2 that drives the hydrogen circulation pump 45, and the like.

制御装置６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御装置６は、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ６ａやＳＯＣセンサ５ａ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する。そして、制御装置６は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。   The control device 6 includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like, and integrally controls each part of the system based on each sensor signal that is input. Specifically, the control device 6 calculates the required output power of the fuel cell 2 based on each sensor signal sent from the accelerator pedal sensor 6a, the SOC sensor 5a, and the like that detect the accelerator pedal opening. Then, the control device 6 controls the output voltage and output current of the fuel cell 2 so as to generate output power corresponding to the required output power. The control device 6 controls the traction motor M3 and the auxiliary motor M4 by controlling the output pulse widths of the traction inverter 53 and the auxiliary inverter 54, and the like.

本実施形態における制御装置６は、通常の（出力制限要求がない）条件下において、最高効率運転モードで燃料電池システム１の運転を行う。最高効率運転モードとは、システム効率（燃料電池システム１の系外に取り出された正味のエネルギを、燃料電池システム１に投入した水素エネルギで除した値）が最大となる運転モードを意味し、本発明における第１の運転モードの一実施形態に相当するものである。具体的には、制御装置６は、出力制限要求がない場合に、図２に示した最高効率ＰＶ曲線Ｃ1及び図３に示した最高効率ＩＶ曲線Ｄ1に沿って、燃料電池システム１の運転動作点を移動させる。 The control device 6 in the present embodiment operates the fuel cell system 1 in the maximum efficiency operation mode under normal conditions (no output restriction request). The maximum efficiency operation mode means an operation mode in which the system efficiency (the value obtained by dividing the net energy taken out of the fuel cell system 1 by the hydrogen energy input to the fuel cell system 1) is maximum, This corresponds to one embodiment of the first operation mode in the present invention. Specifically, when there is no output restriction request, the control device 6 follows the maximum efficiency PV curve C 1 shown in FIG. 2 and the maximum efficiency IV curve D 1 shown in FIG. Move the operating point.

ここで、ＰＶ曲線とは、ＦＣネットパワー（燃料電池２の発電電力から各種補機で消費される電力を減じた値）と燃料電池２の出力電圧との関係を表す曲線を意味し、ＩＶ曲線とは、燃料電池２の出力電流と出力電圧との関係を表す曲線を意味する。また、出力制限要求とは、ＦＣネットパワーを制限するための指令に係る情報を意味する。出力制限要求は、例えば、燃料電池車両の停車中にバッテリ５２のＳＯＣが所定の制御中心よりも低下して充電が必要になった場合（図４の矢印Ｅ）や、何らかの理由により高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に通過制限がかかった場合等に出力される。   Here, the PV curve means a curve representing the relationship between FC net power (a value obtained by subtracting the power consumed by various auxiliary machines from the generated power of the fuel cell 2) and the output voltage of the fuel cell 2, and IV The curve means a curve representing the relationship between the output current and output voltage of the fuel cell 2. The output restriction request means information related to a command for restricting FC net power. The output restriction request is, for example, when the SOC of the battery 52 is lower than a predetermined control center while the fuel cell vehicle is stopped (arrow E in FIG. 4) or for some reason high voltage DC / Output when the DC converter 51 is restricted in passage.

本実施形態における制御装置６は、このような最高効率運転モードで運転を行う際に、燃料電池２の出力電圧を、高電位回避電圧Ｖ１以下に抑制するように、反応ガスの供給流量を制御する。すなわち、制御装置６は、最高効率運転モードで運転を行う際に、エアコンプレッサ３１及びエア調圧弁Ａ１を制御してエアストイキ比を調整することにより、最高効率ＰＶ曲線Ｃ1及び最高効率ＩＶ曲線Ｄ1における高電位回避電圧Ｖ１以下の領域で動作点を移動させる。ここで、エアストイキ比とは、燃料電池２に投入したエア量を、燃料電池２の反応に必要な酸素量を含むエア量で除した値を意味する。 The control device 6 in the present embodiment controls the supply flow rate of the reaction gas so as to suppress the output voltage of the fuel cell 2 to the high potential avoidance voltage V1 or lower when operating in such a maximum efficiency operation mode. To do. That is, the control device 6, when performing the operation with the highest efficiency operation mode, by adjusting the air stoichiometric ratio by controlling the air compressor 31 and the air pressure regulating valve A1, the highest efficiency PV curves C 1 and maximum efficiency IV curve D The operating point is moved in a region where the high potential avoidance voltage V1 is 1 or less. Here, the air stoichiometric ratio means a value obtained by dividing the amount of air supplied to the fuel cell 2 by the amount of air including the amount of oxygen necessary for the reaction of the fuel cell 2.

