JP4747496B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric power by supplying fuel gas and oxidant gas.

燃料電池システムは、燃料電池に燃料となる水素及び酸化剤となる空気を供給することで、燃料電池で電気化学反応を生じさせて発電電力を得る発電システムである。このような燃料電池システムは、クリーンな排気や高エネルギ効率を実現できることから、例えば車両用電源等の用途に大きな期待が寄せられている。   A fuel cell system is a power generation system in which hydrogen as a fuel and air as an oxidant are supplied to a fuel cell to cause an electrochemical reaction in the fuel cell to obtain generated power. Since such a fuel cell system can realize clean exhaust and high energy efficiency, there are great expectations for applications such as power sources for vehicles.

ところで、燃料電池システムを主電源として搭載する燃料電池車両では、通常、コンプレッサ等で大気を吸入、加圧して燃料電池に供給するようにしているが、例えば高地走行時等のように空気密度が低下した場合、所望の圧力、流量の反応ガス（酸化剤ガス）の供給が困難になり、燃料電池の発電電圧が不安定になったり、反応ガスの供給不足のまま発電電流を取り出すことで、燃料電池の性能の劣化を引き起こす等の問題がある。   By the way, in a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system as a main power source, the air is usually sucked and pressurized by a compressor or the like and supplied to the fuel cell. If it drops, it becomes difficult to supply the reaction gas (oxidant gas) at the desired pressure and flow rate, the power generation voltage of the fuel cell becomes unstable, or the generation current is taken out with insufficient supply of reaction gas, There are problems such as causing deterioration of the performance of the fuel cell.

そこで、高地走行時等のような空気密度低下時における燃料電池の制御技術として、例えば大気圧を検出して、要求発電電力に対して所望とする酸化剤ガス流量が得られるようにコンプレッサの回転数を補正し、燃料電池の発電を行うことが提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照。）。
特開２００２−３５２８２６号公報 特開２００２−３５２８３３号公報 Therefore, as a control technique of the fuel cell when the air density is lowered such as when traveling at high altitudes, the rotation of the compressor is detected so that, for example, the atmospheric pressure is detected and the desired oxidant gas flow rate is obtained with respect to the required generated power. It has been proposed to correct the number and generate power in the fuel cell (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
JP 2002-352826 A JP 2002-352833 A

以上の特許文献にも記載されるように、高地走行時等のように大気圧が低下して空気密度が低下した状況では、通常、コンプレッサの回転数を補正することで燃料電池に所望の流量の酸化剤ガスを供給できるようにし、要求される発電電力を実現するようにしている。したがって、このような状況の下では、コンプレッサ回転数の増加やコンプレッサ圧力比の増加によるコンプレッサトルクの増加を余儀なくされ、コンプレッサの仕事量は増加することとなり、その分、燃料電池の発電応答時間が長くなってしまうことになる。   As described in the above patent documents, in a situation where the atmospheric pressure has decreased and the air density has decreased, such as when traveling on high altitudes, the fuel cell normally has a desired flow rate by correcting the rotation speed of the compressor. The oxidant gas can be supplied to achieve the required generated power. Therefore, under such circumstances, the compressor torque increases due to the increase in the compressor speed and the increase in the compressor pressure ratio, and the amount of work of the compressor increases, and the power generation response time of the fuel cell is correspondingly increased. It will be long.

その一方で、例えば燃料電池車両における車両駆動用モータ等、燃料電池システムからの電力供給を受ける側の機器に関しては、燃料電池の発電応答時間を考慮した上でこれらの機器が最適な状態で動作するように制御されるが、通常は、１気圧時の燃料電池発電応答を基準とした制御が行われるので、気圧変化等、酸化剤ガスの状態が変化して燃料電池の発電応答時間に大きな変動が生じると、これらの機器の制御が高精度に行えなくなるといった問題が生じる。   On the other hand, for devices on the side receiving power supply from the fuel cell system, such as a vehicle drive motor in a fuel cell vehicle, these devices operate in an optimal state in consideration of the power generation response time of the fuel cell. However, since control based on the fuel cell power generation response at 1 atm is normally performed, the state of the oxidant gas changes, such as a change in atmospheric pressure, and the power generation response time of the fuel cell is large. When the fluctuation occurs, there arises a problem that these devices cannot be controlled with high accuracy.

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池に供給する酸化剤ガスの状態から燃料電池の発電応答時間を適切に推定し、これに基づいて各種機器の制御を高精度に行えるようにした燃料電池システムを提供することを目的としている。   The present invention has been proposed in view of the conventional situation as described above, and appropriately estimates the power generation response time of the fuel cell from the state of the oxidant gas supplied to the fuel cell, and various devices based on this. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can perform the above control with high accuracy.

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置の吸入酸化剤ガスのガス密度が低下しているほど、酸化剤ガス供給流量が増加するように酸化剤ガス供給流量の補正値を算出し、この補正後の酸化剤流量をもとに酸化剤ガス供給装置のモータのトルクを推定し、推定したトルクが所定値を超えないように、酸化剤ガス供給流量の変化量の制限値を算出し、この制限値に基づいて、酸化剤供給装置のモータの回転数を制御するようにした。 In the fuel cell system according to the present invention , the oxidant gas supply flow rate increases as the gas density of the sucked oxidant gas of the oxidant gas supply device for supplying the oxidant gas to the fuel cell decreases. Calculate the correction value of the gas supply flow rate, estimate the torque of the motor of the oxidant gas supply device based on the corrected oxidant flow rate, and supply the oxidant gas so that the estimated torque does not exceed the predetermined value A limit value for the change amount of the flow rate is calculated, and the number of revolutions of the motor of the oxidant supply device is controlled based on the limit value.

本発明に係る燃料電池システムによれば、酸化剤ガス供給装置が吸入する酸化剤ガスの状態が変化した場合でも、そのときの燃料電池の発電応答時間を正確に推定することができる。したがって、この燃料電池システムで推定された燃料電池の発電応答時間に基づいて、例えば車両駆動用モータ等の各種機器の動作制御を行うようにすれば、例えば高地等のように低気圧となる環境下で使用する場合でも、これら機器の動作制御を高精度に行うことが可能になる。   According to the fuel cell system of the present invention, even when the state of the oxidant gas sucked by the oxidant gas supply device changes, the power generation response time of the fuel cell at that time can be accurately estimated. Therefore, if operation control of various devices such as a vehicle drive motor is performed based on the power generation response time of the fuel cell estimated by this fuel cell system, the environment becomes a low atmospheric pressure such as a high altitude. Even when used below, it is possible to control the operation of these devices with high accuracy.

以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments of a fuel cell system to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの一例を示すシステム構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池１と、この燃料電池１に燃料ガスである水素を供給する燃料供給系、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系とを備え、燃料電池１の発電によって得られた電力を、燃料電池車両の駆動ユニット２に供給する構成となっている。 (First embodiment)
FIG. 1 is a system configuration diagram showing an example of a fuel cell system to which the present invention is applied. The fuel cell system includes a fuel cell 1, a fuel supply system that supplies hydrogen as a fuel gas to the fuel cell 1, and an air supply system that supplies air as an oxidant gas. The obtained electric power is configured to be supplied to the drive unit 2 of the fuel cell vehicle.

燃料電池１は、燃料ガスである水素が供給される燃料極と酸化剤ガスである空気が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。   In the fuel cell 1, a power generation cell in which a fuel electrode supplied with hydrogen as a fuel gas and an air electrode supplied with air as an oxidant gas are stacked with an electrolyte / electrode catalyst composite interposed therebetween are stacked in multiple stages. It has a structure and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction. At the fuel electrode of each power generation cell, hydrogen ions and electrons are dissociated when hydrogen is supplied, hydrogen ions pass through the electrolyte, electrons generate power through an external circuit, and move to the air electrode side. To do. In the air electrode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water, which is discharged to the outside.

燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。   As the electrolyte of the fuel cell 1, for example, a solid polymer electrolyte is used in consideration of high energy density, low cost, light weight, and the like. The solid polymer electrolyte is made of an ion (proton) conductive polymer film such as a fluororesin ion exchange membrane, and functions as an ion conductive electrolyte when saturated with water.

燃料電池１には、各発電セル、或いは発電セル群の電圧を検出するセル電圧検出装置３が接続されており、このセル電圧検出装置３の出力は、システムコントローラ１００に取り込まれるようになっている。システムコントローラ１００は、内蔵された制御ソフトウエアに基づいて、本発明を適用した燃料電池システム全体の動作を制御するものである。   The fuel cell 1 is connected to a cell voltage detection device 3 that detects the voltage of each power generation cell or power generation cell group, and the output of the cell voltage detection device 3 is taken into the system controller 100. Yes. The system controller 100 controls the operation of the entire fuel cell system to which the present invention is applied, based on built-in control software.

燃料供給系は、高圧水素タンク４、可変バルブ５、エゼクタ６、水素供給配管７、水素循環配管８からなる。そして、水素供給源である高圧水素タンク４から供給される水素ガスは、可変バルブ５及びエゼクタ６を通って水素供給配管７へと送り込まれ、加湿器９において加湿された後、燃料電池１の燃料極に供給される。加湿器９には、加湿用純水経路１０及び純水ポンプ１１が設けられており、純水の流量や温度等によって水素ガスの加湿量が制御される。   The fuel supply system includes a high-pressure hydrogen tank 4, a variable valve 5, an ejector 6, a hydrogen supply pipe 7, and a hydrogen circulation pipe 8. Then, the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank 4 that is a hydrogen supply source is sent to the hydrogen supply pipe 7 through the variable valve 5 and the ejector 6, and is humidified in the humidifier 9. Supplied to the fuel electrode. The humidifier 9 is provided with a humidifying pure water path 10 and a pure water pump 11, and the humidification amount of hydrogen gas is controlled by the flow rate, temperature, etc. of the pure water.

燃料電池１では供給された水素ガスは全て消費されるわけではなく、残った水素ガスは燃料電池１から排出された後、水素循環配管８を通ってエゼクタ６により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池１の燃料極に供給される。なお、燃料電池１の出口側には、パージ弁１２及びパージ配管１３が設けられている。水素循環配管８内には水素を循環させることで不純物や窒素等が蓄積され、これにより水素分圧が降下して燃料電池１の効率が低下する場合もある。そこで、燃料電池１の出口側にパージ弁１２やパージ配管１３を設けることで、水素循環配管８内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。   In the fuel cell 1, not all of the supplied hydrogen gas is consumed. After the remaining hydrogen gas is discharged from the fuel cell 1, it is circulated by the ejector 6 through the hydrogen circulation pipe 8 and newly supplied. It is mixed with hydrogen gas and supplied again to the fuel electrode of the fuel cell 1. A purge valve 12 and a purge pipe 13 are provided on the outlet side of the fuel cell 1. Impurities, nitrogen, and the like are accumulated by circulating hydrogen in the hydrogen circulation pipe 8, which may reduce the hydrogen partial pressure and reduce the efficiency of the fuel cell 1. Therefore, by providing a purge valve 12 and a purge pipe 13 on the outlet side of the fuel cell 1, impurities, nitrogen, and the like can be removed from the hydrogen circulation pipe 8.

また、燃料供給系においては、水素供給配管７の中途部に水素圧力センサ１４及び水素流量センサ１５が設けられており、燃料電池１の燃料極に供給される水素の圧力や流量がこれらのセンサにより検出できるようになっている。   In the fuel supply system, a hydrogen pressure sensor 14 and a hydrogen flow sensor 15 are provided in the middle of the hydrogen supply pipe 7, and the pressure and flow rate of hydrogen supplied to the fuel electrode of the fuel cell 1 are determined by these sensors. Can be detected.

空気供給系は、外気を吸入し圧縮して燃料電池１の空気極へと送り込むコンプレッサ１６、空気供給配管１７、及びスロットル１８によって構成されている。コンプレッサ１６によって供給される酸化剤としての空気は、水素ガスと同様、加湿器９を通って空気供給配管１７より燃料電池１の空気極に供給される。燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池１からスロットル１８を介して排出される。   The air supply system is configured by a compressor 16 that sucks in outside air, compresses it, and sends it to the air electrode of the fuel cell 1, an air supply pipe 17, and a throttle 18. The air as the oxidant supplied by the compressor 16 is supplied to the air electrode of the fuel cell 1 from the air supply pipe 17 through the humidifier 9 like the hydrogen gas. Oxygen not consumed in the fuel cell 1 and other components in the air are discharged from the fuel cell 1 through the throttle 18.

