JP5359227B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent increase in pressure difference when hydrogen pressure and oxygen pressure of a fuel cell is controlled to target values. <P>SOLUTION: A fuel cell system includes a fuel cell 1, first and second material spaces whose pressure changes by supplying first and second materials, first and second material pressure changing means 5, 12 changing the pressure of these spaces, and a control means 30 of both changing means 5, 12, wherein the pressure of the second material space changes in a shorter time than that of the first material space. The control means 30 includes a reference target pressure forming means S100, a first material estimated pressure forming means S102, a means S103 forming a command value to a second material pressure changing means 5 for decreasing division between the first material estimated pressure and the pressure of the second material space, a means S102 using a computing value based on the actual pressure of the second material space or the first material estimated pressure as a second material space pressure behavioral value, and a means S102 forming a command value to the first material pressure changing means 12 based on the second material pressure behavioral value or a reference target pressure. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、水素と酸素を化学反応させることにより発電を行う燃料電池システムの制御に関し、特に、発電量を変化させる際の水素及び酸素の圧力制御に関する。   The present invention relates to control of a fuel cell system that generates power by chemically reacting hydrogen and oxygen, and more particularly to pressure control of hydrogen and oxygen when changing the amount of power generation.

燃料電池システムについては、システムに供給する水素及び酸素の圧力を起電力の変化に伴って低下させる場合の、正極側ガス室と負極側ガス室との極間差圧の増大を防止するという課題が知られている。これについて、特許文献１では、正極側ガス室に酸素を供給する圧縮機及びこれを駆動するモータと、正極側ガス室からの反応生成物の排出圧を調整する空気調圧弁とを備え、水素圧力及び酸素圧力を低下させる場合には、モータの操作に対して空気調圧弁の閉弁操作を遅らせ、これによりモータに停止信号が入力されてから実際に停止するまでの間の、正極側ガス室内圧力のオーバーシュートを防止することで、極間差圧の増大を防止する技術が開示されている。
特開２００１−３５５１６号公報 Regarding the fuel cell system, there is a problem of preventing an increase in the differential pressure between the positive electrode side gas chamber and the negative electrode side gas chamber when the pressures of hydrogen and oxygen supplied to the system are decreased in accordance with changes in electromotive force. It has been known. In this regard, Patent Document 1 includes a compressor that supplies oxygen to the positive gas chamber, a motor that drives the compressor, and an air pressure adjustment valve that adjusts the discharge pressure of the reaction product from the positive gas chamber, When lowering the pressure and oxygen pressure, delay the closing operation of the air pressure control valve relative to the operation of the motor, so that the positive side gas from when the stop signal is input to the motor until it actually stops A technique for preventing an increase in the differential pressure between the electrodes by preventing an overshoot of the indoor pressure is disclosed.
JP 2001-35516 A

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、水素の消費量について考慮されていない。水素の消費量は発電電流が大きければ多くなるので、例えば、発電電流が大きい状態からモータを停止する場合には、モータへの停止信号入力とともに水素の供給を停止すると、モータの応答遅れにより酸素は供給され続けているにもかかわらず、水素は消費されてしまい、負極側ガス室の方が早く減圧する状況が生じ得る。このような状況となっても、特許文献１では空気調圧弁の開度を大きくする構成にはなっていないので、極間差圧が増大してしまう。   However, the technique disclosed in Patent Document 1 does not consider the consumption of hydrogen. Since the consumption of hydrogen increases as the generated current increases, for example, when the motor is stopped from a state where the generated current is large, if the supply of hydrogen is stopped together with the stop signal input to the motor, the oxygen response is delayed due to the motor response delay. In spite of being continuously supplied, hydrogen is consumed, and a situation may occur in which the negative-side gas chamber is depressurized earlier. Even in such a situation, since the opening of the air pressure regulating valve is not configured in Patent Document 1, the pressure difference between the electrodes increases.

そこで、本発明では、水素圧力及び酸素圧力を目標圧力となるよう制御する場合に、水素圧力と空気圧力とで圧力の変化速度に違いがあっても、水素と空気の差圧が増大することを防止することを目的とする。   Therefore, in the present invention, when the hydrogen pressure and the oxygen pressure are controlled to be the target pressure, even if there is a difference in the rate of change in pressure between the hydrogen pressure and the air pressure, the differential pressure between hydrogen and air increases. The purpose is to prevent.

本発明の燃料電池システムは、燃料ガス又は酸化剤ガスの一方を第１物質とし他方を第２物質とし、第１物質が供給されることにより圧力が変化する第１物質空間と、第２物質が供給されることにより圧力が変化する第２物質空間と、を有する燃料電池と、第１物質空間の圧力を変化させる第１物質圧力変化手段と、第２物質空間の圧力を変化させる第２物質圧力変化手段と、第１物質圧力変化手段及び第２物質圧力変化手段を制御する燃料電池システム制御手段と、を備える。第１物質空間の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第１の時間より、第２物質空間の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第２の時間の方が短い燃料電池システムである。さらに、燃料電池システム制御手段は、基準目標値生成手段、第１物質予想圧力生成手段、第２物質制御手段、第２物質圧力挙動生成手段、第１物質制御手段及び第１物質目標圧力選択手段を有する。基準目標値生成手段は、燃料電池への負荷要求に基づいて圧力の目標値の基準となる基準目標圧力を生成する。第１物質予想圧力生成手段は、第１物質制御手段により第１物質空間の圧力が基準目標圧力に漸次近づくように制御される場合の、第１物質空間の圧力の時間的変化の予想値である第１物質予想圧力を生成する。第２物質制御手段は、第１物質予想圧力と第２物質空間の圧力との乖離が漸次小さくなるように、第１物質予想圧力に基づいて第２物質圧力変化手段への指令値である第２物質制御指令を生成する。第２物質圧力挙動生成手段は、第２物質空間の圧力を検知する手段の検知結果、又は、第２物質空間の圧力の目標値としての第１物質予想圧力に基づいて第２物質空間の圧力の挙動を近似ないしは一致させるよう行った演算の結果を第２物質圧力挙動値として生成する。第１物質制御手段は、第２物質圧力挙動値または基準目標圧力のいずれか一方に基づいて第１物質圧力変化手段への指令値である第１物質制御指令を生成し、第１物質目標圧力選択手段は、基準目標圧力と第２物質圧力挙動値のうち第１物質空間の圧力と第２物質空間の圧力の乖離が小さくなる方を、第１物質空間の目標圧力である第１物質目標圧力として選択し、この第１物質目標圧力を第１物質制御手段へ印加する目標値とする。 The fuel cell system of the present invention includes a first material space in which one of fuel gas or oxidant gas is a first material and the other is a second material, and the pressure changes when the first material is supplied, and the second material A fuel cell having a second material space whose pressure changes by being supplied, first material pressure changing means for changing the pressure of the first material space, and a second material for changing the pressure of the second material space. A substance pressure changing means; and a fuel cell system control means for controlling the first substance pressure changing means and the second substance pressure changing means. From the first time required for the pressure of the first material space to change from the predetermined first pressure to the predetermined second pressure, the pressure of the second material space is changed from the predetermined first pressure to the predetermined second pressure. This is a fuel cell system in which the second time required to change to the pressure is shorter. Further, the fuel cell system control means includes reference target value generation means, first substance expected pressure generation means, second substance control means, second substance pressure behavior generation means , first substance control means, and first substance target pressure selection means. Have The reference target value generating means generates a reference target pressure that serves as a reference for the target pressure value based on a load request to the fuel cell. The first substance expected pressure generating means is an expected value of the temporal change in the pressure of the first substance space when the first substance control means is controlled so that the pressure of the first substance space gradually approaches the reference target pressure. A certain first substance expected pressure is generated. The second substance control means is a command value to the second substance pressure changing means based on the first substance expected pressure so that the deviation between the first substance expected pressure and the pressure of the second substance space is gradually reduced. Generate two substance control commands. The second substance pressure behavior generating means is a pressure of the second substance space based on a detection result of the means for detecting the pressure of the second substance space or an expected first substance pressure as a target value of the pressure of the second substance space. The result of the calculation performed to approximate or match the behavior of is generated as the second substance pressure behavior value. The first substance control means generates a first substance control command, which is a command value to the first substance pressure change means, based on either the second substance pressure behavior value or the reference target pressure , and the first substance target pressure The selection means selects the one of the reference target pressure and the second substance pressure behavior value that has a smaller divergence between the pressure of the first substance space and the pressure of the second substance space, which is the first substance space target pressure. The pressure is selected as a pressure, and this first substance target pressure is set as a target value to be applied to the first substance control means .