また、本実施形態における制御装置６は、出力制限要求がある場合に、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧Ｖ１以下に維持しながら、最高効率運転モードから低効率運転モードへの運転切替を行うように、反応ガスの供給流量を制御する。低効率運転モードとは、システム効率が低い運転モードを意味し、本発明における第２の運転モードの一実施形態に相当するものである。具体的には、制御装置６は、出力制限要求がある場合に、エアコンプレッサ３１及びエア調圧弁Ａ１を制御してエアストイキ比を調整することにより、動作点Ａから、図２に示した低効率ＰＶ曲線Ｃ2上及び図３に示した低効率ＩＶ曲線Ｄ2上の動作点Ｂへと、運転動作点を移動させる。 Further, when there is an output restriction request, the control device 6 in the present embodiment switches the operation from the highest efficiency operation mode to the low efficiency operation mode while maintaining the output voltage of the fuel cell 2 below the high potential avoidance voltage V1. The supply flow rate of the reaction gas is controlled so that The low-efficiency operation mode means an operation mode with low system efficiency, and corresponds to an embodiment of the second operation mode in the present invention. Specifically, when there is an output restriction request, the control device 6 controls the air compressor 31 and the air pressure regulating valve A1 to adjust the air stoichiometric ratio, so that the low efficiency shown in FIG. The operation operating point is moved to the operating point B on the PV curve C 2 and on the low efficiency IV curve D 2 shown in FIG.

仮に、ＦＣネットパワーを図２に示したＰAからＰBまで低減させる際に、最高効率ＰＶ曲線Ｃ1及び最高効率ＩＶ曲線Ｄ1に沿って運転動作点を移動させると、図３に示すように、ＦＣネットパワーの低減に伴って燃料電池２の出力電圧が理論起電圧（開放端電圧）近くまで上昇してしまう（動作点Ｃ）ため、燃料電池２の劣化が懸念される。これに対し、本実施形態においては、出力制限要求を受けてＦＣネットパワーをＰAからＰBまで低減させる際に、図２の動作点Ａから動作点Ｂにいたる直線に沿って運転動作点を移動させるため、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧Ｖ１以下に抑制することができる。制御装置６は、本発明における流量制御手段の一実施形態に相当するものである。 If the FC net power is reduced from P A to P B shown in FIG. 2 and the operating point is moved along the maximum efficiency PV curve C 1 and the maximum efficiency IV curve D 1 , it is shown in FIG. As described above, since the output voltage of the fuel cell 2 rises to near the theoretical electromotive voltage (open end voltage) with the reduction of the FC net power (operation point C), there is a concern about the deterioration of the fuel cell 2. In contrast, in the present embodiment, the FC net power receiving output restriction request in reducing the P A to P B, the operation point along a straight line leading to the operating point B from the operating point A in FIG. 2 Therefore, the output voltage of the fuel cell 2 can be suppressed to the high potential avoidance voltage V1 or lower. The control device 6 corresponds to an embodiment of the flow rate control means in the present invention.

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、出力制限要求がない場合に、最高効率運転モードにおいて燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧Ｖ１以下に抑制するように、反応ガスの供給流量を制御することができる。また、出力制限要求がある場合には、運転切替の際に燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧Ｖ１以下に維持するように、反応ガスの供給流量を制御することができる。従って、燃料電池２の劣化を抑制することができる。さらに、出力制限要求がある場合にのみ、最高効率運転モードから低効率運転モードへの運転切替を行うように、反応ガスの供給流量を制御することができるので、システム効率を維持することができる。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、反応ガスの供給流量の制御により、燃料電池２の劣化抑制と、システム効率の維持と、の双方を実現させることが可能となる。   In the fuel cell system 1 according to the embodiment described above, the supply of the reaction gas is performed so that the output voltage of the fuel cell 2 is suppressed to the high potential avoidance voltage V1 or less in the maximum efficiency operation mode when there is no output restriction request. The flow rate can be controlled. Further, when there is an output restriction request, the supply flow rate of the reaction gas can be controlled so that the output voltage of the fuel cell 2 is maintained at the high potential avoidance voltage V1 or lower when the operation is switched. Therefore, deterioration of the fuel cell 2 can be suppressed. Furthermore, since the supply flow rate of the reaction gas can be controlled so that the operation switching from the maximum efficiency operation mode to the low efficiency operation mode is performed only when there is an output restriction request, the system efficiency can be maintained. . That is, in the fuel cell system 1 according to the present embodiment, it is possible to realize both suppression of deterioration of the fuel cell 2 and maintenance of system efficiency by controlling the supply flow rate of the reaction gas.