この空気供給系においても、空気供給配管１７の中途部に空気圧力センサ１９及び空気流量センサ２０が設けられており、燃料電池１に供給される空気の圧力や流量がこれらのセンサによって検出できるようになっている。また、コンプレッサ１６の前段（空気吸入側）には、吸入空気圧力センサ２１及び吸入空気温度センサ２２が設けられており、コンプレッサ１６により吸入される空気の圧力や温度がこれらのセンサによって検出できるようになっている。   Also in this air supply system, an air pressure sensor 19 and an air flow rate sensor 20 are provided in the middle of the air supply pipe 17 so that the pressure and flow rate of air supplied to the fuel cell 1 can be detected by these sensors. It has become. Further, an intake air pressure sensor 21 and an intake air temperature sensor 22 are provided in the front stage (air intake side) of the compressor 16 so that the pressure and temperature of the air taken in by the compressor 16 can be detected by these sensors. It has become.

以上のように構成される燃料電池システムにおいては、空気圧力センサ１９や空気流量センサ２０、水素圧力センサ１４や水素流量センサ１５、セル電圧検出装置３の検出値が、それぞれシステムコントローラ１００によって常時モニタリングされる。そして、システムコントローラ１００は、これらの検出値が、そのときの目標発電量から決まる所定の目標値になるように、コンプレッサ１６やスロットル１８、可変バルブ５等を制御する。同時に、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて、駆動ユニット２による燃料電池１からの電力取り出しを制御する。   In the fuel cell system configured as described above, the detection values of the air pressure sensor 19, the air flow sensor 20, the hydrogen pressure sensor 14, the hydrogen flow sensor 15, and the cell voltage detection device 3 are constantly monitored by the system controller 100. Is done. Then, the system controller 100 controls the compressor 16, the throttle 18, the variable valve 5 and the like so that these detected values become predetermined target values determined from the target power generation amount at that time. At the same time, the power extraction from the fuel cell 1 by the drive unit 2 is controlled according to the pressure and flow rate actually realized with respect to the target value.

また、特に、本実施形態の燃料電池システムにおいては、システムコントローラ１００が吸入空気圧力センサ２１や吸入空気温度センサ２２の検出値も常時モニタリングしており、これらの検出値からコンプレッサ１６が吸入する空気の状態（例えば空気密度）を判定し、吸入空気の状態に基づき燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしている。そして、推定した燃料電池１の発電応答時間に応じて、駆動ユニット２の電力取り出し制御を行うようにしている。   In particular, in the fuel cell system of this embodiment, the system controller 100 constantly monitors the detected values of the intake air pressure sensor 21 and the intake air temperature sensor 22, and the air that the compressor 16 draws from these detected values. (For example, air density) is determined, and the power generation response time of the fuel cell 1 is estimated based on the state of the intake air. Then, power extraction control of the drive unit 2 is performed according to the estimated power generation response time of the fuel cell 1.

以下、本実施形態の燃料電池システムにおけるシステムコントローラ１００による制御の詳細について、本実施形態に特徴的な燃料電池１の発電応答時間を推定する処理を中心に具体的な例を挙げながら説明する。   Hereinafter, details of the control by the system controller 100 in the fuel cell system of the present embodiment will be described with a specific example centered on the process of estimating the power generation response time of the fuel cell 1 characteristic of the present embodiment.

図２は、システムコントローラ１００における発電応答時間推定に関する機能を概略的に示す機能ブロック図である。この図２に示すように、システムコントローラ１００は、空気供給流量基本値算出手段１０１、空気供給流量補正値算出手段１０２、モータ回転数制御手段１０３、燃料電池発電応答時間推定手段１０４としての機能を有する。   FIG. 2 is a functional block diagram schematically showing functions related to power generation response time estimation in the system controller 100. As shown in FIG. 2, the system controller 100 functions as an air supply flow rate basic value calculation means 101, an air supply flow rate correction value calculation means 102, a motor rotation speed control means 103, and a fuel cell power generation response time estimation means 104. Have.

空気供給流量基本値算出手段１０１は、燃料電池１に要求される目標発電量と、空気圧力センサ１９及び空気流量センサ２０の検出値とに基づいて、コンプレッサ１６に要求される空気供給流量の基本値を算出する。   The air supply flow rate basic value calculation means 101 is based on the target power generation amount required for the fuel cell 1 and the detected values of the air pressure sensor 19 and the air flow rate sensor 20, and the basic air supply flow rate required for the compressor 16. Calculate the value.

空気供給流量補正値算出手段１０２は、コンプレッサ１６が吸入する外気の状態に基づいて、空気供給流量基本値算出手段１０１が算出した空気供給流量の基本値に対する補正値を算出する。具体的には、空気供給流量補正値算出手段１０２は、吸入空気圧力センサ２１の検出値と吸入空気温度センサ２２の検出値とに基づいて、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度を推定し、例えば大気圧の低下によって外気の空気密度が低下している状況下では、空気流量の増加によって必要な酸素量が補えるように、推定した外気の空気密度に応じて、コンプレッサ１６に要求する空気供給流量の補正値を算出する。   The air supply flow rate correction value calculation unit 102 calculates a correction value for the basic value of the air supply flow rate calculated by the air supply flow rate basic value calculation unit 101 based on the state of the outside air sucked by the compressor 16. Specifically, the air supply flow rate correction value calculating means 102 estimates the air density of the outside air sucked by the compressor 16 based on the detection value of the intake air pressure sensor 21 and the detection value of the intake air temperature sensor 22. For example, in a situation where the air density of the outside air is reduced due to a decrease in the atmospheric pressure, the air supply required for the compressor 16 according to the estimated air density of the outside air so that the necessary oxygen amount can be compensated for by increasing the air flow rate. Calculate the flow correction value.

モータ回転数制御手段１０３は、空気供給流量補正値算出手段１０２で算出した補正値で補正した空気流量が燃料電池１に供給されるように、コンプレッサ１６のモータ（以下、コンプレッサモータという。）に対して回転数指令値を出力し、コンプレッサモータの回転数を制御する。   The motor speed control means 103 is supplied to the motor of the compressor 16 (hereinafter referred to as a compressor motor) so that the air flow rate corrected by the correction value calculated by the air supply flow rate correction value calculation means 102 is supplied to the fuel cell 1. On the other hand, a rotational speed command value is output to control the rotational speed of the compressor motor.

燃料電池発電応答時間推定手段１０４は、モータ回転数制御手段１０３からコンプレッサモータに出力される回転数指令値、すなわちコンプレッサ１６が吸入する外気の状態に応じて補正された空気供給流量を実現するためのコンプレッサモータの回転数指令値に基づいて、燃料電池１の発電応答時間を推定する。本実施形態の燃料電池システムにおいては、この燃料電池発電応答時間推定手段１０４により推定される燃料電池１の発電応答時間に応じて、駆動ユニット２の動作制御が実行されることになる。   The fuel cell power generation response time estimating means 104 realizes an air supply flow rate corrected in accordance with the rotational speed command value output from the motor rotational speed control means 103 to the compressor motor, that is, the state of the outside air sucked by the compressor 16. The power generation response time of the fuel cell 1 is estimated based on the rotation speed command value of the compressor motor. In the fuel cell system of this embodiment, the operation control of the drive unit 2 is executed according to the power generation response time of the fuel cell 1 estimated by the fuel cell power generation response time estimation means 104.

本実施形態の燃料電池システムにおいては、コンプレッサ１６が吸入する外気の状態、例えば外気の空気密度が低下している状況下では、燃料電池１で必要とされる酸素量を確保するために、コンプレッサモータの回転数を上昇させて空気供給流量を増加させるようにしている。このため、外気の空気密度が低下している状況下では、このコンプレッサ１６の仕事量が増加する分、燃料電池１の発電応答時間に遅れが生じることになる。このとき、燃料電池１の発電応答時間の遅れを無視して燃料電池１からの電力取り出しを実施しようとすると、燃料電池１から取り出す電力がその時点での発電可能な電力で制限されて、駆動ユニット２の安定的な制御の妨げとなる。   In the fuel cell system of the present embodiment, in order to ensure the amount of oxygen required in the fuel cell 1 in the state of the outside air sucked by the compressor 16, for example, in the situation where the air density of the outside air is reduced, The air supply flow rate is increased by increasing the rotational speed of the motor. For this reason, under the situation where the air density of the outside air is reduced, the power generation response time of the fuel cell 1 is delayed by the increase in the work amount of the compressor 16. At this time, if it is attempted to take out the power from the fuel cell 1 while ignoring the delay in the power generation response time of the fuel cell 1, the power taken out from the fuel cell 1 is limited by the power that can be generated at that time and driven. This hinders stable control of the unit 2.

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池発電応答時間推定手段１０４でその時点での燃料電池１の発電応答時間を推定し、それに応じて駆動ユニット２による燃料電池１からの電力取り出しを制御することで、以上のような問題を回避するようにしている。   Therefore, in the fuel cell system of this embodiment, the fuel cell power generation response time estimation means 104 estimates the power generation response time of the fuel cell 1 at that time, and the drive unit 2 takes out the power from the fuel cell 1 accordingly. By controlling, the above problems are avoided.

図３は、以上のようなシステムコントローラ１００により所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に実行される制御フローの一例を示すフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart showing an example of a control flow executed every predetermined time (for example, 10 msec) by the system controller 100 as described above.

本制御フローがスタートすると、システムコントローラ１００は、先ず、ステップＳ１において、吸入空気圧力センサ２１の検出値及び吸入空気温度センサ２２の検出値を取り込んで、これらの検出値に基づき、コンプレッサ１６が吸入する外気の状態（空気密度）を推定する。   When this control flow starts, the system controller 100 first takes in the detected value of the intake air pressure sensor 21 and the detected value of the intake air temperature sensor 22 in step S1, and the compressor 16 draws in the suction based on these detected values. The state of the outside air (air density) is estimated.

ここで、外気の標準状態（０℃、１０１．３２５ｋＰａ）における空気密度は１．２９３［ｇ／Ｌ］であるので、吸入空気圧力センサ２１により検出される外気の圧力（大気圧）をＰ１［ｋＰａ］、吸入空気温度センサ２２により検出される外気温度をＴＣＭＰ＿ＩＮ１［ｄｅｇＣ］とすると、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度σ１［ｇ／Ｌ］は、下記式（１）により算出できる。 Here, since the air density in the standard state (0 ° C., 101.325 kPa) of the outside air is 1.293 [g / L], the pressure (atmospheric pressure) of the outside air detected by the intake air pressure sensor 21 is P 1. [KPa], where the outside air temperature detected by the intake air temperature sensor 22 is TCMP_IN1 [degC], the air density σ 1 [g / L] of the outside air sucked by the compressor 16 can be calculated by the following equation (1). .

σ１＝（１．２９３／（１＋０．００３６７×ＴＣＭＰ＿ＩＮ））×Ｐ１／１０１．３２５［ｇ／Ｌ］ ・・・（１）
次に、ステップＳ２において、空気圧力センサ１９の検出値及び空気流量センサ２０の検出値を取り込み、これらの検出値と燃料電池１に要求される目標発電量とから、コンプレッサ１６に要求される空気供給流量の基本値を算出する（空気供給流量基本値算出手段１０１）。 σ 1 = (1.293 / (1 + 0.00367 × TCMP_IN )) × P 1 /101.325 [g / L] (1)
Next, in step S2, the detection value of the air pressure sensor 19 and the detection value of the air flow sensor 20 are taken in, and the air required for the compressor 16 is obtained from these detection values and the target power generation amount required for the fuel cell 1. A basic value of the supply flow rate is calculated (air supply flow rate basic value calculation means 101).

具体的には、例えば、標準状態時において燃料電池１で所望の発電電力を得るために燃料電池１に対して供給する必要のある空気流量を予め実験等によって求め、燃料電池１の発電量と空気供給流量との関係を求めておく。そして、実際に駆動ユニット２で要求している電力（例えば、車両駆動用モータや補機類、２次バッテリ等で要求する電力）を燃料電池１の目標発電量とし、予め求めておいた燃料電池１の発電量と空気供給流量との関係から、標準状態時において燃料電池１の目標発電量を実現するために要求される空気供給流量を求め、これをコンプレッサ１６に要求される空気供給流量の基本値Ｑ０［Ｌ／ｍｉｎ］とする。 Specifically, for example, in order to obtain a desired generated power in the fuel cell 1 in the standard state, an air flow rate that needs to be supplied to the fuel cell 1 is obtained in advance by experiments or the like. Find the relationship with the air supply flow rate. Then, the electric power actually requested by the drive unit 2 (for example, electric power requested by the vehicle drive motor, auxiliary machinery, secondary battery, etc.) is set as the target power generation amount of the fuel cell 1, and the fuel obtained in advance. From the relationship between the power generation amount of the battery 1 and the air supply flow rate, the air supply flow rate required for realizing the target power generation amount of the fuel cell 1 in the standard state is obtained, and this is obtained as the air supply flow rate required for the compressor 16. The basic value of Q 0 is [L / min].