本発明によれば、例えば第１物質、第２物質の一方を水素、他方を空気とし、水素圧力と空気圧力とをそれぞれ目標圧力となるよう制御する場合に、水素圧力と空気圧力との差圧が増大することを防止できる。   According to the present invention, for example, when one of the first substance and the second substance is hydrogen and the other is air, and the hydrogen pressure and the air pressure are controlled to be the target pressures, respectively, the difference between the hydrogen pressure and the air pressure is determined. An increase in pressure can be prevented.

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[燃料電池システムの構成]
図１は、第１実施形態を適用する燃料電池システムの構成図である。 [Configuration of fuel cell system]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system to which the first embodiment is applied.

１は燃料電池、２は燃料電池１に供給する水素を貯蔵する水素タンク、７は水素循環装置、９は排水処理装置、１０ａは外気を取り込み燃料電池１に空気を供給するコンプレッサ、１０ｂはインバータ、１１は燃料電池１に供給する空気を加湿する加湿装置、１３は燃料電池１を冷却するための冷却水を循環させるための冷却水ポンプ、１７は大気との熱交換により冷却水の温度を低下させるラジエタ、２０は燃料電池１で発生させた電力を取り出すＤＣＤＣコンバータ、３０は燃料電池システムの制御を行う制御手段としてのコントロールユニットである。   1 is a fuel cell, 2 is a hydrogen tank for storing hydrogen to be supplied to the fuel cell 1, 7 is a hydrogen circulation device, 9 is a wastewater treatment device, 10a is a compressor that takes in outside air and supplies air to the fuel cell 1, and 10b is an inverter , 11 is a humidifier for humidifying the air supplied to the fuel cell 1, 13 is a cooling water pump for circulating cooling water for cooling the fuel cell 1, and 17 is the temperature of the cooling water by heat exchange with the atmosphere. A radiator 20 for lowering, a DCDC converter 20 for extracting electric power generated in the fuel cell 1, and a control unit 30 as a control means for controlling the fuel cell system.

燃料電池１は、例えば、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池であり、アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され発電される。   The fuel cell 1 is, for example, a solid polymer fuel cell using a solid polymer electrolyte. Hydrogen gas is supplied to the anode and air is supplied to the cathode, and an electrode reaction shown below proceeds to generate power.

アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-…（１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ…（２）
アノードへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁４、水素供給弁５を通じてなされる。水素タンクから供給される高圧水素は、減圧弁４で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁５で燃料電池１での水素圧力が所望の水素圧力に制御される。 Anode (hydrogen electrode): H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode (oxygen electrode): 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
Hydrogen supply to the anode is performed from the hydrogen tank 2 through the hydrogen tank main valve 3, the pressure reducing valve 4, and the hydrogen supply valve 5. The high-pressure hydrogen supplied from the hydrogen tank is mechanically reduced to a predetermined pressure by the pressure reducing valve 4, and the hydrogen pressure in the fuel cell 1 is controlled to a desired hydrogen pressure by the hydrogen supply valve 5.

水素ポンプ等を用いた水素循環装置７は、アノードで消費されなかった水素を水素循環路１９を介して再循環させるために設置する。   The hydrogen circulation device 7 using a hydrogen pump or the like is installed to recycle hydrogen that has not been consumed at the anode through the hydrogen circulation path 19.

アノードの水素圧力は、圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁５を駆動することによって制御される。水素圧力を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。   The hydrogen pressure of the anode is controlled by driving the hydrogen supply valve 5 by feeding back the hydrogen pressure detected by the pressure sensor 6a. By controlling the hydrogen pressure to a desired target pressure, the amount of hydrogen consumed by the fuel cell is automatically compensated.

パージ弁８は、つぎのような役割を果たす。（１）水素循環機能を確保するために、水素系（アノード、水素循環装置７、水素循環路１９）内に蓄積した窒素を排出する。（２）セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。（３）起動時に水素系を水素で置換するために水素系内のガスを排出する。   The purge valve 8 plays the following role. (1) In order to ensure the hydrogen circulation function, the nitrogen accumulated in the hydrogen system (anode, hydrogen circulation device 7, hydrogen circulation path 19) is discharged. (2) In order to recover the cell voltage, the water clogged in the gas flow path is blown away. (3) The gas in the hydrogen system is discharged to replace the hydrogen system with hydrogen at the time of startup.

排水素処理装置９は、パージ弁８から排出されるガスに含まれる水素の濃度を可燃濃度未満になるように、空気で希釈して系外へ排出するか、あるいは水素と空気中の酸素とを燃焼触媒により反応させることで排出水素濃度を下げる。   The exhaust hydrogen treatment device 9 dilutes with hydrogen so that the concentration of hydrogen contained in the gas discharged from the purge valve 8 is less than the flammable concentration and discharges it out of the system, or hydrogen and oxygen in the air. The exhaust hydrogen concentration is reduced by reacting with a combustion catalyst.

カソードへの空気はコンプレッサ１０により供給される。   Air to the cathode is supplied by the compressor 10.

インバータ１０ｂは、ここでは、コンプレッサ１０ａの回転数を制御するインバータと、コンプレッサ１０ａのロータを回転させるモータ及びこのモータ用のインバータを制御するマイコンとを合わせたものを指す。   Here, the inverter 10b indicates a combination of an inverter that controls the rotation speed of the compressor 10a, a motor that rotates the rotor of the compressor 10a, and a microcomputer that controls the inverter for the motor.

加湿装置１１は、供給する空気を加湿する。カソードの空気圧力は、圧力センサ６ｂで検出した空気圧力をフィードバックして空気調圧弁１２、コンプレッサ１０を駆動することによって制御される。   The humidifier 11 humidifies the supplied air. The cathode air pressure is controlled by driving the air pressure regulating valve 12 and the compressor 10 by feeding back the air pressure detected by the pressure sensor 6b.

カソードの空気流量は、コントロールユニット３０が流量センサ６ｃで検出した空気流量をフィードバックして空気調圧弁１２、コンプレッサ１０を駆動することによって制御される。   The cathode air flow rate is controlled by driving the air pressure regulating valve 12 and the compressor 10 by feeding back the air flow rate detected by the control unit 30 with the flow rate sensor 6c.

空気調圧弁１２は、弁を駆動するモータと、弁開度を目標値に制御するマイコンとを合わせたものを指す。なお、インバータ１０ｂ、空気調圧弁１２のそれぞれのマイコンは、必須の構成要素ではなく、必要がなければ用いなくてもよい。   The air pressure regulating valve 12 refers to a combination of a motor that drives the valve and a microcomputer that controls the valve opening to a target value. Note that the microcomputers of the inverter 10b and the air pressure regulating valve 12 are not indispensable components and may be omitted if not necessary.

ここで、流量センサ６ｃは、反応ガスとしての空気の質量流量を検出する熱線式（ホットワイヤ式）流量センサであり、空気とセンサを構成する通電線（熱線）とが熱交換し、空気温度と通電線温度との差が一定となる通電線の発熱量に基づいて、空気の質量流量を検出するものである。また、流量センサ６ｃの流量検出値が第１所定値以下の範囲で、検出値の最大誤差が所定値以上となり、流量検出値が第１所定値を超えた範囲で、検出値の最大誤差が所定値以下となる誤差特性を有している。   Here, the flow rate sensor 6c is a hot wire type (hot wire type) flow rate sensor that detects the mass flow rate of air as a reaction gas, and heat exchange is performed between the air and a conducting wire (heat wire) that constitutes the sensor. The mass flow rate of air is detected on the basis of the heat generation amount of the energization wire in which the difference between the temperature and the energization wire temperature is constant. In addition, when the flow rate detection value of the flow sensor 6c is within the first predetermined value or less, the maximum error of the detection value is greater than or equal to the predetermined value, and when the flow rate detection value exceeds the first predetermined value, the maximum error of the detection value is It has an error characteristic that is a predetermined value or less.

また、流量センサ６ｃが流量を検出する空気の圧力、温度は、それぞれ圧力センサ６ｅ、温度センサ６ｄにより検出され、コントロールユニット３０に入力される。   The pressure and temperature of the air whose flow rate sensor 6c detects the flow rate are detected by the pressure sensor 6e and the temperature sensor 6d, respectively, and input to the control unit 30.

冷却水流路への冷却水は冷却水ポンプ１３により供給される。三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７方向とラジエタバイパス方向に切り替えや分流する。ラジエタファン１８は、ラジエタ１７へ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は、温度センサ１４によって燃料電池入口の温度を、温度センサ１５によって燃料電池出口の温度を検出し、これらに基づいてコントロールユニット３０が三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整する。   Cooling water to the cooling water flow path is supplied by the cooling water pump 13. The three-way valve 16 switches or diverts the flow path of the cooling water between the direction of the radiator 17 and the direction of the radiator bypass. The radiator fan 18 cools the cooling water by passing air through the radiator 17. The temperature of the cooling water is detected by detecting the temperature at the fuel cell inlet with the temperature sensor 14 and the temperature at the fuel cell outlet with the temperature sensor 15, and the control unit 30 drives the three-way valve 16 and the radiator fan 18 based on these. adjust.