なお、以上の実施形態においては、エアコンプレッサ３１及びエア調圧弁Ａ１を制御してエアストイキ比を調整することにより、運転モード切替や運転動作点の移動を実現させた例を示したが、水素供給バルブＨ２やＦＣ入口バルブＨ３を制御して水素ストイキ比を調整することにより、運転モード切替や運転動作点の移動を実現させることもできる。   In the above embodiment, an example has been shown in which the air compressor 31 and the air pressure control valve A1 are controlled to adjust the air stoichiometric ratio, thereby switching the operation mode and moving the operation point. By controlling the valve H2 and the FC inlet valve H3 to adjust the hydrogen stoichiometric ratio, the operation mode can be switched and the operation point can be moved.

また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。   Moreover, in the above embodiment, although the example which mounted the fuel cell system which concerns on this invention in the fuel cell vehicle was shown, it concerns on this invention to various mobile bodies (a robot, a ship, an aircraft, etc.) other than a fuel cell vehicle. A fuel cell system can also be installed. Further, the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図１に示した燃料電池システムの最高効率ＰＶ曲線及び低効率ＰＶ曲線を示すマップである。It is a map which shows the highest efficiency PV curve and low efficiency PV curve of the fuel cell system shown in FIG. 図１に示した燃料電池システムの最高効率ＩＶ曲線及び低効率ＩＶ曲線を示すマップである。2 is a map showing a maximum efficiency IV curve and a low efficiency IV curve of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図１に示した燃料電池システムのバッテリＳＯＣとＦＣネットパワーとの関係を示すマップである。2 is a map showing a relationship between a battery SOC and FC net power of the fuel cell system shown in FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置（流量制御手段）、Ｃ1…最高効率ＰＶ曲線、Ｃ2…低効率ＰＶ曲線。 1 ... fuel cell system, 2 ... fuel cell, 6 ... control device (flow rate control means), C 1 ... maximum efficiency PV curve, C 2 ... low-efficiency PV curve.

Claims (1)

反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池への前記反応ガスの供給流量を制御する流量制御手段と、を備え、第１の運転モードと、前記第１の運転モードよりも低効率の第２の運転モードと、の間で運転切替を行う燃料電池システムであって、
前記流量制御手段は、出力制限要求がない場合に、前記第１の運転モードにおいて前記燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように、前記反応ガスの供給流量を制御する一方、出力制限要求がある場合にのみ、前記燃料電池の出力電圧を前記高電位回避電圧以下に維持しながら前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへの運転切替を行うように、前記反応ガスの供給流量を制御するものである、
燃料電池システム。 A fuel cell that generates power upon receiving the supply of a reaction gas; and a flow rate control unit that controls a supply flow rate of the reaction gas to the fuel cell. The first operation mode and the first operation mode Is a fuel cell system that switches operation between the low-efficiency second operation mode,
The flow rate control unit controls the supply flow rate of the reaction gas so as to suppress the output voltage of the fuel cell to a high potential avoidance voltage or less in the first operation mode when there is no output restriction request, Only when there is an output restriction request, the reaction is performed so as to switch the operation from the first operation mode to the second operation mode while maintaining the output voltage of the fuel cell below the high potential avoidance voltage. It controls the gas supply flow rate.
Fuel cell system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012253023A (en) * 2011-06-01 2012-12-20 Belenos Clean Power Holding Ag Method for managing operation of hybrid system
JP2013004387A (en) * 2011-06-20 2013-01-07 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system and vehicle incorporating the same
JP2015095306A (en) * 2013-11-11 2015-05-18 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system and fuel cell vehicle, control method of fuel cell system

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