次に、ステップＳ３において、ステップＳ１で推定した外気の空気密度に基づいて、ステップＳ２で算出した空気供給流量の基本値に対する補正値を算出する（空気供給流量補正値算出手段１０２）。   Next, in step S3, a correction value for the basic value of the air supply flow rate calculated in step S2 is calculated based on the outside air density estimated in step S1 (air supply flow rate correction value calculation means 102).

ここで、ステップＳ３で算出した補正値で補正した空気供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］は、ステップＳ１で検出した大気圧Ｐ１［ｋＰａ］及び外気温度ＴＣＭＰ＿ＩＮ１［ｄｅｇＣ］と、ステップＳ２で算出した空気供給流量の基本値Ｑ０［Ｌ／ｍｉｎ］とから、下記式（２）により算出できる。 Here, the air supply flow rate Q 1 [L / min] corrected with the correction value calculated in step S3 is the atmospheric pressure P 1 [kPa] and the outside air temperature T CMP_IN1 [degC] detected in step S1, and in step S2. From the calculated basic value Q 0 [L / min] of the air supply flow rate, it can be calculated by the following equation (2).

Ｑ１＝Ｑ０×（１０１．３２５／Ｐ１）×（（ＴＣＭＰ＿ＩＮ１＋２７３．１５）／２７３．１５）［Ｌ／ｍｉｎ］ ・・・（２）
次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で算出した補正値で補正された空気流量が燃料電池１に供給されるように、コンプレッサモータに対して回転数指令値を出力してコンプレッサモータの回転数を制御する（モータ回転数制御手段１０３）。 Q 1 = Q 0 × (101.325 / P 1 ) × (( TCMP_IN1 +273.15) /273.15) [L / min] (2)
Next, in step S4, the rotational speed command value is output to the compressor motor so that the air flow rate corrected by the correction value calculated in step S3 is supplied to the fuel cell 1, and the rotational speed of the compressor motor is set. Control (motor speed control means 103).

具体的には、例えば、予め実験等によってコンプレッサモータの回転数とコンプレッサ１６から燃料電池１に供給される空気流量との関係を求めておき、このコンプレッサ回転数と空気供給流量との関係から、ステップＳ３で算出した補正値で補正された空気供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］を実現するためのコンプレッサモータの回転数指令値ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］を算出する。そして、この回転数指令値ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］をコンプレッサモータに出力して、コンプレッサモータの回転数を制御する。 Specifically, for example, a relationship between the rotation speed of the compressor motor and the air flow rate supplied from the compressor 16 to the fuel cell 1 is obtained in advance by experiments or the like, and from the relationship between the compressor rotation speed and the air supply flow rate, A compressor motor rotation speed command value N CMP1 [rpm] for realizing the air supply flow rate Q 1 [L / min] corrected with the correction value calculated in step S3 is calculated. Then, this rotational speed command value N CMP1 [rpm] is output to the compressor motor to control the rotational speed of the compressor motor.

次に、ステップＳ５において、コンプレッサモータに出力した回転数指令値、すなわちコンプレッサ１６が吸入する外気の状態に応じて補正された空気供給流量を実現するためのコンプレッサモータの回転数指令値に基づいて、燃料電池１の発電応答時間を推定する（燃料電池発電応答時間推定手段）。そして、推定した燃料電池１の発電応答時間に応じて、駆動ユニット２の動作制御を実行する。   Next, in step S5, based on the rotational speed command value output to the compressor motor, that is, based on the rotational speed command value of the compressor motor for realizing the air supply flow rate corrected according to the state of the outside air sucked by the compressor 16. The power generation response time of the fuel cell 1 is estimated (fuel cell power generation response time estimation means). Then, the operation control of the drive unit 2 is executed according to the estimated power generation response time of the fuel cell 1.

ここで、ステップＳ５における燃料電池１の発電応答時間の推定方法について、図４を用いて説明する。   Here, a method for estimating the power generation response time of the fuel cell 1 in step S5 will be described with reference to FIG.

図４（ａ）は、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度と、燃料電池１の目標発電量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数との関係を示すものである。この図４（ａ）に示すように、外気の空気密度が低下するに従って、燃料電池１の目標発電量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数が増加することになり、外気の空気密度がσ１［ｇ／Ｌ］の場合には、燃料電池１に供給する空気流量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数はＮＣＭＰ＿ＩＮ１［ｒｐｍ］となる。なお、図中のσ０［ｇ／Ｌ］は標準状態時における外気の気圧密度を示し、ＮＣＭＰ＿ＩＮ０［ｒｐｍ］は標準状態時に燃料電池１に供給する空気流量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数である。 FIG. 4A shows the relationship between the air density of the outside air taken in by the compressor 16 and the target rotational speed of the compressor motor for realizing the target power generation amount of the fuel cell 1. As shown in FIG. 4A, as the air density of the outside air decreases, the target rotational speed of the compressor motor for realizing the target power generation amount of the fuel cell 1 increases, and the air density of the outside air is reduced. In the case of σ 1 [g / L], the target rotational speed of the compressor motor for realizing the air flow rate supplied to the fuel cell 1 is N CMP —IN1 [rpm]. In the figure, σ 0 [g / L] represents the atmospheric pressure density of the outside air in the standard state, and N CMP —IN0 [rpm] represents the target of the compressor motor for realizing the air flow rate supplied to the fuel cell 1 in the standard state. The number of revolutions.

図４（ｂ）は、コンプレッサモータの回転数と燃料電池１の実発電量との関係を、外気の空気密度が標準状態（σ＝σ０［ｇ／Ｌ］）のときと、空気密度が低下（σ＝σ１［ｇ／Ｌ］）しているときとで対比しながら示したものである。この図４（ｂ）から、燃料電池１に対する発電電力指令値の変化量が一定であるとすると、コンプレッサモータに対する回転数指令値の変化量も一定であるので、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度低下に伴ってコンプレッサモータの目標回転数到達時間がΔｔσ１分だけ遅れると、燃料電池１の発電電力応答時間（燃料電池１の実発電量が目標発電電力ＧＴａｒｇｅｔに到達するまでの応答時間）も、外気が標準状態のときの発電応答時間ｔ０に対してΔｔσ１に相当する分だけ遅れが生じ、外気の空気密度がσ１［ｇ／Ｌ］のときでは、燃料電池１の発電応答時間がｔ１［ｓｅｃ］となることが分かる。 FIG. 4B shows the relationship between the rotational speed of the compressor motor and the actual power generation amount of the fuel cell 1 when the outside air density is in a standard state (σ = σ 0 [g / L]) and the air density is This is shown in comparison with the case of a decrease (σ = σ 1 [g / L]). 4B, if the amount of change in the generated power command value for the fuel cell 1 is constant, the amount of change in the rotational speed command value for the compressor motor is also constant. When the target rotational speed arrival time of the compressor motor is delayed by Δt σ1 as the density decreases, the generated power response time of the fuel cell 1 (response time until the actual power generation amount of the fuel cell 1 reaches the target generated power G Target) ) Is delayed by an amount corresponding to Δt σ1 with respect to the power generation response time t 0 when the outside air is in a standard state, and when the air density of the outside air is σ 1 [g / L], the power generation of the fuel cell 1 It can be seen that the response time is t 1 [sec].

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ１６が吸入する外気の状態、具体的には外気の空気密度に基づいて、コンプレッサ１６に要求される空気供給流量の補正値を算出し、この補正値で補正した空気供給流量を実現するためのコンプレッサモータへの回転数指令値に基づいて燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしているので、例えば当該燃料電池システムを搭載した燃料電池車両が高地を走行している場合のように、外気の状態が標準状態から変化したときでも、燃料電池１の発電応答時間を正確に推定することができる。そして、この推定した燃料電池１の発電応答時間に応じて駆動ユニット２の動作制御を実行することで、駆動ユニット２の動作制御が不安定になることを有効に抑制して、高精度な動作制御を実現することができる。   As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the correction value of the air supply flow rate required for the compressor 16 is calculated based on the state of the outside air sucked by the compressor 16, specifically, the air density of the outside air. Since the power generation response time of the fuel cell 1 is estimated based on the rotation speed command value to the compressor motor for realizing the air supply flow rate corrected with this correction value, for example, the fuel cell system is mounted. The power generation response time of the fuel cell 1 can be accurately estimated even when the state of the outside air changes from the standard state, as in the case where the fuel cell vehicle is running on a high altitude. Then, by executing the operation control of the drive unit 2 according to the estimated power generation response time of the fuel cell 1, it is possible to effectively suppress the operation control of the drive unit 2 from becoming unstable, and to operate with high accuracy. Control can be realized.

なお、以上の説明では、外気の空気密度に応じて補正した空気供給流量からコンプレッサモータへの回転数指令値を求め、この回転数指令値に基づいて燃料電池１の発電応答時間を推定する場合を例に挙げたが、その他、外気の空気密度低下時にはコンプレッサモータのトルクが増加することになるので、このコンプレッサモータのトルクから燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしてもよい。   In the above description, the rotation speed command value to the compressor motor is obtained from the air supply flow rate corrected according to the air density of the outside air, and the power generation response time of the fuel cell 1 is estimated based on this rotation speed command value. In addition, since the torque of the compressor motor increases when the air density of the outside air decreases, the power generation response time of the fuel cell 1 may be estimated from the torque of the compressor motor.

また、以上の説明では、コンプレッサ１６が吸入する外気の状態として、外気の空気密度を算出し、これに応じたコンプレッサモータへの回転数指令値に基づいて燃料電池１の発電応答時間を推定する手法について例示したが、燃料電池１の発電応答時間を推定する基準となる外気の状態としては、空気密度を大気圧で代用することも可能である。   Further, in the above description, the air density of the outside air is calculated as the state of the outside air sucked by the compressor 16, and the power generation response time of the fuel cell 1 is estimated based on the rotation speed command value to the compressor motor according to this. Although the method has been exemplified, the air density can be substituted with the atmospheric pressure as the state of the outside air serving as a reference for estimating the power generation response time of the fuel cell 1.

すなわち、燃料電池１の目標発電量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数と大気圧との関係は、図５に示すように、外気の空気密度とコンプレッサモータの目標回転数との関係（図４（ａ）参照。）と同様の関係になるので、コンプレッサ１６が吸入する外気の状態として大気圧を検出し、検出した大気圧に応じて補正した空気供給流量を確保するためのコンプレッサモータへの回転数指令値を求め、この回転数指令値に基づいて燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしても、燃料電池１の発電応答時間をある程度の正確さをもって推定することが可能である。   That is, the relationship between the target rotational speed of the compressor motor and the atmospheric pressure for realizing the target power generation amount of the fuel cell 1 is the relationship between the air density of the outside air and the target rotational speed of the compressor motor (see FIG. 5). 4 (a).), The compressor motor detects the atmospheric pressure as the state of the outside air sucked by the compressor 16 and secures the air supply flow rate corrected according to the detected atmospheric pressure. The power generation response time of the fuel cell 1 can be estimated with a certain degree of accuracy even if the rotation speed command value for the fuel cell 1 is obtained and the power generation response time of the fuel cell 1 is estimated based on the rotation speed command value. It is.

また、同様に、燃料電池１の発電応答時間を推定する基準となる外気の状態としては、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度を外気温度で代用することも可能である。   Similarly, as the condition of the outside air serving as a reference for estimating the power generation response time of the fuel cell 1, the air density of the outside air sucked by the compressor 16 can be substituted by the outside air temperature.

すなわち、燃料電池１の目標発電量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数と外気温度との関係は、図６に示すように、外気の空気密度とコンプレッサモータの目標回転数との関係（図４（ａ）参照。）と同様の関係になるので、コンプレッサ１６が吸入する外気の状態として外気温度を検出し、検出した外気温度に応じて補正した空気供給流量を確保するためのコンプレッサモータへの回転数指令値を求め、この回転数指令値に基づいて燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしても、燃料電池１の発電応答時間をある程度の正確さをもって推定することが可能である。   That is, the relationship between the target rotational speed of the compressor motor and the outside air temperature for realizing the target power generation amount of the fuel cell 1 is the relationship between the air density of the outside air and the target rotational speed of the compressor motor (see FIG. 6). 4 (a).), The compressor motor detects the outside air temperature as the state of the outside air sucked by the compressor 16 and secures the air supply flow rate corrected according to the detected outside air temperature. The power generation response time of the fuel cell 1 can be estimated with a certain degree of accuracy even if the rotation speed command value for the fuel cell 1 is obtained and the power generation response time of the fuel cell 1 is estimated based on the rotation speed command value. It is.