ＤＣＤＣコンバータ２０は、燃料電池１から出力を取り出して、図示しない車両駆動モータ等の負荷装置へ供給する。   The DCDC converter 20 takes out the output from the fuel cell 1 and supplies it to a load device such as a vehicle drive motor (not shown).

コントロールユニット３０は、基準目標値生成手段、第１物質予想圧力生成手段、第２物質制御手段、第２物質圧力挙動生成手段及び第１物質制御手段を有する構成であって、燃料電池システム全体を制御すると共に、本実施形態に係る燃料電池１の制御装置である。また、コントロールユニット３０は、ＣＰＵと周辺インターフェースを有するマイクロコンピュータで実現されている。   The control unit 30 includes a reference target value generation unit, a first substance expected pressure generation unit, a second substance control unit, a second substance pressure behavior generation unit, and a first substance control unit. It is the control apparatus of the fuel cell 1 which concerns on this embodiment while controlling. The control unit 30 is realized by a microcomputer having a CPU and a peripheral interface.

上記構成において、コンプレッサ１０ａから空気調圧弁１２までの配管と燃料電池１のカソード容積とを合わせたものをカソード系（第１物質空間）、水素供給弁５からパージ弁８までの配管と燃料電池１のアノード容積とを合わせたものをアノード系（第２物質空間）と称する。   In the above configuration, the combination of the piping from the compressor 10a to the air pressure regulating valve 12 and the cathode volume of the fuel cell 1 is the cathode system (first material space), the piping from the hydrogen supply valve 5 to the purge valve 8 and the fuel cell. A combination of the anode volume of 1 is referred to as an anode system (second material space).

次に、図１に示した燃料電池システムの制御について説明する。なお、ここでは、燃料電池システムを車両に搭載した燃料電池自動車を例に説明する。   Next, control of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described. Here, a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system in a vehicle will be described as an example.

本実施形態は、第１物質を外気よりコンプレッサ１０ａにより取り込まれる空気、第２物質を水素タンク２から供給される水素ガス、第１物質空間をコンプレッサ１０ａから空気調圧弁１２までの配管及び燃料電池１のカソード系、第２物質空間を水素供給弁５からパージ弁８までの配管及び燃料電池１のアノード系、第１物質圧力変化手段を空気調圧弁１２、第２物質圧力変化手段を水素供給弁５、第１物質供給手段をコンプレッサ１０ａとする。   In the present embodiment, the first substance is taken in from the outside air by the compressor 10a, the second substance is hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 2, the first substance space is connected from the compressor 10a to the air pressure regulating valve 12, and the fuel cell. 1 cathode system, the second material space from the hydrogen supply valve 5 to the purge valve 8 and the anode system of the fuel cell 1, the first material pressure changing means is the air pressure regulating valve 12, and the second material pressure changing means is supplied with hydrogen. The valve 5 and the first substance supply means are a compressor 10a.

本実施形態の場合、水素は高圧で水素タンク２に貯蔵され、水素供給弁５の開度制御により燃料電池１のアノードにおける水素圧力が所望の圧力となるよう調整される。一方で、空気は外気から取り込まれ、コンプレッサ１０ａの回転数制御により燃料電池１のカソードにおける空気圧力が所望の圧力となるよう調整される。   In the present embodiment, hydrogen is stored in the hydrogen tank 2 at a high pressure, and the hydrogen pressure at the anode of the fuel cell 1 is adjusted to a desired pressure by controlling the opening of the hydrogen supply valve 5. On the other hand, air is taken in from outside air, and the air pressure at the cathode of the fuel cell 1 is adjusted to a desired pressure by controlling the rotational speed of the compressor 10a.

したがって、目標圧力の変更に応じて制御信号が入力された場合、制御信号に対する応答性は水素供給弁５の方がコンプレッサ１０ａよりもよいため、アノードの方がカソードよりも圧力上昇し易い。   Therefore, when a control signal is input in accordance with the change in the target pressure, the hydrogen supply valve 5 is better than the compressor 10a in terms of responsiveness to the control signal.

ただし、圧力降下については、どちらが早く降下するかは、以下の理由により状況によって異なる。   However, as for pressure drop, which one drops faster depends on the situation for the following reasons.

水素圧力は、パージ弁８の開度を大きくすることや、ＤＣＤＣコンバータ２０により取り出される電流に応じて水素が消費されることにより減じられる。一方で、空気圧力はコンプレッサ１０ａから供給される空気流量を減じるか、空気調圧弁１２の開度を大きくすることにより減じられる。   The hydrogen pressure is reduced by increasing the opening of the purge valve 8 or by consuming hydrogen according to the current taken out by the DCDC converter 20. On the other hand, the air pressure is reduced by reducing the flow rate of air supplied from the compressor 10 a or increasing the opening of the air pressure regulating valve 12.

このとき、ＤＣＤＣコンバータ２０により取り出される電流が大きいと水素の消費量が多くなるので、水素圧力の低下が、空気調圧弁１２の開度を大きくし、かつコンプレッサ１０ａの回転数を低下させて空気圧力を減じるよりも早くなる場合もあり得る。逆に、ＤＣＤＣコンバータ２０より取り出される電流が小さければ、空気圧力の方が水素圧力よりも早く低下する場合もあり得る。   At this time, if the current drawn out by the DCDC converter 20 is large, the amount of hydrogen consumption increases, so that the decrease in the hydrogen pressure increases the opening of the air pressure regulating valve 12 and the rotational speed of the compressor 10a to reduce the air. It can be faster than reducing the pressure. On the contrary, if the electric current taken out from the DCDC converter 20 is small, the air pressure may decrease faster than the hydrogen pressure.

このように、圧力を上昇させる場合は、水素圧力の方が空気圧力よりも早く上昇し易く、圧力を降下させる場合は、水素圧力と空気圧力のいずれが早く降下するかは状況によって異なる。   Thus, when the pressure is increased, the hydrogen pressure is likely to increase faster than the air pressure, and when the pressure is decreased, which of the hydrogen pressure and the air pressure decreases earlier depends on the situation.

そこで、本実施形態では、次に説明する制御を行うことにより、水素圧力と空気圧力のいずれが早く降下する場合であっても、水素圧力と空気圧力の差圧の増大を抑制し、かつ迅速な圧力変化を行うこととする。   Therefore, in the present embodiment, by performing the control described below, an increase in the differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure is suppressed and promptly performed regardless of whether the hydrogen pressure or the air pressure drops quickly. To change the pressure.

図２は、コントロールユニット３０が実行する制御のフローチャートである。この制御は所定時間毎（例えば１ｍｓ毎）に繰り返し実行する。   FIG. 2 is a flowchart of control executed by the control unit 30. This control is repeatedly executed every predetermined time (for example, every 1 ms).

ステップＳ１００では、燃料電池１への負荷要求を検知する。例えば、車両のアクセル開度センサ等により、アクセル開度[ｄｅｇ]を負荷要求[ｋＷ]として検知する。具体的には、図３に示すような、アクセル開度[ｄｅｇ]が大きくなるほど負荷要求が大きくなるようなアクセル開度−負荷要求テーブルを、実験等により予め作成してコントロールユニット３０内に格納しておき、これをアクセル開度センサの検出値で検索する。アクセル開度[ｄｅｇ]の変化に対する負荷要求の特性については、様々な走行パターンを実際に走行して、例えば乗り心地等の要求性能を満たすパターンを選択すればよい。また、負荷要求は、燃料電池１が発電する電力[ｋＷ]とすればよい。   In step S100, a load request to the fuel cell 1 is detected. For example, the accelerator opening [deg] is detected as the load request [kW] by an accelerator opening sensor of the vehicle. Specifically, as shown in FIG. 3, an accelerator opening-load request table in which the load request increases as the accelerator opening [deg] increases is created in advance by experiment or the like and stored in the control unit 30. In addition, this is searched by the detection value of the accelerator opening sensor. As for the characteristics of the load request with respect to the change in the accelerator opening [deg], it is only necessary to select a pattern that actually travels in various travel patterns and satisfies the required performance such as riding comfort. Further, the load request may be electric power [kW] generated by the fuel cell 1.