（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１の実施形態と同様の構成を有し、システムコントローラ１００が燃料電池１の発電応答時間を推定する手法も基本的には第１の実施形態と同様であるが、コンプレッサモータに過剰なトルク要求を行った場合に懸念される故障等の問題を回避できるように、空気供給流量を補正する場合における流量変化量に制限を設けるようにした点に特徴を有するものである。 (Second Embodiment)
Next, a fuel cell system according to a second embodiment to which the present invention is applied will be described. The fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment described above, and the method in which the system controller 100 estimates the power generation response time of the fuel cell 1 is basically the same as that of the first embodiment. In the same way, however, a restriction is placed on the amount of change in the flow rate when correcting the air supply flow rate so as to avoid problems such as failure that may be a concern when an excessive torque request is made to the compressor motor. It has characteristics.

すなわち、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度が低下したときには、その密度低下分を補うためにコンプレッサモータの回転数増加により空気供給流量を増加させるようにしているが、コンプレッサモータの回転数が増加するとそれに伴いコンプレッサモータのトルクも増加することになる。また、大気圧低下時には、コンプレッサ１６が必要な圧力比を確保するために、コンプレッサモータに要求されるトルクが増加することになる。このようなコンプレッサモータのトルク増加は、ある程度の増加分は特に問題とはならないが、過剰に増加するようなトルク要求を行ってしまうと、コンプレッサモータに故障等を生じさせる要因となる。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサモータに過剰なトルク要求を行わない範囲で所望の空気供給流量が得られるように、空気供給流量を補正する場合における流量変化量に制限を設けるようにしている。   That is, when the air density of the outside air sucked by the compressor 16 decreases, the air supply flow rate is increased by increasing the rotation speed of the compressor motor in order to compensate for the decrease in density, but the rotation speed of the compressor motor increases. As a result, the torque of the compressor motor also increases. Further, when the atmospheric pressure decreases, the torque required for the compressor motor increases in order to ensure the pressure ratio required by the compressor 16. Such an increase in the torque of the compressor motor is not particularly problematic, but if an excessive torque request is made, it will cause a failure of the compressor motor. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, a restriction is placed on the amount of change in the flow rate when the air supply flow rate is corrected so that a desired air supply flow rate can be obtained within a range where excessive torque is not required for the compressor motor. I have to.

以下、上述した第１の実施形態と同様の内容については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容についてのみ、具体的な例を挙げて説明する。   Hereinafter, the description similar to that of the above-described first embodiment will be omitted, and only the processing contents of the system controller 100 characteristic of the present embodiment will be described with specific examples.

図７は、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容を示すフローチャートであり、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ４の処理のサブルーチンに相当するものである。   FIG. 7 is a flowchart showing the processing contents of the system controller 100 that are characteristic of the present embodiment, and corresponds to a subroutine of step S4 in the main flowchart shown in FIG.

本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００は、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ３で空気供給流量の基本値に対する補正値を算出すると、次に、ステップＳ１１において、この補正値で補正された空気供給流量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数に基づき、コンプレッサモータのトルクを推定する。   In the fuel cell system according to the present embodiment, the system controller 100 calculates a correction value for the basic value of the air supply flow rate in step S3 in the main flowchart shown in FIG. The torque of the compressor motor is estimated based on the target rotation speed of the compressor motor for realizing the corrected air supply flow rate.

具体的には、先ず、コンプレッサ１６が吸入する外気の圧力（大気圧）がＰ１［ｋＰａ］、外気温度がＴＣＭＰ＿ＩＮ１［ｄｅｇＣ］（空気密度σ１［ｇ／Ｌ］）で、燃料電池１により目標発電電力ＧＴａｒｇｅｔ［ｋＷ］を発電する場合において、燃料電池１の目標発電電力ＧＴａｒｇｅｔ［ｋＷ］に応じたコンプレッサ１６の目標吐出圧力ＰＣＭＰＯＵＴ＿Ｔａｒｇｅｔ［ｋＰａ］から求まるコンプレッサ１６の圧力比（＝ＰＣＭＰＯＵＴ＿Ｔａｒｇｅｔ／Ｐ１）と、外気が標準状態の場合にコンプレッサ１６に要求される空気供給流量の基本値とに基づき、コンプレッサモータのトルク定常分を算出する。また、ステップＳ３で算出した補正値で補正された空気流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］を実現するためのコンプレッサモータの回転数指令値ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］を算出し、この回転数指令値ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］から求まるコンプレッサモータの目標角速度と、コンプレッサモータの慣性モーメントとに基づいて、コンプレッサモータのトルク過渡分を算出する。そして、これらコンプレッサモータのトルク定常分とトルク過渡分とを加算して、コンプレッサモータのトルク推定値を算出する。 Specifically, first, the pressure (atmospheric pressure) of the outside air sucked by the compressor 16 is P 1 [kPa], the outside air temperature is TCMP_IN1 [degC] (air density σ 1 [g / L]), and the fuel cell 1 in the case of generating the target generated power G target [kW], the pressure ratio of the compressor 16 determined from the target discharge pressure P CMPOUT_Target [kPa] of the target generated power G target compressor 16 in accordance with the [kW] of the fuel cell 1 (= P CMPOUT_Target / P 1 ) and the basic value of the air supply flow rate required for the compressor 16 when the outside air is in a standard state, the steady torque of the compressor motor is calculated. Further, a rotation speed command value N CMP1 [rpm] of the compressor motor for realizing the air flow rate Q 1 [L / min] corrected with the correction value calculated in step S3 is calculated, and this rotation speed command value N CMP1 is calculated. Based on the target angular velocity of the compressor motor obtained from [rpm] and the inertia moment of the compressor motor, the torque transient of the compressor motor is calculated. Then, the torque steady value of the compressor motor and the torque transient are added to calculate the estimated torque value of the compressor motor.

次に、ステップＳ１２において、ステップＳ１１で推定したコンプレッサモータのトルク推定値が、コンプレッサモータの耐久性から求まる上限トルク（コンプレッサモータに故障等を生じさせることなく出力可能な最大トルク）を上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ１２での判定の結果、ステップＳ１１で推定したコンプレッサモータのトルク推定値が上限トルクを上回ると判断される場合には、ステップＳ１３において、コンプレッサモータのトルクが上限トルクを超えないように、補正後の空気供給流量の変化量、すなわち補正後の目標空気供給流量に到達するまでの空気供給流量の変化量に制限を加える。一方、ステップＳ１１で推定したコンプレッサモータのトルク推定値が上限トルクを上回らない場合には、ステップＳ１４へと処理を移行する。   Next, in step S12, whether or not the estimated torque value of the compressor motor estimated in step S11 exceeds the upper limit torque (maximum torque that can be output without causing a failure or the like in the compressor motor) determined from the durability of the compressor motor. Determine. If it is determined as a result of the determination in step S12 that the estimated torque value of the compressor motor estimated in step S11 exceeds the upper limit torque, in step S13, the compressor motor torque does not exceed the upper limit torque. The amount of change in the corrected air supply flow rate, that is, the amount of change in the air supply flow rate until reaching the corrected target air supply flow rate is limited. On the other hand, if the estimated torque value of the compressor motor estimated in step S11 does not exceed the upper limit torque, the process proceeds to step S14.

ここで、補正後の空気供給流量の変化量を制限する方法について、図８を用いて説明する。   Here, a method for limiting the amount of change in the corrected air supply flow rate will be described with reference to FIG.

図８（ａ）は、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度がσ１［ｇ／Ｌ］の場合におけるコンプレッサモータの上限トルクを示したものである。この図８（ａ）に示すように、コンプレッサモータの上限トルクはコンプレッサモータの回転数に応じて定まり、補正後の空気供給流量を実現するコンプレッサモータ回転数がＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］とすると、そのときのコンプレッサモータ上限トルクは、ＴｒｑＣＭＰ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［Ｎｍ］となる。 FIG. 8A shows the upper limit torque of the compressor motor when the air density of the outside air taken in by the compressor 16 is σ 1 [g / L]. As shown in FIG. 8 (a), the upper limit torque of the compressor motor is determined according to the rotation speed of the compressor motor. When the rotation speed of the compressor motor that realizes the corrected air supply flow rate is N CMP1 [rpm], Compressor motor upper limit torque at that time is Trq CMP_UPPERLMT [Nm].

図８（ｂ）は、コンプレッサモータの回転数及び空気供給流量の変化とコンプレッサモータトルクの変化との関係を、上限トルクによる制限を加える場合と制限を加えない場合とを対比しながら示したものである。この図８（ｂ）に示すように、コンプレッサモータのトルクが上限トルクＴｒｑＣＭＰ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［Ｎｍ］を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加えると、空気供給流量が補正後の目標空気流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間（コンプレッサモータの回転数が目標回転数ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間）がｔ２［ｓｅｃ］となり、変化量に制限を加えない場合の到達時間ｔ１［ｓｅｃ］に比べて、Δｔ２分の遅れが生じることになる。そして、このときの空気供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ２［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］は、下記式（３）によって求められる。 FIG. 8 (b) shows the relationship between the change in the compressor motor speed and the air supply flow rate and the change in the compressor motor torque, comparing the case where the limit by the upper limit torque is added and the case where the limit is not added. It is. As shown in FIG. 8B, when the change amount of the air supply flow rate is limited so that the compressor motor torque does not exceed the upper limit torque Trq CMP_UPPERLMT [Nm], the target air flow rate after the air supply flow rate is corrected. The time required to reach Q 1 [L / min] (the time required for the compressor motor speed to reach the target speed N CMP1 [rpm]) is t 2 [sec], and the amount of change is not limited. In this case, a delay of Δt 2 is generated as compared with the arrival time t 1 [sec]. The limit value Q 1_LMT2 [L / min / sec] of the amount of change in the air supply flow rate at this time is obtained by the following equation (3).

Ｑ１＿ＬＭＴ２＝Ｑ１／ｔ２［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］ ・・・（３）
次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ１４において、補正後の空気供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］を実現するためにコンプレッサモータの回転数を制御するが、このとき、ステップＳ１１で推定したコンプレッサモータのトルク推定値が上限トルクを上回ると判断され、ステップＳ１３で空気供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ２［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］を算出した場合には、この制限値Ｑ１＿ＬＭＴ２［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］に基づいて、コンプレッサモータの回転数を制御する。 Q 1_LMT2 = Q 1 / t 2 [L / min / sec] ··· (3)
Next, in step S14, the system controller 100 controls the rotational speed of the compressor motor to realize the corrected air supply flow rate Q 1 [L / min]. At this time, the compressor motor estimated in step S11 is used. torque estimated value of the judgment to exceed the upper limit torque, when calculating the limit value Q 1_LMT2 of variation of the air supply flow rate [L / min / sec] in step S13, the limit value Q 1_LMT2 [L / min / Sec], the rotation speed of the compressor motor is controlled.

すなわち、ステップＳ１１で推定したコンプレッサモータのトルク推定値が上限トルクを上回ると判断された場合は、図６（ｂ）に示したように、空気供給流量が補正後の目標空気流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間、すなわち、コンプレッサモータの回転数が目標回転数ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間がｔ２［ｓｅｃ］となるように、コンプレッサモータの回転数を制御する。 That is, when it is determined that the estimated torque value of the compressor motor estimated in step S11 exceeds the upper limit torque, as shown in FIG. 6B, the target air flow rate Q 1 [L / Min], that is, the rotational speed of the compressor motor is controlled so that the time until the rotational speed of the compressor motor reaches the target rotational speed N CMP1 [rpm] is t 2 [sec]. To do.

ここで、以上のように空気供給流量の変化量に制限を加えた場合における燃料電池１の発電応答時間の遅れ分は、コンプレッサモータの回転数が目標回転数ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間の遅れ分Δｔ２とほぼ等価となる。したがって、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度がσ１［ｇ／Ｌ］の場合で、コンプレッサモータのトルク推定値が上限トルクＴｒｑＣＭＰ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［Ｎｍ］を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間はｔ２［ｓｅｃ］となる。 Here, the delay of the power generation response time of the fuel cell 1 in the case where the change amount of the air supply flow rate is limited as described above is until the rotation speed of the compressor motor reaches the target rotation speed N CMP1 [rpm]. Is substantially equivalent to the time delay Δt 2 . Therefore, when the air density of the outside air sucked by the compressor 16 is σ 1 [g / L], the estimated amount of torque of the compressor motor is limited to the change amount of the air supply flow rate so as not to exceed the upper limit torque Trq CMP_UPPERLMT [Nm]. Is added, the power generation response time of the fuel cell 1 is t 2 [sec].