ステップＳ１０１では、燃料電池１が負荷要求に応じて発電するのに必要な空気流量の目標値である目標空気流量[ＮＬ／ｍｉｎ]、及び基準目標圧力[ｋＰａ−ｇ]（[ｋＰａ−ｇ]は、大気圧に対するゲージ圧）を決定する。   In step S101, the target air flow rate [NL / min], which is the target value of the air flow rate required for the fuel cell 1 to generate power in response to the load request, and the reference target pressure [kPa-g] ([kPa-g]). Determines the gauge pressure relative to atmospheric pressure).

ここでは、それぞれ図４、図５に示すように、負荷要求が大きくなるほど目標空気流量、基準目標圧力が大きくなるテーブルを用いて決定する。負荷要求に対する目標空気流量の特性については、実験等に基づいて、実際に燃料電池１が十分な発電を行うことができるような値を設定すればよい。   Here, as shown in FIGS. 4 and 5, the determination is made using tables in which the target air flow rate and the reference target pressure increase as the load requirement increases. About the characteristic of the target air flow rate with respect to a load request | requirement, what is necessary is just to set the value which the fuel cell 1 can actually perform sufficient electric power generation based on experiment etc.

負荷要求に対する基準目標圧力の特性の設定方法としては、まず所定の負荷要求に対して相対的に大きな圧力を設定し、そこから徐々に圧力を低下させていき、燃料電池１の発電電圧が振動的にならない値を設定する。圧力が大きいほど、コンプレッサ１０ａや水素を多く使用することになり、燃料電池自動車の１回の充填あたりの航続距離が短くなってしまうため、圧力は低い方が望ましい。振動的になっているか否かについては、例えば、一定電流の運転状態で２０秒間程度運転したときの、電圧の時刻歴応答を所得し、その平均値と最大値及び最小値との差や、電圧の分散等に基づいて判断すればよい。最大値と最小値の差が１０Ｖ程度であれば、適切な設定であるといえる。   As a method of setting the characteristic of the reference target pressure with respect to the load request, first, a relatively large pressure is set with respect to a predetermined load request, and then the pressure is gradually reduced from that, and the generated voltage of the fuel cell 1 vibrates. Set a value that doesn't work. The higher the pressure, the more the compressor 10a and hydrogen are used, and the cruising distance per filling of the fuel cell vehicle is shortened. Therefore, the lower pressure is desirable. As to whether or not it is vibrating, for example, when operating for about 20 seconds in a constant current operating state, the time history response of voltage is obtained, the difference between the average value and the maximum and minimum values, The determination may be made based on voltage dispersion or the like. If the difference between the maximum value and the minimum value is about 10V, it can be said that the setting is appropriate.

また、目標空気流量[ＮＬ／ｍｉｎ]及び基準目標圧力[ｋＰａ−ｇ]の設定方法として、式（１）に示すように動特性を持たせた信号を設定してもよい。なお、動特性の表現方法としては、式（１）に限られず、他の公知の動特性表現を利用してもよい。   Further, as a method for setting the target air flow rate [NL / min] and the reference target pressure [kPa-g], a signal having dynamic characteristics may be set as shown in Expression (1). The dynamic characteristic expression method is not limited to the expression (1), and other known dynamic characteristic expression may be used.

ｙ（ｔ）＝（１−ｅｘｐ（−ａｔ））ｕ（ｔ） ・・・（１）
ただし、ｕ（ｔ）は図４、図５のテーブルにより算出された値、ａは所定値、ｙ（ｔ）は基準目標圧力[ｋＰａ−ｇ]または目標空気流量[ＮＬ／ｍｉｎ]である。 y (t) = (1-exp (-at)) u (t) (1)
However, u (t) is a value calculated from the tables of FIGS. 4 and 5, a is a predetermined value, and y (t) is a reference target pressure [kPa-g] or a target air flow rate [NL / min].

また、時間的変化を制約してもよい。具体的には、ｕ（ｔ）−ｕ（ｔ−Δｔ）とΔｓの大きさを比較し、Δｓの方が小さい場合は式（２）、大きい場合は式（３）により設定する。   Moreover, you may restrict | limit a time change. Specifically, u (t) −u (t−Δt) and Δs are compared, and when Δs is smaller, it is set according to equation (2) and when Δs is larger, it is set according to equation (3).

ｙ（ｔ）＝ｕ（ｔ−Δｔ）＋Δｓ ・・・（２）
ｙ（ｔ）＝ｕ（ｔ） ・・・（３）
ここで、Δｔは本制御の演算周期、Δｓはパラメータ（単位は、圧力の場合には[ｋＰａ]、流量の場合には[ＮＬ／ｍｉｎ]とする）、ｔは演算が行われている時刻又はそのステップ数である。 y (t) = u (t−Δt) + Δs (2)
y (t) = u (t) (3)
Here, Δt is the calculation cycle of this control, Δs is a parameter (the unit is [kPa] for pressure and [NL / min] for flow rate), and t is the time when the calculation is performed. Or the number of steps.

Δｓ、ａをゼロに近い正の値とすると、ｕ（ｔ）の変化に対してｙ（ｔ）は緩慢な変化となり、正方向に大きくするほどｕ（ｔ）に対して応答性が高いｙ（ｔ）を計算できる。実際には、後述するコンプレッサ１０ａのモータやインバータ１０ｂへ印加するトルクや電流の飽和が生じても、安定した発電を行うことができる値が望ましい。安定して発電が行えるか否かは、例えば、負荷要求を１[ｋＷ]から１０[ｋＷ]（１０[ｋＷ]が実現不可能ならば、燃料電池１が発電可能な最大電力）まで変動させる実験を行い、定常状態（例えば負荷変動を開始してから１０秒後）の発電電圧と、本実験中の最低電圧との差が１０[Ｖ]程度であれば、安定した発電が行われていると判断する。   When Δs, a is a positive value close to zero, y (t) changes slowly with respect to changes in u (t), and y increases in the positive direction and becomes more responsive to u (t). (T) can be calculated. Actually, a value capable of stable power generation is desirable even when the torque or current applied to the motor of the compressor 10a and the inverter 10b described later is saturated. Whether or not power generation can be performed stably varies, for example, from 1 [kW] to 10 [kW] (if 10 [kW] cannot be realized, the maximum power that can be generated by the fuel cell 1). If an experiment is performed and the difference between the generated voltage in a steady state (for example, 10 seconds after the start of load fluctuation) and the minimum voltage in this experiment is about 10 [V], stable power generation is performed. Judge that

ところで、ａ又はΔｓの値を、大気圧や外気温度に応じて変化させることもできる。例えば、図６に示すように、大気圧、外気温度が低くなるほどａ、Δｓが小さくなるようなテーブルを予め作成しておく。なお、Δｓをボイル・シャルルの法則に基づいて式（４）により補正してもよい。   By the way, the value of a or Δs can be changed according to the atmospheric pressure or the outside air temperature. For example, as shown in FIG. 6, a table is prepared in advance such that a and Δs decrease as the atmospheric pressure and the outside air temperature decrease. Note that Δs may be corrected by Equation (4) based on Boyle-Charles' law.

Δｓ＝ｋ×（Ｐ／Ｐ0）×（Ｔ0／Ｔ） ・・・（４）
ただし、ｋはΔｓと同様に実験により求められる値、Ｐ0、Ｔ0はゼロ℃、１[ａｔｍ]等の標準状態の値を用いる。 Δs = k × (P / P 0 ) × (T 0 / T) (4)
However, k is a value obtained by experiment similarly to Δs, and P 0 and T 0 are values in a standard state such as zero ° C. and 1 [atm].

このように、大気圧が低くなるのに応じて、また外気温度が高くなるのに応じて、つまり外気の空気密度が低下するのに応じて、目標空気流量の時間変化が小さくなる。この作用により、インバータ１０ｂの操作量が飽和する時期を予想することができる。すなわち、インバータ１０ｂが飽和するときのａやΔｓの値を、予め実験等によって求め、これに基づいて上述した方法により目標空気流量を求めることで、後述する予想空気圧力の時間的変化も、外気の空気密度の低下に応じて小さくすることができる。   Thus, as the atmospheric pressure decreases and the outside air temperature increases, that is, as the air density of the outside air decreases, the time change of the target air flow rate decreases. With this action, it is possible to predict the time when the operation amount of the inverter 10b is saturated. That is, the values of a and Δs when the inverter 10b is saturated are obtained in advance by experiments and the target air flow rate is obtained by the above-described method based on this value, so that the temporal change in expected air pressure described later can be It can be made smaller as the air density decreases.

これにより、密度の低い空気を取り込むコンプレッサ１０ａを駆動するモータへ印加するトルクや電流が飽和しても、この飽和の影響を低減することができるので、インバータ１０ｂの操作量が飽和した場合に、コンプレッサ１０ａから供給される空気の質量流量も飽和の影響を受けて、飽和がない場合より流量が小さくなることを予防することができる。   As a result, even if the torque or current applied to the motor that drives the compressor 10a that takes in low-density air is saturated, the influence of this saturation can be reduced, so when the operation amount of the inverter 10b is saturated, The mass flow rate of the air supplied from the compressor 10a is also affected by saturation, so that the flow rate can be prevented from becoming smaller than when there is no saturation.

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で作成された基準目標圧力、目標空気流量に基づいて、後述する方法により目標空気圧力及び目標水素圧力を生成する。目標空気圧力、目標水素圧力とは、それぞれ圧力センサ６ａ、６ｂで検出する圧力の目標値である。   In step S102, based on the reference target pressure and the target air flow created in step S101, a target air pressure and a target hydrogen pressure are generated by a method described later. The target air pressure and the target hydrogen pressure are target values of pressures detected by the pressure sensors 6a and 6b, respectively.

ステップＳ１０３では、圧力センサ６ａ、６ｂで実際に検出した圧力、流量センサ６ｃで検出した空気流量、ステップＳ１０２で生成した目標空気圧力及び目標水素圧力を用いて、コンプレッサ１０ａの指令回転数[ｒｐｍ]、空気調圧弁１２の操作量、及び水素供給弁５の操作量を生成する。   In step S103, using the pressure actually detected by the pressure sensors 6a and 6b, the air flow rate detected by the flow sensor 6c, the target air pressure and the target hydrogen pressure generated in step S102, the command rotational speed [rpm] of the compressor 10a. The operation amount of the air pressure regulating valve 12 and the operation amount of the hydrogen supply valve 5 are generated.

例えば、空気調圧弁１２の操作量は、空気調圧弁１２を駆動するモータ及びマイコンに伝達する目標開度[ｄｅｇ]とする。このマイコンは、空気調圧弁１２の開度を測定する開度センサ（例えばポテンショメータ）とコントロールユニット３０から伝達された目標値とに基づいて、ＰＩＤ制御理論のような公知の制御手法を用いて、目標開度を実現する。   For example, the operation amount of the air pressure regulating valve 12 is a target opening degree [deg] transmitted to the motor and the microcomputer that drive the air pressure regulating valve 12. This microcomputer uses a known control method such as PID control theory based on an opening sensor (for example, a potentiometer) that measures the opening of the air pressure regulating valve 12 and a target value transmitted from the control unit 30. Achieve the target opening.

コンプレッサ１０ａの指令回転数は、コンプレッサ１０ａの回転数を制御しているインバータ１０ｂへと伝達される。インバータ１０ｂでは、伝達された指令回転数を目標値として、コンプレッサ１０ａの回転数が指令回転数となるように、コンプレッサ１０ａを駆動するモータへトルクを印加する。このトルクの演算は、例えばＰＩＤ制御理論やベクトル制御のような公知の制御手法を用いて容易に実現可能である。もちろん、指令回転数のかわりにコンプレッサ１０ａを駆動するモータに印加するトルク[Ｎｍ]を演算してもよい。この場合も公知の制御手法を用いればよい。   The command rotational speed of the compressor 10a is transmitted to the inverter 10b that controls the rotational speed of the compressor 10a. Inverter 10b applies torque to the motor that drives compressor 10a so that the rotational speed of compressor 10a becomes the command rotational speed, using the transmitted command rotational speed as a target value. This torque calculation can be easily realized by using a known control method such as PID control theory or vector control. Of course, the torque [Nm] applied to the motor that drives the compressor 10a may be calculated instead of the command rotational speed. In this case as well, a known control method may be used.

水素供給弁５の操作量は、例えば、水素供給弁５を駆動するモータ及びマイコンに伝達する目標値とすればよい。このマイコンは、水素供給弁５の開度を測定する開度センサ（例えばポテンショメータ）とコントロールユニット３０から伝達された目標値とに基づいて、ＰＩＤ理論等の公知の制御手法により水素供給弁５の操作量の目標値を実現することができる。   The operation amount of the hydrogen supply valve 5 may be a target value that is transmitted to a motor that drives the hydrogen supply valve 5 and a microcomputer, for example. This microcomputer uses a known control technique such as PID theory based on an opening sensor (for example, a potentiometer) that measures the opening of the hydrogen supply valve 5 and a target value transmitted from the control unit 30. The target value of the operation amount can be realized.

なお、空気調圧弁１２及び水素供給弁５は、コントロールユニット３０からＰＷＭ信号によって直接駆動される形態であってもよい。   The air pressure regulating valve 12 and the hydrogen supply valve 5 may be driven directly by the PWM signal from the control unit 30.

また、圧力センサ６ａ、６ｂ、及び流量センサ６ｃの信号をフィードバックする必要がなければ、公知の手法であるフィードフォワード制御も使うことができる。   In addition, if it is not necessary to feed back the signals of the pressure sensors 6a and 6b and the flow rate sensor 6c, a feed-forward control that is a known method can be used.

ここで、ステップＳ１０２における、目標空気圧力及び目標水素圧力の生成について説明する。   Here, generation of the target air pressure and the target hydrogen pressure in step S102 will be described.

図７は、目標空気圧力及び目標水素圧力を生成するための制御のフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart of control for generating the target air pressure and the target hydrogen pressure.

ステップＳ２００では、目標空気圧力が基準目標圧力である場合の、圧力センサ６ｂの応答（以下、予想空気圧力と称する）を予想する。そして、この予想空気圧力を目標水素圧力として設定する。   In step S200, a response of the pressure sensor 6b (hereinafter referred to as an expected air pressure) when the target air pressure is the reference target pressure is predicted. The predicted air pressure is set as the target hydrogen pressure.

図８は、目標空気圧力（＝基準目標圧力）ｒから予想空気圧力ｙまでの制御ブロックを示す図である。図中のｅは目標空気圧力ｒと予想空気圧力ｙとの差である。Ｋはカソードの圧力を制御するための制御手段の伝達関数であり、空気圧力を制御するための制御器と同じ伝達関数、又は空気圧力を制御するための制御器を低次元化した伝達関数である。Ｐは、空気調圧弁１２の開度が変化することによって圧力センサ６ｂの検出値が変化するまでの、カソード系内の特性を表わす伝達関数である。   FIG. 8 is a diagram showing a control block from the target air pressure (= reference target pressure) r to the predicted air pressure y. E in the figure is the difference between the target air pressure r and the expected air pressure y. K is a transfer function of the control means for controlling the pressure of the cathode, and is the same transfer function as the controller for controlling the air pressure or a transfer function with a reduced dimension of the controller for controlling the air pressure. is there. P is a transfer function representing the characteristics in the cathode system until the detected value of the pressure sensor 6b changes as the opening of the air pressure regulating valve 12 changes.

図８より、次の式が導かれる。   The following formula is derived from FIG.

ｙ＝Ｐｕ ・・・（５）
ｕ＝Ｋｅ ・・・（６）
ｅ＝ｒ−ｙ ・・・（７）
ここで、式（６）に式（７）を代入したものを、式（５）に代入して、変形することにより、目標空気圧力ｒから予想空気圧力ｙまでの伝達式として、式（８）が得られる。 y = Pu (5)
u = Ke (6)
e = ry (7)
Here, by substituting equation (7) into equation (6) into equation (5) and transforming it, equation (8) is obtained as a transfer equation from target air pressure r to expected air pressure y. ) Is obtained.

ｙ＝（１＋ＰＫ）-1ＰＫｒ ・・・（８）
この式（８）に、図２のステップＳ１０１で生成した目標空気圧力（基準目標圧力）ｒを代入することにより、予想空気圧力ｙを生成することができる。 y = (1 + PK) −1 PKr (8)
The expected air pressure y can be generated by substituting the target air pressure (reference target pressure) r generated in step S101 of FIG.

式（８）において、Ｋは、例えばＰＩ制御を用いる場合は、式（９）に示すような値になる。   In Expression (8), K is a value as shown in Expression (9) when PI control is used, for example.

Ｋ＝Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ ・・・（９）
ただし、Ｋｐはゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。 K = Kp + Ki / s (9)
However, Kp is a gain, Ki is an integral gain, and s is a Laplace operator.

上記Ｋｐ、Ｋｉは、実験により目標空気圧力への圧力センサ６ｂの追従機能を見ながら、燃料電池１が安定して発電できるような値を求めればよい。   The values of Kp and Ki may be determined so that the fuel cell 1 can stably generate power while observing the function of the pressure sensor 6b to the target air pressure through experiments.

式（８）における伝達関数Ｐは、式（１０）に示すような、目標圧力から圧力センサ６ｂまでの挙動を近似した伝達関数である。   The transfer function P in Expression (8) is a transfer function that approximates the behavior from the target pressure to the pressure sensor 6b as shown in Expression (10).