また、コンプレッサ１６が吸入する外気が標準状態のときの燃料電池１の発電応答時間ｔ０［ｓｅｃ］と、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度がσ１［ｇ／Ｌ］の場合で、コンプレッサモータのトルク推定値が上限トルクＴｒｑＣＭＰ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［Ｎｍ］を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間ｔ２［ｓｅｃ］との関係は、下記式（４）のようになる。 Further, in the case where the power generation response time t 0 [sec] of the fuel cell 1 when the outside air sucked by the compressor 16 is in a standard state and the air density of the outside air sucked by the compressor 16 is σ 1 [g / L], the compressor The relationship with the power generation response time t 2 [sec] of the fuel cell 1 when the change in the air supply flow rate is limited so that the estimated torque value of the motor does not exceed the upper limit torque Trq CMP_UPPERLMT [Nm] (4)

ｔ２＝ｔ０＋Δｔσ１＋Δｔ２ ・・・（４）
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００がコンプレッサモータの回転数を制御する際に、コンプレッサモータのトルクが上限トルクを上回ることが推定される場合には、コンプレッサモータのトルクが上限トルク以下となるようにコンプレッサ１６に要求する空気供給流量の変化量に制限を加えるようにし、また、この制限値に基づくコンプレッサモータの回転数から燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしているので、コンプレッサモータのトルクが上限トルクを上回ることに起因して生じる故障等の問題を有効に回避しながら、燃料電池１の発電応答時間を正確に推定することができる。 t 2 = t 0 + Δt σ1 + Δt 2 (4)
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, when the system controller 100 controls the rotation speed of the compressor motor, if it is estimated that the compressor motor torque exceeds the upper limit torque, the compressor motor The amount of change in the air supply flow rate required for the compressor 16 is limited so that the torque of the engine is equal to or less than the upper limit torque, and the power generation response time of the fuel cell 1 is estimated from the rotation speed of the compressor motor based on the limit value. Thus, the power generation response time of the fuel cell 1 can be accurately estimated while effectively avoiding problems such as failure caused by the compressor motor torque exceeding the upper limit torque.

（第３の実施形態）
次に、本発明を適用した第３の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１の実施形態と同様の構成を有し、システムコントローラ１００が燃料電池１の発電応答時間を推定する手法も基本的には第１の実施形態と同様であるが、コンプレッサ１６が吐出する空気圧力が過剰となった場合に懸念されるコンプレッサ１６下流側の部品や燃料電池１の故障等の問題を回避できるように、空気供給流量を補正する場合における流量変化量に制限を設けるようにした点に特徴を有するものである。 (Third embodiment)
Next, a fuel cell system according to a third embodiment to which the present invention is applied will be described. The fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment described above, and the method in which the system controller 100 estimates the power generation response time of the fuel cell 1 is basically the same as that of the first embodiment. Similarly, when the air supply flow rate is corrected so as to avoid problems such as failure of components on the downstream side of the compressor 16 and the fuel cell 1 that are concerned when the air pressure discharged from the compressor 16 becomes excessive. This is characterized in that a restriction is placed on the amount of change in the flow rate.

すなわち、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度が低下したときには、その密度低下分を補うために空気供給流量を増加させるようにしているが、空気供給流量を増加させる際の変化量が大きいとコンプレッサ１６が吐出する空気圧力が一時的に過大となって、コンプレッサ１６下流側の部品や燃料電池１に故障等を生じさせる要因となる場合がある。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ１６が吐出する空気圧力が過剰とならない範囲で所望の空気供給流量が得られるように、空気供給流量を補正する場合の流量変化量に制限を設けるようにしている。   That is, when the air density of the outside air sucked by the compressor 16 decreases, the air supply flow rate is increased to compensate for the density decrease. However, if the amount of change when increasing the air supply flow rate is large, the compressor The air pressure discharged from the engine 16 may temporarily become excessive, which may cause a failure or the like in the components downstream of the compressor 16 or the fuel cell 1. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, a restriction is placed on the amount of change in flow rate when the air supply flow rate is corrected so that a desired air supply flow rate can be obtained within a range where the air pressure discharged from the compressor 16 does not become excessive. I am doing so.

以下、上述した第１の実施形態と同様の内容については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容についてのみ、具体的な例を挙げて説明する。   Hereinafter, the description similar to that of the above-described first embodiment will be omitted, and only the processing contents of the system controller 100 characteristic of the present embodiment will be described with specific examples.

図９は、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容を示すフローチャートであり、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ４の処理のサブルーチンに相当するものである。   FIG. 9 is a flowchart showing the processing contents of the system controller 100 that are characteristic of the present embodiment, and corresponds to a subroutine of step S4 in the main flowchart shown in FIG.

本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００は、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ３で空気供給流量の基本値に対する補正値を算出すると、次に、ステップＳ２１において、この補正値で補正された空気供給流量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数に基づき、コンプレッサ１６が吐出する空気の圧力を推定する。   In the fuel cell system of this embodiment, the system controller 100 calculates a correction value for the basic value of the air supply flow rate in step S3 in the main flowchart shown in FIG. Based on the target rotational speed of the compressor motor for realizing the corrected air supply flow rate, the pressure of air discharged from the compressor 16 is estimated.

具体的には、例えば、外気の空気密度と、その空気密度から求められる目標回転数でコンプレッサモータを駆動した場合のコンプレッサ１６の吐出側空気圧力推定値ＰＣＭＰＯＵＴ＿ＥＳＴ［ｋＰａ］との関係を予め実験等によって求めておき、この空気密度とコンプレッサ１６の吐出側空気圧力推定値との関係から、図３のステップＳ１で算出した空気密度の場合におけるコンプレッサ１６吐出側の空気圧力を推定する。 Specifically, for example, the relationship between the air density of the outside air and the estimated discharge-side air pressure value P CMPOUT_EST [kPa] of the compressor 16 when the compressor motor is driven at the target rotational speed obtained from the air density is previously tested. The air pressure on the discharge side of the compressor 16 in the case of the air density calculated in step S1 in FIG. 3 is estimated from the relationship between the air density and the estimated discharge side air pressure value of the compressor 16.

次に、ステップＳ２２において、ステップＳ２１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が、コンプレッサ１６下流側の部品や燃料電池１の耐久性から求まる上限圧力を上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ２２での判定の結果、ステップＳ２１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が上限圧力を上回ると判断される場合には、ステップＳ２３において、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力が上限圧力を超えないように、補正後の空気供給流量の変化量、すなわち補正後の目標空気供給流量に到達するまでの空気供給流量の変化量に制限を加える。一方、ステップＳ２１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が上限圧力を上回らない場合には、ステップＳ２４へと処理を移行する。   Next, in step S <b> 22, it is determined whether or not the estimated air pressure value on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S <b> 21 exceeds the upper limit pressure obtained from the durability of the components on the downstream side of the compressor 16 and the fuel cell 1. If it is determined in step S22 that the estimated air pressure on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S21 exceeds the upper limit pressure, the air pressure on the discharge side of the compressor 16 is increased in step S23. In order not to exceed the pressure, a limit is imposed on the amount of change in the corrected air supply flow rate, that is, the amount of change in the air supply flow rate until the corrected target air supply flow rate is reached. On the other hand, if the estimated air pressure value on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S21 does not exceed the upper limit pressure, the process proceeds to step S24.

ここで、補正後の空気供給流量の変化量を制限する方法について、図１０を用いて説明する。   Here, a method of limiting the amount of change in the corrected air supply flow rate will be described with reference to FIG.

図１０は、コンプレッサモータの回転数及び空気供給流量の変化とコンプレッサ１６吐出側の空気圧力の変化との関係を、上限圧力による制限を加える場合と制限を加えない場合とを対比しながら示したものである。この図１０に示すように、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力が上限圧力ＰＣＭＰＯＵＴ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［ｋＰａ］を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加えると、空気供給流量が補正後の目標空気流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間（コンプレッサモータの回転数が目標回転数ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間）がｔ３［ｓｅｃ］となり、変化量に制限を加えない場合の到達時間ｔ１［ｓｅｃ］に比べて、Δｔ３分の遅れが生じることになる。そして、このときの空気供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ３［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］は、下記式（５）によって求められる。 FIG. 10 shows the relationship between the change in the rotation speed of the compressor motor and the air supply flow rate and the change in the air pressure on the discharge side of the compressor 16 while comparing the case where the restriction due to the upper limit pressure is applied and the case where the restriction is not added. Is. As shown in FIG. 10, when the change amount of the air supply flow rate is limited so that the air pressure on the discharge side of the compressor 16 does not exceed the upper limit pressure PCMPOUT_UPPERLMT [kPa], the target air flow rate after the air supply flow rate is corrected The time required to reach Q 1 [L / min] (the time required for the compressor motor speed to reach the target speed N CMP1 [rpm]) is t 3 [sec], and the amount of change is not limited. In this case, a delay of Δt 3 minutes occurs compared to the arrival time t 1 [sec]. The limit value Q 1_LMT3 [L / min / sec] of the change amount of the air supply flow rate at this time is obtained by the following equation (5).

Ｑ１＿ＬＭＴ３＝Ｑ１／ｔ３［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］ ・・・（５）
次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ２４において、補正後の空気供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］を実現するためにコンプレッサモータの回転数を制御するが、このとき、ステップＳ２１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が上限圧力を上回ると判断され、ステップＳ２３で空気供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ３［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］を算出した場合には、この制限値Ｑ１＿ＬＭＴ３［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］に基づいて、コンプレッサモータの回転数を制御する。 Q 1_LMT3 = Q 1 / t 3 [L / min / sec] ··· (5)
Next, in step S24, the system controller 100 controls the rotation speed of the compressor motor to realize the corrected air supply flow rate Q 1 [L / min]. At this time, the compressor 16 estimated in step S21 is used. When it is determined that the estimated air pressure value on the discharge side exceeds the upper limit pressure, and the limit value Q 1_LMT3 [L / min / sec] of the change amount of the air supply flow rate is calculated in step S23, this limit value Q 1_LMT3 [ L / min / sec] is used to control the rotation speed of the compressor motor.

すなわち、ステップＳ２１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が上限圧力を上回ると判断された場合は、図１０に示したように、空気供給流量が補正後の目標空気流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間、すなわち、コンプレッサモータの回転数が目標回転数ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間がｔ３［ｓｅｃ］となるように、コンプレッサモータの回転数を制御する。 That is, when it is determined that the estimated air pressure value on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S21 exceeds the upper limit pressure, as shown in FIG. 10, the air supply flow rate is corrected to the target air flow rate Q 1 [L / Min], that is, the rotation speed of the compressor motor is controlled so that the time until the rotation speed of the compressor motor reaches the target rotation speed N CMP1 [rpm] is t 3 [sec]. To do.

ここで、以上のように空気供給流量の変化量に制限を加えた場合における燃料電池１の発電応答時間の遅れ分は、コンプレッサモータの回転数が目標回転数ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間の遅れ分Δｔ３とほぼ等価となる。したがって、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度がσ１［ｇ／Ｌ］の場合で、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が上限圧力ＰＣＭＰＯＵＴ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［ｋＰａ］を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間はｔ３［ｓｅｃ］となる。 Here, the delay of the power generation response time of the fuel cell 1 in the case where the change amount of the air supply flow rate is limited as described above is until the rotation speed of the compressor motor reaches the target rotation speed N CMP1 [rpm]. It is almost equivalent to the delay of Δt 3 of time. Therefore, in the case where the air density of the outside air sucked by the compressor 16 is σ 1 [g / L], the change in the air supply flow rate so that the estimated air pressure value on the discharge side of the compressor 16 does not exceed the upper limit pressure PCMPOUT_UPPERLMT [kPa]. The power generation response time of the fuel cell 1 when the amount is limited is t 3 [sec].

また、コンプレッサ１６が吸入する外気が標準状態のときの燃料電池１の発電応答時間ｔ０［ｓｅｃ］と、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度がσ１［ｇ／Ｌ］の場合で、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が上限圧力ＰＣＭＰＯＵＴ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［ｋＰａ］を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間ｔ３［ｓｅｃ］との関係は、下記式（６）のようになる。 Further, in the case where the power generation response time t 0 [sec] of the fuel cell 1 when the outside air sucked by the compressor 16 is in a standard state and the air density of the outside air sucked by the compressor 16 is σ 1 [g / L], the compressor The relationship with the power generation response time t 3 [sec] of the fuel cell 1 when the change amount of the air supply flow rate is limited so that the estimated air pressure value on the 16 discharge side does not exceed the upper limit pressure P CMPOUT_UPPERLMT [kPa] The following formula (6) is obtained.

ｔ３＝ｔ０＋Δｔσ１＋Δｔ３ ・・・（６）
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００がコンプレッサモータの回転数を制御する際に、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力が上限圧力を上回ることが推定される場合には、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力が上限圧力以下となるようにコンプレッサ１６に要求する空気供給流量の変化量に制限を加えるようにし、また、この制限値に基づくコンプレッサモータの回転数から燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしているので、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力が上限圧力を上回ることに起因して生じるコンプレッサ１６下流側の部品や燃料電池１の故障等の問題を有効に回避しながら、燃料電池１の発電応答時間を正確に推定することができる。 t 3 = t 0 + Δt σ1 + Δt 3 (6)
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, when the system controller 100 controls the rotation speed of the compressor motor, when it is estimated that the air pressure on the discharge side of the compressor 16 exceeds the upper limit pressure. Further, the amount of change in the air supply flow rate required for the compressor 16 is limited so that the air pressure on the discharge side of the compressor 16 is equal to or lower than the upper limit pressure, and the fuel cell 1 is calculated from the rotation speed of the compressor motor based on this limit value. Therefore, it is possible to effectively avoid problems such as failure of parts on the downstream side of the compressor 16 and the fuel cell 1 caused by the air pressure on the discharge side of the compressor 16 exceeding the upper limit pressure. However, the power generation response time of the fuel cell 1 can be accurately estimated.

（第４の実施形態）
次に、本発明を適用した第４の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１の実施形態と同様の構成を有し、システムコントローラ１００が燃料電池１の発電応答時間を推定する手法も基本的には第１の実施形態と同様であるが、コンプレッサ１６が吐出する空気の温度が過剰となった場合に懸念されるコンプレッサ１６下流側の部品や燃料電池１の故障等の問題を回避できるように、空気供給流量を補正する場合における流量変化量に制限を設けるようにした点に特徴を有するものである。 (Fourth embodiment)
Next, a fuel cell system according to a fourth embodiment to which the present invention is applied will be described. The fuel cell system of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment described above, and the method in which the system controller 100 estimates the power generation response time of the fuel cell 1 is basically the same as that of the first embodiment. In the same manner, the air supply flow rate is corrected so as to avoid problems such as failure of components on the downstream side of the compressor 16 and the fuel cell 1 which are concerned when the temperature of the air discharged from the compressor 16 becomes excessive. This is characterized in that a restriction is placed on the flow rate change amount in the case.

すなわち、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度が低下したときには、その密度低下分を補うために空気供給流量を増加させるようにしているが、空気供給流量を増加させる際の変化量が大きいとコンプレッサ１６が吐出する空気の温度が一時的に過大となって、コンプレッサ１６下流側の部品や燃料電池１に故障等を生じさせる要因となる場合がある。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ１６が吐出する空気の温度が過剰とならない範囲で所望の空気供給流量が得られるように、空気供給流量を補正する場合の流量変化量に制限を設けるようにしている。   That is, when the air density of the outside air sucked by the compressor 16 decreases, the air supply flow rate is increased to compensate for the density decrease. However, if the amount of change when increasing the air supply flow rate is large, the compressor The temperature of the air discharged from the engine 16 may temporarily become excessive, which may cause a failure or the like in the components downstream of the compressor 16 or the fuel cell 1. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the flow rate change amount when the air supply flow rate is corrected is limited so that the desired air supply flow rate can be obtained within a range where the temperature of the air discharged from the compressor 16 does not become excessive. I am trying to provide it.

以下、上述した第１の実施形態と同様の内容については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容についてのみ、具体的な例を挙げて説明する。   Hereinafter, the description similar to that of the above-described first embodiment will be omitted, and only the processing contents of the system controller 100 characteristic of the present embodiment will be described with specific examples.

図１１は、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容を示すフローチャートであり、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ４の処理のサブルーチンに相当するものである。   FIG. 11 is a flowchart showing the processing contents of the system controller 100 that are characteristic of the present embodiment, and corresponds to the subroutine of step S4 in the main flowchart shown in FIG.

本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００は、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ３で空気供給流量の基本値に対する補正値を算出すると、次に、ステップＳ３１において、この補正値で補正された空気供給流量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数に基づき、コンプレッサ１６が吐出する空気の温度を推定する。   In the fuel cell system of the present embodiment, when the system controller 100 calculates a correction value for the basic value of the air supply flow rate in step S3 in the main flowchart shown in FIG. Based on the target rotation speed of the compressor motor for realizing the corrected air supply flow rate, the temperature of the air discharged from the compressor 16 is estimated.

具体的には、例えば、外気の空気密度と、その空気密度から求められる目標回転数でコンプレッサモータを駆動した場合のコンプレッサ１６の吐出側空気温度推定値ＴＣＭＰＯＵＴ＿ＥＳＴ［ｄｅｇＣ］との関係を予め実験等によって求めておき、この空気密度とコンプレッサ１６の吐出側空気温度推定値との関係から、図３のステップＳ１で算出した空気密度の場合におけるコンプレッサ１６吐出側の空気温度を推定する。 Specifically, for example, the relationship between the air density of the outside air and the estimated discharge side air temperature T CMPOUT_EST [degC] of the compressor 16 when the compressor motor is driven at the target rotational speed obtained from the air density is previously tested. The air temperature on the discharge side of the compressor 16 in the case of the air density calculated in step S1 in FIG. 3 is estimated from the relationship between this air density and the estimated value on the discharge side air temperature of the compressor 16.

次に、ステップＳ３２において、ステップＳ３１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が、コンプレッサ１６下流側の部品や燃料電池１の耐久性から求まる上限温度を上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ３２での判定の結果、ステップＳ３１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が上限温度を上回ると判断される場合には、ステップＳ３３において、コンプレッサ１６吐出側の空気温度が上限温度を超えないように、補正後の空気供給流量の変化量、すなわち補正後の目標空気供給流量に到達するまでの空気供給流量の変化量に制限を加える。一方、ステップＳ３１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が上限温度を上回らない場合には、ステップＳ３４へと処理を移行する。   Next, in step S <b> 32, it is determined whether or not the estimated air temperature value on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S <b> 31 exceeds the upper limit temperature obtained from the durability of the components on the downstream side of the compressor 16 and the fuel cell 1. If it is determined in step S32 that the estimated air temperature on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S31 exceeds the upper limit temperature, the air temperature on the discharge side of the compressor 16 is increased in step S33. In order not to exceed the temperature, a limit is applied to the amount of change in the corrected air supply flow rate, that is, the amount of change in the air supply flow rate until the corrected target air supply flow rate is reached. On the other hand, if the estimated air temperature on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S31 does not exceed the upper limit temperature, the process proceeds to step S34.

ここで、補正後の空気供給流量の変化量を制限する方法について、図１２を用いて説明する。   Here, a method for limiting the amount of change in the corrected air supply flow rate will be described with reference to FIG.

図１２は、コンプレッサモータの回転数及び空気供給流量の変化とコンプレッサ１６吐出側の空気温度の変化との関係を、上限温度による制限を加える場合と制限を加えない場合とを対比しながら示したものである。この図１２に示すように、コンプレッサ１６吐出側の空気温度が上限温度ＴＣＭＰＯＵＴ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［ｄｅｇＣ］を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加えると、空気供給流量が補正後の目標空気流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間（コンプレッサモータの回転数が目標回転数ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間）がｔ４［ｓｅｃ］となり、変化量に制限を加えない場合の到達時間ｔ１［ｓｅｃ］に比べて、Δｔ４分の遅れが生じることになる。そして、このときの空気供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ４［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］は、下記式（７）によって求められる。 FIG. 12 shows the relationship between the change in the rotation speed of the compressor motor and the air supply flow rate and the change in the air temperature on the discharge side of the compressor 16 while comparing the case where the restriction due to the upper limit temperature is added and the case where the restriction is not added. Is. As shown in FIG. 12, when the change amount of the air supply flow rate is limited so that the air temperature on the discharge side of the compressor 16 does not exceed the upper limit temperature TCMPOUT_UPPERLMT [degC], the target air flow rate after the air supply flow rate is corrected The time required to reach Q 1 [L / min] (the time required for the compressor motor speed to reach the target speed N CMP1 [rpm]) is t 4 [sec], and the amount of change is not limited. In this case, a delay of Δt 4 minutes occurs compared to the arrival time t 1 [sec]. The limit value Q 1_LMT4 [L / min / sec] of the change amount of the air supply flow rate at this time is obtained by the following equation (7).

Ｑ１＿ＬＭＴ４＝Ｑ１／ｔ４［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］ ・・・（７）
次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ３４において、補正後の空気供給流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］を実現するためにコンプレッサモータの回転数を制御するが、このとき、ステップＳ３１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が上限温度を上回ると判断され、ステップＳ３３で空気供給流量の変化量の制限値Ｑ１＿ＬＭＴ４［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］を算出した場合には、この制限値Ｑ１＿ＬＭＴ４［Ｌ／ｍｉｎ／ｓｅｃ］に基づいて、コンプレッサモータの回転数を制御する。 Q 1_LMT4 = Q 1 / t 4 [L / min / sec] ··· (7)
Next, in step S34, the system controller 100 controls the rotation speed of the compressor motor to realize the corrected air supply flow rate Q 1 [L / min]. At this time, the compressor 16 estimated in step S31 is used. When it is determined that the estimated air temperature on the discharge side exceeds the upper limit temperature, and the limit value Q 1_LMT4 [L / min / sec] of the change amount of the air supply flow rate is calculated in step S33, this limit value Q 1_LMT4 [ L / min / sec] is used to control the rotation speed of the compressor motor.

すなわち、ステップＳ３１で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が上限温度を上回ると判断された場合は、図１２に示したように、空気供給流量が補正後の目標空気流量Ｑ１［Ｌ／ｍｉｎ］に到達するまでの時間、すなわち、コンプレッサモータの回転数が目標回転数ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間がｔ４［ｓｅｃ］となるように、コンプレッサモータの回転数を制御する。 In other words, when it is determined that the estimated air temperature on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S31 exceeds the upper limit temperature, as shown in FIG. 12, the air supply flow rate is corrected to the target air flow rate Q 1 [L / Min], that is, the rotational speed of the compressor motor is controlled so that the time until the rotational speed of the compressor motor reaches the target rotational speed N CMP1 [rpm] is t 4 [sec]. To do.

ここで、以上のように空気供給流量の変化量に制限を加えた場合における燃料電池１の発電応答時間の遅れ分は、コンプレッサモータの回転数が目標回転数ＮＣＭＰ１［ｒｐｍ］に到達するまでの時間の遅れ分Δｔ４とほぼ等価となる。したがって、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度がσ１［ｇ／Ｌ］の場合で、コンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が上限温度ＴＣＭＰＯＵＴ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［ｄｅｇＣ］を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間はｔ４［ｓｅｃ］となる。 Here, the delay of the power generation response time of the fuel cell 1 in the case where the change amount of the air supply flow rate is limited as described above is until the rotation speed of the compressor motor reaches the target rotation speed N CMP1 [rpm]. It is almost equivalent to the delay of Δt 4 of the time. Therefore, when the air density of the outside air sucked by the compressor 16 is σ 1 [g / L], the change in the air supply flow rate so that the estimated air temperature on the discharge side of the compressor 16 does not exceed the upper limit temperature T CMPOUT_UPPERLMT [degC]. The power generation response time of the fuel cell 1 when the amount is limited is t 4 [sec].

また、コンプレッサ１６が吸入する外気が標準状態のときの燃料電池１の発電応答時間ｔ０［ｓｅｃ］と、コンプレッサ１６が吸入する外気の空気密度がσ１［ｇ／Ｌ］の場合で、コンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が上限温度ＴＣＭＰＯＵＴ＿ＵＰＰＥＲＬＭＴ［ｄｅｇＣ］を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加えた場合の燃料電池１の発電応答時間ｔ４［ｓｅｃ］との関係は、下記式（８）のようになる。 Further, in the case where the power generation response time t 0 [sec] of the fuel cell 1 when the outside air sucked by the compressor 16 is in a standard state and the air density of the outside air sucked by the compressor 16 is σ 1 [g / L], the compressor The relationship with the power generation response time t 4 [sec] of the fuel cell 1 when the change amount of the air supply flow rate is limited so that the estimated air temperature on the 16 discharge side does not exceed the upper limit temperature T CMPOUT_UPPERLMT [degC] The following equation (8) is obtained.

ｔ４＝ｔ０＋Δｔσ１＋Δｔ４ ・・・（８）
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００がコンプレッサモータの回転数を制御する際に、コンプレッサ１６吐出側の空気温度が上限温度を上回ることが推定される場合には、コンプレッサ１６吐出側の空気温度が上限温度以下となるようにコンプレッサ１６に要求する空気供給流量の変化量に制限を加えるようにし、また、この制限値に基づくコンプレッサモータの回転数から燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしているので、コンプレッサ１６吐出側の空気温度が上限温度を上回ることに起因して生じるコンプレッサ１６下流側の部品や燃料電池１の故障等の問題を有効に回避しながら、燃料電池１の発電応答時間を正確に推定することができる。 t 4 = t 0 + Δt σ1 + Δt 4 (8)
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, when the system controller 100 controls the rotation speed of the compressor motor, when it is estimated that the air temperature on the discharge side of the compressor 16 exceeds the upper limit temperature. Further, the amount of change in the air supply flow rate required for the compressor 16 is limited so that the air temperature on the discharge side of the compressor 16 is equal to or lower than the upper limit temperature, and the fuel cell 1 is calculated from the rotation speed of the compressor motor based on this limit value. Therefore, it is possible to effectively avoid problems such as failure of parts on the downstream side of the compressor 16 and the fuel cell 1 caused by the air temperature on the discharge side of the compressor 16 exceeding the upper limit temperature. However, the power generation response time of the fuel cell 1 can be accurately estimated.