Ｐ＝ω2／（ｓ2＋２ζωｓ＋ω2） ・・・（１０） P = ω 2 / (s 2 + 2ζωs + ω 2 ) (10)

また、伝達関数Ｐは、公知のシステム同定理論等を用いることにより、操作量ｕが印加されたときの特性を近似したモデルが得られる。あるいは、式（１０）のように伝達関数を仮定して、実験結果と整合するようにζやωの値をチューニングしてもよい。   For the transfer function P, a model approximating the characteristics when the manipulated variable u is applied can be obtained by using a known system identification theory or the like. Alternatively, the value of ζ or ω may be tuned so as to be consistent with the experimental result, assuming a transfer function as in equation (10).

なお、伝達関数Ｐの表現は、式（１０）の形式に限られず、式（８）の計算結果と実験結果との整合性が高いものを選ぶことができる。   Note that the expression of the transfer function P is not limited to the form of the expression (10), and it is possible to select an expression having high consistency between the calculation result of the expression (8) and the experimental result.

この実験結果との整合性については、式（８）により得られた結果と実験結果の相互相関係数が、１に近い値であるかどうかで判断することができる。例えば、相互相関係数が０．５〜０．８、又はそれ以上の値であれば、整合性が高いと判断してよい。   Consistency with this experimental result can be judged by whether or not the cross-correlation coefficient between the result obtained by the equation (8) and the experimental result is a value close to 1. For example, if the cross-correlation coefficient is 0.5 to 0.8 or more, it may be determined that the consistency is high.

ところで、式（８）で得られた伝達関数に対して、式（８）の分母をゼロにする根と、分子をゼロにする根が等しい場合は、それらを取り除き、伝達関数の低次元化を行ってもよい。また、分母がゼロあるいは分子がゼロとなる根の中で原点ゼロとの距離が、他の根と比べて大きい根を省略することにより低次元化を行ってもよい。   By the way, if the root that makes the denominator zero in the equation (8) is equal to the root that makes the numerator zero, the transfer function obtained in equation (8) is removed, and the transfer function is reduced in dimension. May be performed. In addition, among the roots where the denominator is zero or the numerator is zero, the root may be reduced by omitting a root whose distance from the origin zero is larger than other roots.

例えば、原点との距離が最も小さい根の３〜５倍以上大きな距離を持っている信号は省略するようにしても構わない。伝達関数の低次元化は、モード打ち切り法等といった他の公知の手法を用いて行ってもよい。   For example, a signal having a distance 3 to 5 times larger than the root having the smallest distance from the origin may be omitted. The transfer function may be reduced in dimension using another known method such as a mode truncation method.

上記のようにして目標水素圧力を生成したら、ステップＳ２０１に進み、水素圧力を検知する。これは、例えば圧力センサ６ａの信号を用いれば容易に検知できる。   When the target hydrogen pressure is generated as described above, the process proceeds to step S201, and the hydrogen pressure is detected. This can be easily detected by using a signal from the pressure sensor 6a, for example.

ステップＳ２０２では、基準目標圧力と水素圧力の大きさを比較し、水素圧力の方が大きければステップＳ２０３に進んで、基準目標圧力を目標空気圧力とし、小さければステップＳ２０４に進んで、水素圧力を目標空気圧力とする。   In step S202, the reference target pressure and the hydrogen pressure are compared. If the hydrogen pressure is larger, the process proceeds to step S203, and if it is smaller, the process proceeds to step S204. Use the target air pressure.

上述したような構成にすることで、水素圧力の方が早く変化する場合には水素圧力が予想空気圧力に追従する構成となり、空気圧力の方が早く変化する場合には空気圧力が水素圧力に追従する構成となるので、水素圧力と空気圧力の差圧を小さくすることができる。   With the configuration described above, when the hydrogen pressure changes faster, the hydrogen pressure follows the expected air pressure. When the air pressure changes earlier, the air pressure changes to the hydrogen pressure. Since the configuration follows, the differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure can be reduced.

なお、低次元化をするほどマイコンでの演算量が低減でき、計算が容易になる反面、予想精度が低下してしまう（相互相関係数が小さくなる）。そのため、低次元化は、相互相関係数を指標として用いながら、予想精度の低下とマイコンの演算負荷の低減を比較考量しながら行う。   Note that as the number of dimensions is reduced, the amount of calculation in the microcomputer can be reduced and the calculation becomes easier, but the prediction accuracy is reduced (the cross-correlation coefficient is reduced). For this reason, the reduction in dimension is performed while using a cross-correlation coefficient as an index, while reducing the prediction accuracy and reducing the computation load of the microcomputer.

ところで、上記説明では、目標空気流量及びコンプレッサ１０ａの変動による空気圧力への影響を考慮していないが、これらを考慮する場合、以下に説明するように同様に考えることができる。   By the way, in the above description, the influence on the air pressure due to the fluctuation of the target air flow rate and the compressor 10a is not considered, but when these are taken into consideration, the same can be considered as described below.

図９は、目標空気流量及びコンプレッサ１０ａの変動による空気圧力への影響を考慮する場合の制御ブロック図である。図中のｒｆは目標空気流量、ｅｆは目標空気流量ｒｆと流量センサ６ｃで検知されると予想される予想空気流量ｙｆとの差、ｒｐは基準目標圧力、ｅｐは基準目標圧力と圧力センサ６ｂで検知されると予想される予想空気圧力ｙｐとの差、ｕｆはインバータ１０ｂへの仮想的な指令値、ｕｐは空気調圧弁１２への仮想的な指令値である。   FIG. 9 is a control block diagram when the influence on the air pressure due to the target air flow rate and the fluctuation of the compressor 10a is taken into consideration. In the figure, rf is the target air flow rate, ef is the difference between the target air flow rate rf and the expected air flow rate yf that is expected to be detected by the flow sensor 6c, rp is the reference target pressure, and ep is the reference target pressure and the pressure sensor 6b. Uf is a virtual command value to the inverter 10b, and up is a virtual command value to the air pressure regulating valve 12.

ここで、Ｋは２行２列の伝達関数行列となり、Ｐも２行２列の伝達関数行列となる。このときの計算は、式（８）の１を単位行列Ｉとし、ｒを[ｒｆ ｒｐ]T、ｙを[ｙｆ ｙｐ]T（Ｔは転置行列を表わす）とすることで、同様に計算することができる。制御器Ｋ及び伝達関数Ｐ、並びに低次元化については、図８についての説明と同様である。 Here, K is a 2 × 2 transfer function matrix, and P is also a 2 × 2 transfer function matrix. The calculation at this time is similarly performed by setting 1 in the equation (8) as a unit matrix I, r as [rf rp] T , and y as [yf yp] T (T represents a transposed matrix). be able to. The controller K, the transfer function P, and the reduction in dimension are the same as those described with reference to FIG.

実験によれば、目標空気流量が大きくなるほど、コンプレッサ１０ａにより供給される空気流量も大きくなり、コンプレッサ１０ａへの指令値が大きくなると空気圧力も大きくなり易い。そこで、このような物理現象と式（８）で得られる結果の相互相関係数が大きくなるように、式（８）をチューニングすることにより、目標空気流量が大きくなるのに応じて予想空気圧力が大きくなる、という特性が式（８）に盛り込まれる。   According to experiments, as the target air flow rate increases, the air flow rate supplied by the compressor 10a also increases, and the air pressure tends to increase as the command value to the compressor 10a increases. Therefore, by tuning the equation (8) so that the cross-correlation coefficient between the physical phenomenon and the result obtained from the equation (8) is increased, the expected air pressure is increased as the target air flow rate increases. The characteristic that becomes larger is included in the equation (8).

図１０は、この場合の制御システムの構成図である。すなわち、目標空気流量と基準目標圧力から式（８）により予想空気圧力を生成し、これを目標水素圧力として水素系に入力する。なお、図１０中のＫ１は水素系の制御器である。   FIG. 10 is a block diagram of the control system in this case. That is, the predicted air pressure is generated from the target air flow rate and the reference target pressure by the equation (8), and this is input to the hydrogen system as the target hydrogen pressure. Note that K1 in FIG. 10 is a hydrogen-based controller.

そして、水素系の出力と基準目標圧力のうち大きい方を選択して目標空気圧力とし、これと目標空気流量とを用いて、図９に示した制御ブロックを実行する。   Then, the larger one of the hydrogen system output and the reference target pressure is selected as the target air pressure, and the control block shown in FIG. 9 is executed using this and the target air flow rate.