（第５の実施形態）
次に、本発明を適用した第５の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、第２の実施形態で説明したコンプレッサモータの上限トルクによる空気供給流量変化量の制限と、第３の実施形態で説明したコンプレッサ１６吐出側の上限圧力による空気供給流量変化量の制限と、第４の実施形態で説明したコンプレッサ１６吐出側の上限温度による空気供給流量変化量の制限とを組み合わせたものである。 (Fifth embodiment)
Next, a fuel cell system according to a fifth embodiment to which the present invention is applied will be described. The fuel cell system according to the present embodiment is configured to limit the amount of change in air supply flow rate by the upper limit torque of the compressor motor described in the second embodiment and supply air by the upper limit pressure on the discharge side of the compressor 16 described in the third embodiment. This is a combination of the limitation on the amount of change in the flow rate and the limitation on the amount of change in the air supply flow rate due to the upper limit temperature on the discharge side of the compressor 16 described in the fourth embodiment.

すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ１６が吸入する外気の状態に応じて空気供給流量を補正する際、第２の実施形態と同様に、コンプレッサモータのトルクが上限トルクを超えない範囲で所望の空気供給流量が得られるように流量変化量制限値を算出し、また、第３の実施形態と同様に、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力が上限圧力を超えない範囲で所望の空気供給流量が得られるように流量変化量制限値を算出し、また、第４の実施形態と同様に、コンプレッサ１６吐出側の空気温度が上限温度を超えない範囲で所望の空気供給流量が得られるように流量変化量制限値を算出する。そして、これらの流量変化量制限値のうちで最も小さい値の制限値、すなわち最も厳しい制限値に基づいてコンプレッサモータの回転数を制御し、この制限値に基づくコンプレッサモータの回転数から燃料電池１の発電応答時間を推定する。   That is, in the fuel cell system of the present embodiment, when the air supply flow rate is corrected in accordance with the state of the outside air sucked by the compressor 16, the range in which the compressor motor torque does not exceed the upper limit torque as in the second embodiment. The flow rate change amount limit value is calculated so that the desired air supply flow rate can be obtained at the same time. Similarly to the third embodiment, the desired air supply is performed within the range where the air pressure on the discharge side of the compressor 16 does not exceed the upper limit pressure. The flow rate variation limit value is calculated so that the flow rate can be obtained, and the desired air supply flow rate can be obtained in the range where the air temperature on the discharge side of the compressor 16 does not exceed the upper limit temperature, as in the fourth embodiment. The flow rate variation limit value is calculated. Then, the rotational speed of the compressor motor is controlled based on the limit value of the smallest value among these flow rate variation limit values, that is, the strictest limit value, and the fuel cell 1 is determined from the rotational speed of the compressor motor based on the limit value. Estimate the power generation response time.

以下、上述した第１乃至第４の実施形態と同様の内容については重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容についてのみ、具体的な例を挙げて説明する。   Hereinafter, the description similar to that of the first to fourth embodiments described above will be omitted, and only the processing contents of the system controller 100 characteristic of the present embodiment will be described with specific examples. .

図１３は、本実施形態に特徴的なシステムコントローラ１００の処理内容を示すフローチャートであり、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ４の処理のサブルーチンに相当するものである。   FIG. 13 is a flowchart showing the processing contents of the system controller 100 that are characteristic of this embodiment, and corresponds to a subroutine of step S4 in the main flowchart shown in FIG.

本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００は、図３に示したメインのフローチャートにおけるステップＳ３で空気供給流量の基本値に対する補正値を算出すると、次に、ステップＳ４１において、上述した第２の実施形態と同様にコンプレッサモータのトルクを推定し、ステップＳ４２において、上述した第３の実施形態と同様にコンプレッサ１６吐出側の空気圧力を推定し、ステップＳ４３において、上述した第４の実施形態と同様にコンプレッサ１６吐出側の空気温度を推定する。   In the fuel cell system according to the present embodiment, when the system controller 100 calculates the correction value for the basic value of the air supply flow rate in step S3 in the main flowchart shown in FIG. The torque of the compressor motor is estimated in the same manner as in the third embodiment, and in step S42, the air pressure on the discharge side of the compressor 16 is estimated in the same manner as in the third embodiment described above. In step S43, the fourth embodiment described above. Similarly, the air temperature on the discharge side of the compressor 16 is estimated.

次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ４４において、ステップＳ４１で推定したコンプレッサモータのトルク推定値が上限トルクを上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ４４での判定の結果、ステップＳ４１で推定したコンプレッサモータのトルク推定値が上限トルクを上回ると判断される場合には、ステップＳ４５において、コンプレッサモータのトルクが上限トルクを超えない範囲で補正後の目標空気供給流量が得られるような流量変化量の制限値（第１の流量変化量制限値）を算出する。一方、ステップＳ４１で推定したコンプレッサモータのトルク推定値が上限トルクを上回らない場合には、ステップＳ４６へと処理を移行する。   Next, in step S44, the system controller 100 determines whether or not the estimated torque value of the compressor motor estimated in step S41 exceeds the upper limit torque. If it is determined as a result of the determination in step S44 that the estimated torque value of the compressor motor estimated in step S41 exceeds the upper limit torque, in step S45, the compressor motor torque does not exceed the upper limit torque. The flow rate change amount limit value (first flow rate change amount limit value) is calculated so that the corrected target air supply flow rate can be obtained. On the other hand, if the estimated torque value of the compressor motor estimated in step S41 does not exceed the upper limit torque, the process proceeds to step S46.

次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ４６において、ステップＳ４２で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が上限圧力を上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ４６での判定の結果、ステップＳ４２で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が上限圧力を上回ると判断される場合には、ステップＳ４７において、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力が上限圧力を超えない範囲で補正後の目標空気供給流量が得られるような流量変化量の制限値（第２の流量変化量制限値）を算出する。一方、ステップＳ４２で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気圧力推定値が上限圧力を上回らない場合には、ステップＳ４８へと処理を移行する。   Next, the system controller 100 determines in step S46 whether the estimated air pressure value on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S42 exceeds the upper limit pressure. If it is determined in step S46 that the estimated air pressure on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S42 exceeds the upper limit pressure, the air pressure on the discharge side of the compressor 16 is increased in step S47. The flow rate change amount limit value (second flow rate change amount limit value) is calculated so that the corrected target air supply flow rate can be obtained within a range not exceeding the pressure. On the other hand, if the estimated air pressure value on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S42 does not exceed the upper limit pressure, the process proceeds to step S48.

次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ４８において、ステップＳ４３で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が上限温度を上回るかどうかを判定する。そして、ステップＳ４８での判定の結果、ステップＳ４３で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が上限温度を上回ると判断される場合には、ステップＳ４９において、コンプレッサ１６吐出側の空気温度が上限温度を超えない範囲で補正後の目標空気供給流量が得られるような流量変化量の制限値（第３の流量変化量制限値）を算出する。一方、ステップＳ４３で推定したコンプレッサ１６吐出側の空気温度推定値が上限温度を上回らない場合には、ステップＳ５０へと処理を移行する。   Next, the system controller 100 determines in step S48 whether the estimated air temperature value on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S43 exceeds the upper limit temperature. If it is determined in step S48 that the estimated air temperature on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S43 exceeds the upper limit temperature, in step S49, the air temperature on the discharge side of the compressor 16 is set to the upper limit. The flow rate change amount limit value (third flow rate change amount limit value) is calculated so that the corrected target air supply flow rate can be obtained within a range not exceeding the temperature. On the other hand, if the estimated air temperature on the discharge side of the compressor 16 estimated in step S43 does not exceed the upper limit temperature, the process proceeds to step S50.

ステップＳ４５、ステップＳ４７、ステップＳ４９の少なくとも何れかのステップで流量変化量の制限値が算出された場合、システムコントローラ１００は、次のステップＳ５０において、ステップＳ４５で算出された第１の流量変化量制限値と、ステップＳ４７で算出された第２の流量変化量制限値と、ステップＳ４９で算出された第３の流量変化量制限値のうちで、最も小さい値の制限値を選択する。そして、次のステップＳ５１において、補正後の空気供給流量Ｑ１を実現するためにコンプレッサモータの回転数を制御するが、このとき、ステップＳ５０で第１乃至第３の何れかの流量変化量制限値を選択した場合には、この選択した流量変化量制限値に基づいて、コンプレッサモータの回転数を制御する。 When the limit value of the flow rate change amount is calculated in at least one of step S45, step S47, and step S49, the system controller 100 determines in step S50 that the first flow rate change amount calculated in step S45. Of the limit value, the second flow rate change amount limit value calculated in step S47, and the third flow rate change amount limit value calculated in step S49, the smallest limit value is selected. Then, at the next step S51, it controls the rotational speed of the compressor motor in order to achieve an air supply flow rate to Q 1 after correction, this time, one of the flow variation limit of the first to third in Step S50 When a value is selected, the rotation speed of the compressor motor is controlled based on the selected flow rate change amount limit value.


以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００がコンプレッサモータの回転数を制御する際に、コンプレッサモータのトルクが上限トルクを上回ることが推定される場合には、コンプレッサモータのトルクが上限トルク以下となるような第１の流量変化量制限値を算出し、また、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力が上限圧力を上回ることが推定される場合には、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力が上限圧力以下となるような第２の流量変化量制限値を算出し、また、コンプレッサ１６吐出側の空気温度が上限温度を上回ることが推定される場合には、コンプレッサ１６吐出側の空気温度が上限温度以下となるような第２の流量変化量制限値を算出するようにしている。そして、これら算出した制限値のうちで最小の流量変化量制限値を選択して、この選択した流量変化量制限値に基づいてコンプレッサモータの回転数を制御し、この制限値に基づくコンプレッサモータの回転数から燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしている。したがって、コンプレッサモータのトルクが上限トルクを上回ることに起因して生じるコンプレッサ１６の故障や、コンプレッサ１６吐出側の空気圧力や空気温度が上限値を上回ることに起因して生じるコンプレッサ１６下流側の部品や燃料電池１の故障等の問題を有効に回避しながら、燃料電池１の発電応答時間を正確に推定することができる。
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, when the system controller 100 controls the rotation speed of the compressor motor, if it is estimated that the compressor motor torque exceeds the upper limit torque, the compressor motor When the first flow rate change amount limit value is calculated such that the torque of the compressor 16 becomes equal to or less than the upper limit torque, and the air pressure on the compressor 16 discharge side is estimated to exceed the upper limit pressure, the compressor 16 discharge side When the second flow rate variation limit value is calculated such that the air pressure is equal to or lower than the upper limit pressure, and when the air temperature on the discharge side of the compressor 16 is estimated to exceed the upper limit temperature, The second flow rate change amount limit value is calculated such that the air temperature is equal to or lower than the upper limit temperature. Then, a minimum flow rate change amount limit value is selected from the calculated limit values, and the rotation speed of the compressor motor is controlled based on the selected flow rate change amount limit value. The power generation response time of the fuel cell 1 is estimated from the rotational speed. Therefore, a failure of the compressor 16 caused by the torque of the compressor motor exceeding the upper limit torque, or a component downstream of the compressor 16 caused by the air pressure or air temperature on the discharge side of the compressor 16 exceeding the upper limit value. It is possible to accurately estimate the power generation response time of the fuel cell 1 while effectively avoiding problems such as failure of the fuel cell 1.

本発明を適用した燃料電池システムの一例を示すシステム構成図である。It is a system configuration diagram showing an example of a fuel cell system to which the present invention is applied. 本発明を適用した燃料電池システムのシステムコントローラにおける発電応答時間推定に関する機能を概略的に示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows roughly the function regarding power generation response time estimation in the system controller of the fuel cell system to which this invention is applied. 本発明を適用した燃料電池システムのシステムコントローラによる燃料電池の発電応答時間推定処理の概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of the electric power generation response time estimation process of the fuel cell by the system controller of the fuel cell system to which this invention is applied. 燃料電池の発電応答時間を推定する方法を説明するための図であり、（ａ）はコンプレッサが吸入する外気の空気密度と燃料電池の目標発電量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数との関係を示す特性図、（ｂ）はコンプレッサモータの回転数と燃料電池の実発電量との関係を示す特性図である。It is a figure for demonstrating the method of estimating the electric power generation response time of a fuel cell, (a) is the target rotation speed of the compressor motor for implement | achieving the air density of the external air which a compressor suck | inhales, and the target electric power generation amount of a fuel cell. FIG. 5B is a characteristic diagram showing the relationship between the rotational speed of the compressor motor and the actual power generation amount of the fuel cell. コンプレッサが吸入する外気の圧力（大気圧）と燃料電池の目標発電量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数との関係を示す特性図である。It is a characteristic view showing the relationship between the pressure (atmospheric pressure) of the outside air sucked by the compressor and the target rotational speed of the compressor motor for realizing the target power generation amount of the fuel cell. コンプレッサが吸入する外気の温度と燃料電池の目標発電量を実現するためのコンプレッサモータの目標回転数との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the temperature of the external air which a compressor suck | inhales, and the target rotation speed of the compressor motor for implement | achieving the target electric power generation amount of a fuel cell. コンプレッサモータのトルクが上限トルクを超えないように空気供給流量の変化量に制限を加える場合の処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a process in the case of restrict | limiting the variation | change_quantity of air supply flow volume so that the torque of a compressor motor may not exceed upper limit torque. 補正後の空気供給流量の変化量を制限する方法を説明するための図であり、（ａ）はコンプレッサモータ回転数と上限トルクとの関係を示す特性図、（ｂ）はコンプレッサモータの回転数及び空気供給流量の変化とコンプレッサモータトルクの変化との関係を、上限トルクによる制限を加える場合と制限を加えない場合とを対比しながら示す特性図である。It is a figure for demonstrating the method to restrict | limit the variation | change_quantity of the air supply flow rate after correction | amendment, (a) is a characteristic view which shows the relationship between compressor motor rotation speed and an upper limit torque, (b) is rotation speed of a compressor motor. FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between a change in air supply flow rate and a change in compressor motor torque while comparing a case where a limitation due to an upper limit torque is applied and a case where a limitation is not added. コンプレッサ吐出側の空気圧力が上限圧力を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加える場合の処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a process in the case of adding a restriction | limiting to the variation | change_quantity of air supply flow volume so that the air pressure by the side of a compressor discharge may not exceed an upper limit pressure. 補正後の空気供給流量の変化量を制限する方法を説明するための図であり、コンプレッサモータの回転数及び空気供給流量の変化とコンプレッサ吐出側の空気圧力の変化との関係を、上限圧力による制限を加える場合と制限を加えない場合とを対比しながら示す特性図である。It is a figure for demonstrating the method to restrict | limit the variation | change_quantity of the air supply flow rate after correction | amendment, and shows the relationship between the rotation speed of a compressor motor, the change of an air supply flow rate, and the change of the air pressure by the compressor discharge side by upper limit pressure. It is a characteristic view showing the case where a restriction is added and the case where a restriction is not added while comparing. コンプレッサ吐出側の空気温度が上限温度を超えないように空気供給流量の変化量に制限を加える場合の処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a process in the case of adding a restriction | limiting to the variation | change_quantity of air supply flow volume so that the air temperature by the side of a compressor discharge may not exceed upper limit temperature. 補正後の空気供給流量の変化量を制限する方法を説明するための図であり、コンプレッサモータの回転数及び空気供給流量の変化とコンプレッサ吐出側の空気温度の変化との関係を、上限温度による制限を加える場合と制限を加えない場合とを対比しながら示す特性図である。It is a figure for demonstrating the method to restrict | limit the variation | change_quantity of the air supply flow rate after correction | amendment, and shows the relationship between the rotation speed of a compressor motor, the change of an air supply flow rate, and the change of the air temperature of a compressor discharge side by upper limit temperature. It is a characteristic view showing the case where a restriction is added and the case where a restriction is not added while comparing. コンプレッサモータの上限トルクによる流量変化量制限値と、コンプレッサ吐出側の上限空気圧力による流量変化量制限値と、コンプレッサ吐出側の上限空気温度による流量変化量制限値のうちで、最小の流量変化量制限値に基づき空気供給流量の変化量に制限を加える場合の処理の流れを示すフローチャートである。The minimum flow rate change amount among the flow rate change limit value due to the compressor motor upper limit torque, the flow rate change amount limit value due to the compressor discharge side upper limit air pressure, and the flow rate change amount limit value due to the compressor discharge side upper limit air temperature It is a flowchart which shows the flow of a process in the case of adding a restriction | limiting to the variation | change_quantity of air supply flow volume based on a restriction value.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池
２ 駆動ユニット
１６ コンプレッサ
２１ 吸入空気圧力センサ
２２ 吸入空気温度センサ
１００ システムコントローラ
１０１ 空気供給流量基本値算出手段
１０２ 空気供給流量補正値算出手段
１０３ モータ回転数制御手段
１０４ 燃料電池発電応答時間推定手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Drive unit 16 Compressor 21 Intake air pressure sensor 22 Intake air temperature sensor 100 System controller 101 Air supply flow rate basic value calculation means 102 Air supply flow rate correction value calculation means 103 Motor rotation speed control means 104 Fuel cell power generation response time estimation means

Claims (5)

燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電電力により駆動されるモータの動力で酸化剤ガスを圧縮して前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記酸化剤ガス供給装置に要求される酸化剤ガス供給流量の基本値を算出する酸化剤ガス供給流量基本値算出手段と、
前記酸化剤ガス供給装置が吸入する酸化剤ガスの密度が低下しているほど、前記酸化剤ガス供給流量が増加するように前記酸化剤ガス供給流量の補正値を算出する酸化剤ガス供給流量補正値算出手段と、
前記補正値で補正された後の酸化剤ガス供給流量が得られるように、前記酸化剤ガス供給装置のモータに回転数指令値を出力して当該モータの回転数を制御するモータ回転数制御手段と、
前記酸化剤ガスのガス密度が低下してモータの回転数を増加させるように前記モータ回転数制御手段から回転数指令値を出力させているときには、前記燃料電池の実発電電力が目標発電電力に到達するまでの応答時間である発電応答時間を標準状態のガス密度のときの燃料電池の発電応答時間に対して長くするように推定する燃料電池発電応答時間推定手段と、
前記補正値で補正された後の酸化剤ガス供給流量をもとに、前記該酸化剤ガス供給装置のモータのトルクを推定するモータトルク推定手段と、
前記モータトルク推定手段により推定されるトルクが所定値を超えないように、酸化剤ガス供給流量の変化量の制限値を算出する酸化剤ガス供給流量変化量制限値算出手段と、を備え、
前記モータ回転数制御手段が、前記酸化剤ガス供給流量変化量制限値算出手段が算出した制限値に基づいて、前記酸化剤ガス供給装置のモータの回転数を制御することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying fuel gas and oxidant gas;
An oxidant gas supply device for compressing an oxidant gas with the power of a motor driven by the power generated by the fuel cell and supplying the oxidant gas to the fuel cell;
An oxidant gas supply flow rate basic value calculating means for calculating a basic value of the oxidant gas supply flow rate required for the oxidant gas supply device;
Oxidant gas supply flow rate correction for calculating the correction value of the oxidant gas supply flow rate so that the oxidant gas supply flow rate increases as the density of the oxidant gas sucked by the oxidant gas supply device decreases. A value calculating means;
Motor rotation speed control means for controlling the rotation speed of the motor by outputting a rotation speed command value to the motor of the oxidant gas supply apparatus so that the oxidant gas supply flow rate corrected by the correction value is obtained. When,
When the rotational speed command value is output from the motor rotational speed control means so that the gas density of the oxidant gas decreases and the rotational speed of the motor increases, the actual generated power of the fuel cell becomes the target generated power. A fuel cell power generation response time estimating means for estimating a power generation response time that is a response time to reach the power generation response time of the fuel cell at the gas density in the standard state, and
Motor torque estimating means for estimating the torque of the motor of the oxidant gas supply device based on the oxidant gas supply flow rate corrected with the correction value;
Oxidant gas supply flow rate change amount limit value calculating means for calculating a limit value of the change amount of the oxidant gas supply flow rate so that the torque estimated by the motor torque estimating means does not exceed a predetermined value,
The fuel cell characterized in that the motor rotation speed control means controls the rotation speed of the motor of the oxidant gas supply device based on the limit value calculated by the oxidant gas supply flow rate change amount limit value calculation means. system. 前記酸化剤ガス供給装置に要求される酸化剤ガス供給流量をもとに、当該酸化剤ガス供給装置が吐出する酸化剤ガスの圧力を推定する吐出酸化剤ガス圧力推定手段と、
前記吐出酸化剤ガス圧力推定手段により推定される吐出酸化剤ガス圧力が所定値を超えないように、前記酸化剤ガス供給装置に要求する酸化剤ガス供給流量の変化量の制限値を算出する酸化剤ガス供給流量変化量制限値算出手段とを更に備え、
前記モータ回転数制御手段が、前記酸化剤ガス供給流量変化量制限値算出手段が算出した制限値に基づいて、前記酸化剤ガス供給装置のモータの回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 A discharge oxidant gas pressure estimating means for estimating a pressure of the oxidant gas discharged from the oxidant gas supply device based on an oxidant gas supply flow rate required for the oxidant gas supply device;
Oxidation for calculating a limit value for the change amount of the oxidant gas supply flow rate required for the oxidant gas supply device so that the discharge oxidant gas pressure estimated by the discharge oxidant gas pressure estimation means does not exceed a predetermined value. Further comprising an agent gas supply flow rate variation limit value calculating means,
Wherein said motor speed control hand stage, that the oxidant gas supply flow rate change amount limiting value calculating means on the basis of the limit value calculated, and controlling the rotational speed of the motor of the oxidant gas supply device Item 4. The fuel cell system according to Item 1. 前記酸化剤ガス供給装置に要求される酸化剤ガス供給流量をもとに、当該酸化剤ガス供給装置が吐出する酸化剤ガスの温度を推定する吐出酸化剤ガス温度推定手段と、
前記吐出酸化剤ガス温度推定手段により推定される吐出酸化剤ガス温度が所定値を超えないように、前記酸化剤ガス供給装置に要求する酸化剤ガス供給流量の変化量の制限値を算出する酸化剤ガス供給流量変化量制限値算出手段とを更に備え、
前記モータ回転数制御手段が、前記酸化剤ガス供給流量変化量制限値算出手段が算出した制限値に基づいて、前記酸化剤ガス供給装置のモータの回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 Discharged oxidant gas temperature estimating means for estimating the temperature of the oxidant gas discharged from the oxidant gas supply device based on the oxidant gas supply flow rate required for the oxidant gas supply device;
Oxidation for calculating a limit value for the change amount of the oxidant gas supply flow rate required for the oxidant gas supply device so that the discharge oxidant gas temperature estimated by the discharge oxidant gas temperature estimation means does not exceed a predetermined value. Further comprising an agent gas supply flow rate variation limit value calculating means,
Wherein said motor speed control hand stage, that the oxidant gas supply flow rate change amount limiting value calculating means on the basis of the limit value calculated, and controlling the rotational speed of the motor of the oxidant gas supply device Item 4. The fuel cell system according to Item 1. 前記酸化剤ガス供給流量変化量制限値算出手段が、前記モータトルク推定手段により推定されるトルクが所定値を超えない第１の制限値と、前記吐出酸化剤ガス圧力推定手段により推定される吐出酸化剤ガス圧力が所定値を超えない第２の制限値と、前記吐出酸化剤ガス温度推定手段により推定される吐出酸化剤ガス温度が所定値を超えない第３の制限値とをそれぞれ算出し、
前記モータ回転数制御手段が、前記酸化剤ガス供給流量変化量制限値算出手段が算出した第１乃至第３の制限値のうちで最も小さい値の制限値に基づいて、前記酸化剤ガス供給装置のモータの回転数を制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。 The oxidant gas supply flow rate change amount limit value calculation means has a first limit value at which the torque estimated by the motor torque estimation means does not exceed a predetermined value, and a discharge estimated by the discharge oxidant gas pressure estimation means. A second limit value at which the oxidant gas pressure does not exceed a predetermined value and a third limit value at which the discharge oxidant gas temperature estimated by the discharge oxidant gas temperature estimation means does not exceed a predetermined value are calculated. ,
The motor speed control hand stage, on the basis of the limit value of the smallest value among the first to third limits the oxidant gas supply flow rate variation limiting value calculation means has calculated, the oxidant gas supply 4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the number of rotations of a motor of the apparatus is controlled. 前記酸化剤ガス供給装置が、大気を吸入し加圧して吐出するコンプレッサであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。   5. The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxidant gas supply device is a compressor that sucks in air, pressurizes and discharges the air.
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