なお、上述した図８、図９はフィードバック制御系を前提としたものであるが、これらに替えてフィードフォワード制御系であってもよい。図１１は、図８に対応するフィードフォワード制御系を表わす制御ブロック図である。この場合、下式（６）の計算により基準目標圧力から予想空気圧力を生成する伝達関数が得られる。   8 and 9 described above are based on the feedback control system, but a feedforward control system may be used instead. FIG. 11 is a control block diagram showing a feedforward control system corresponding to FIG. In this case, the transfer function for generating the predicted air pressure from the reference target pressure is obtained by the calculation of the following equation (6).

ｙ＝ＰＫｒ ・・・（１１）
図１２は、図９に対応するフィードフォワード制御系の制御ブロック図である。この場合も同様に、式（１１）により予想空気圧力を生成する伝達関数行列が得られる。 y = PKr (11)
FIG. 12 is a control block diagram of the feedforward control system corresponding to FIG. In this case as well, a transfer function matrix that generates an expected air pressure is obtained from Equation (11).

この他にも、空気流量のみをフィードバック制御とし、空気圧力をフィードフォワード制御とすることもできる。この場合、制御ブロック図は図１３のようになり、図９と同様に、Ｋ、Ｐはいずれも２行２列の伝達関数行列となり、式（８）の１を単位行列Ｉとし、ｒを[ｅｆ ｒｐ]T、ｙを[ｙｆ ｙｐ]T（Ｔは転置行列を表わす）とすることで計算することができる。 In addition, only the air flow rate can be set as feedback control, and the air pressure can be set as feedforward control. In this case, the control block diagram is as shown in FIG. 13. As in FIG. 9, both K and P are 2-by-2 transfer function matrices, 1 in equation (8) is the unit matrix I, and r is [ef rp] T , y can be calculated as [yf yp] T (T represents a transposed matrix).

このように、制御系の構成がフィードバック制御系であってもフィードフォワード制御系であっても、予想空気圧力を生成する伝達関数を生成することができる。また、実際に空気圧力を制御する制御系と予想空気圧力を生成するための制御系は、同じ構成とした方が予想空気圧力と実際の空気圧力との相互相関係数が１に近づきやすく精度の高い計算を行うことができる。ここでいう「同じ構成」とは、実際に制御する制御系がフィードバック制御の場合は、予想空気圧力を生成する演算も予想空気圧力をフィードバックする構成とし、実際に制御する制御系がフィードフォワード制御のときは、予想空気圧力を生成する演算もフィードフォワード制御とすることをいう。   Thus, regardless of whether the control system is configured as a feedback control system or a feedforward control system, a transfer function that generates an expected air pressure can be generated. In addition, the control system for actually controlling the air pressure and the control system for generating the predicted air pressure are more accurate because the cross-correlation coefficient between the predicted air pressure and the actual air pressure tends to approach 1 when the same configuration is adopted. High calculation can be performed. The “same configuration” here means that when the control system that is actually controlled is feedback control, the calculation that generates the predicted air pressure is also configured to feed back the predicted air pressure, and the control system that actually controls the feedforward control. In this case, the calculation for generating the predicted air pressure is also the feedforward control.

また、テーブル、マップ等を使用しているため、各動作点での伝達関数が異なる場合、あるいは運転温度等によってその伝達関数が変化する場合は、各動作点で得られた伝達関数を用いて予想空気圧力を計算し、最も精度が高い伝達関数を用いればよい。精度が高いか否かは、前述の相互相関係数により判断することができ、例えば０．８以上であれば十分に精度が高いといえる。   Also, because the table, map, etc. are used, if the transfer function at each operating point is different, or if the transfer function changes depending on the operating temperature, etc., use the transfer function obtained at each operating point. Calculate the expected air pressure and use the most accurate transfer function. Whether or not the accuracy is high can be determined by the cross-correlation coefficient described above. For example, if the accuracy is 0.8 or more, it can be said that the accuracy is sufficiently high.

得られた伝達関数は、公知の状態空間実現により連続時間状態方程式へと変換される。例えば、出力をＹ、入力をＵとするとき、伝達関数は式（１２）のように表わされる。   The resulting transfer function is transformed into a continuous time equation of state by a known state space realization. For example, when the output is Y and the input is U, the transfer function is expressed as in Expression (12).

Figure 0005359227
ただし、Ｔは係数、ｓはラプラス演算子である。
Figure 0005359227
 However, T is a coefficient and s is a Laplace operator.

これにＹ＝Ｘを導入することにより、式（１３）のように状態空間実現される。   By introducing Y = X into this, a state space is realized as shown in equation (13).

Figure 0005359227
さらに、演算周期をΔｔ、現在のステップをｋとして、式（１３）を公知の離散化手法を用いて離散化することにより、式（１４）の離散時間状態方程式が得られ、マイコンで計算可能な式になる。
Figure 0005359227
 Furthermore, by setting the calculation cycle to Δt, the current step to k, and discretizing Equation (13) using a known discretization method, the discrete time state equation of Equation (14) is obtained and can be calculated by a microcomputer. It becomes a formula.

Figure 0005359227
以上により本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
Figure 0005359227
 As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

（１）燃料電池１と、この燃料電池１に供給される第1物質としての空気及び第２物質としての水素ガスと、空気が供給されることにより圧力が変化するカソード系と、水素ガスが供給されることにより圧力が変化するアノード系と、カソード系内の圧力を変化させる空気調圧弁１２と、アノード系内の圧力を変化させる水素供給弁５と、空気調圧弁１２及び水素供給弁５を制御するコントロールユニット３０と、を備える。また、カソード系内の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第１の時間より、アノード系内の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第２の時間の方が短い燃料電池システムである。そして、コントロールユニット３０は、基準目標値生成手段、第１物質予想圧力生成手段、第２物質制御手段、第２物質圧力挙動生成手段及び第１物質制御手段を有する。基準目標値生成手段は、燃料電池１への負荷要求に基づいて圧力の目標値の基準となる基準目標圧力を生成する。また、第１物質予想圧力生成手段は、第１物質制御手段によりカソード系の圧力が基準目標圧力に漸次近づくように制御される場合の、カソード空間の圧力の時間的変化の予想値である第１物質予想圧力としての予想空気圧力を生成する。また、第２物質制御手段は、予想空気圧力とアノード系の圧力との乖離が漸次小さくなるように、予想空気圧力に基づいて水素供給弁５への指令値である第２物質制御指令としての水素供給弁５の操作量を生成する。また、第２物質圧力挙動生成手段は、圧力センサ６ｂの検知結果、又は、アノード系の圧力の目標値としての予想空気圧力に基づいてアノード系の圧力の挙動を近似ないしは一致させるよう行った演算の結果を第２物質圧力挙動値としての水素圧力として生成する。また、第１物質制御手段は、水素圧力または基準目標圧力のいずれか一方に基づいて第１物質制御指令としての空気調圧弁１２の指令開度[ｄｅｇ]、コンプレッサ１０ａの指令回転数［ｄｅｇ］を生成する。このため、基準目標圧力を目標空気圧力とした場合のカソード系の圧力の予想値が予想空気圧力として生成される。また、予想空気圧力に基づいてアノード系の圧力が制御される。この場合、アノード系の圧力はカソード系の圧力より時間的変化が大きくできるため、アノード系の圧力は予想空気圧力に精度よく追従することができる。一方で、カソード系内の圧力は基準目標圧力に基づいて制御される。この結果、アノード系内の圧力と予想空気圧力との圧力差は小さくなる。また、予想空気圧力とアノード系内の圧力との差圧は上述したように小さくなっているので、結果としてアノード系の圧力とカソード系の圧力との差は小さくなる。   (1) The fuel cell 1, the air as the first material and the hydrogen gas as the second material supplied to the fuel cell 1, the cathode system in which the pressure is changed by supplying air, and the hydrogen gas An anode system that changes pressure by being supplied, an air pressure regulating valve 12 that changes the pressure in the cathode system, a hydrogen supply valve 5 that changes the pressure in the anode system, an air pressure regulating valve 12 and a hydrogen supply valve 5 And a control unit 30 for controlling the control. Further, the pressure in the anode system is changed from the predetermined first pressure to the predetermined second from the first time required for the pressure in the cathode system to change from the predetermined first pressure to the predetermined second pressure. This is a fuel cell system in which the second time required to change to the pressure is shorter. The control unit 30 includes reference target value generation means, first substance expected pressure generation means, second substance control means, second substance pressure behavior generation means, and first substance control means. The reference target value generating means generates a reference target pressure that serves as a reference for the target value of the pressure based on a load request to the fuel cell 1. The first material expected pressure generating means is an expected value of a temporal change in the pressure of the cathode space when the first material control means is controlled so that the cathode system pressure gradually approaches the reference target pressure. An expected air pressure is generated as one substance expected pressure. In addition, the second material control means uses the second material control command as a command value to the hydrogen supply valve 5 based on the predicted air pressure so that the difference between the predicted air pressure and the anode system pressure gradually decreases. An operation amount of the hydrogen supply valve 5 is generated. Further, the second substance pressure behavior generating means performs an operation to approximate or match the behavior of the anode system pressure based on the detection result of the pressure sensor 6b or the expected air pressure as the target value of the anode system pressure. Is generated as the hydrogen pressure as the second substance pressure behavior value. In addition, the first material control means is configured to command the opening degree [deg] of the air pressure regulating valve 12 as the first material control command based on either the hydrogen pressure or the reference target pressure, and the command rotational speed [deg] of the compressor 10a. Is generated. For this reason, an expected value of the pressure of the cathode system when the reference target pressure is set as the target air pressure is generated as the expected air pressure. Further, the pressure of the anode system is controlled based on the expected air pressure. In this case, since the temporal pressure of the anode system can be larger than that of the cathode system, the anode system pressure can accurately follow the expected air pressure. On the other hand, the pressure in the cathode system is controlled based on the reference target pressure. As a result, the pressure difference between the pressure in the anode system and the expected air pressure becomes small. Further, since the differential pressure between the expected air pressure and the pressure in the anode system is small as described above, as a result, the difference between the pressure in the anode system and the pressure in the cathode system is small.

（２）コントロールユニット３０は、基準目標圧力と水素圧力のうちカソード系の圧力とアノード系の圧力の乖離が小さくなる方を、カソード系の目標圧力である目標空気圧力として選択する。この目標空気圧力を第１物質制御手段へ印加する目標値とする第１物質目標圧力選択手段をさらに備える。このため、予想空気圧力はカソード系の圧力が基準目標値を目標値として制御された場合の予想値となるので、実際にカソード系の目標値を基準目標圧力とすることで、予想空気圧力と実際のカソード系の圧力との差は小さくなる。このとき、アノード系の圧力は、予想空気圧力を目標値として制御するため、アノード系の圧力の方がカソード系の圧力より変化し易い場合は予想空気圧力に精度よく追従することができる。一方、カソード系の圧力の方がアノード系の圧力よりも変化しやすい場合は、アノード系の圧力をカソード系の目標値としてカソード系の圧力を制御すれば、カソード系の圧力はアノード系の圧力より変化しやすいため、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差が小さくなる。   (2) The control unit 30 selects, as the target air pressure, which is the target pressure of the cathode system, the smaller of the difference between the cathode system pressure and the anode system pressure among the reference target pressure and the hydrogen pressure. First target substance pressure selecting means for setting the target air pressure as a target value to be applied to the first substance control means is further provided. For this reason, the expected air pressure is the expected value when the cathode system pressure is controlled using the reference target value as the target value. Therefore, by actually setting the target value of the cathode system as the reference target pressure, The difference from the actual cathode system pressure is small. At this time, since the pressure of the anode system is controlled using the predicted air pressure as a target value, when the pressure of the anode system is more likely to change than the pressure of the cathode system, the predicted air pressure can be accurately followed. On the other hand, when the pressure of the cathode system is more likely to change than the pressure of the anode system, if the pressure of the cathode system is controlled using the anode system pressure as the target value of the cathode system, the pressure of the cathode system will be the pressure of the anode system. Since it changes more easily, the difference between the pressure of the cathode system and the pressure of the anode system becomes small.

（３）所定の第１の圧力より所定の第２の圧力の方が大きく、第１物質目標圧力選択手段は基準目標圧力と水素圧力のうち大きい方を目標空気圧力として選択する、すなわち、昇圧する場合にはアノード系の方がカソード系より圧力変化が早く、第１物質目標圧力選択手段は基準目標圧力と水素圧力のうち大きい方を目標空気圧力として選択する。このため、昇圧時にはカソード系の圧力の目標値は基準目標圧力となり、カソード系の圧力と予想空気圧力との差は小さくなり、アノード系の圧力はカソード系の圧力よりも変化しやすいため予想空気圧力とアノード系の圧力との差も小さくなる。また、減圧時には昇圧時とは逆にカソード系の方が早く変化する場合でも、減圧時のカソード系の目標値（目標空気圧力）は水素圧力となるので、同様にカソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。   (3) The predetermined second pressure is larger than the predetermined first pressure, and the first substance target pressure selecting means selects the larger one of the reference target pressure and the hydrogen pressure as the target air pressure. In this case, the pressure change in the anode system is faster than that in the cathode system, and the first material target pressure selection means selects the larger one of the reference target pressure and the hydrogen pressure as the target air pressure. For this reason, the target value of the cathode system pressure becomes the reference target pressure at the time of pressure increase, the difference between the cathode system pressure and the expected air pressure becomes smaller, and the anode system pressure is more likely to change than the cathode system pressure. The difference between the pressure and the pressure of the anode system is also reduced. In addition, even when the cathode system changes faster during pressure reduction, the cathode system target value (target air pressure) during decompression is the hydrogen pressure. The difference from the pressure can be reduced.

一方、減圧時にも昇圧時と同様にアノード系の方が早く変化する場合には、アノード系の圧力は、アノード系の圧力が十分に追従可能な予想空気圧力に追従する制御が行われるので、カソード系の圧力は基準目標圧力に向かって短時間で制御され、予想空気圧力を目標値としてアノード系の圧力が制御される。このとき、アノード系の方がカソード系よりも圧力の変化が早いので、アノード系の圧力は予想空気圧力に十分に追従可能であり、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。また、減圧する場合もこれと同様に考えることができるので、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。   On the other hand, when the anode system changes faster at the time of depressurization as well as at the time of pressurization, the pressure of the anode system is controlled to follow the expected air pressure at which the pressure of the anode system can sufficiently follow, The cathode system pressure is controlled in a short time toward the reference target pressure, and the anode system pressure is controlled with the predicted air pressure as the target value. At this time, since the pressure change of the anode system is faster than that of the cathode system, the pressure of the anode system can sufficiently follow the expected air pressure, and the difference between the pressure of the cathode system and the pressure of the anode system is reduced. be able to. Further, when reducing the pressure, it can be considered in the same manner as this, so that the difference between the pressure of the cathode system and the pressure of the anode system can be reduced.

上記のように、昇圧する場合、減圧する場合のいずれの場合であっても、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。   As described above, in either case of increasing the pressure or decreasing the pressure, the difference between the pressure of the cathode system and the pressure of the anode system can be reduced.

（４）カソード系に空気を供給するコンプレッサ１０ａを備える。また、カソード系は少なくとも空気の流量の増減により圧力が変化する空間である。そして、第１物質制御手段は、空気調圧弁１２及びコンプレッサ１０ａを動作させることによりカソード系の圧力を変化させる。また、第１物質予想圧力生成手段は、コンプレッサ１０ａにより供給される空気の質量流量、この質量流量の時間的変化、又は空気の質量流量の予想値である第１物質予想質量流量の少なくとも一つが大きくなるにつれて、予想空気圧力の時間的変化を大きくする。従って、空気の質量流量が変化し、その変化によりカソード系の圧力が変化する場合であっても、予想空気圧力がカソード系の圧力を精度よく予想したものとなる。これにより、アノード系の圧力は予想空気圧力となるよう正確に制御されるので、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。   (4) The compressor 10a for supplying air to the cathode system is provided. Further, the cathode system is a space where the pressure changes at least by increasing or decreasing the flow rate of air. Then, the first substance control means changes the pressure of the cathode system by operating the air pressure regulating valve 12 and the compressor 10a. Further, the first substance expected pressure generation means has at least one of a mass flow rate of air supplied by the compressor 10a, a temporal change in the mass flow rate, or an expected value of the first substance expected mass flow rate that is an expected value of the mass flow rate of air. As it increases, the temporal change in the expected air pressure is increased. Therefore, even when the mass flow rate of air changes and the cathode system pressure changes due to the change, the predicted air pressure accurately predicts the cathode system pressure. As a result, the pressure of the anode system is accurately controlled to be the expected air pressure, so that the difference between the pressure of the cathode system and the pressure of the anode system can be reduced.

（５）第１物質予想圧力生成手段は、燃料電池１が発電する電流値に基づいて予想空気圧力を生成するものであって、電流値が大きいほど小さな予想空気圧力を生成する。従って、酸素及び空気の消費量が発電量に応じて異なるにもかかわらず、予想空気圧力と実際のカソード系の圧力との差を小さくすることができる。   (5) The first substance expected pressure generating means generates an expected air pressure based on the current value generated by the fuel cell 1, and generates a smaller expected air pressure as the current value increases. Therefore, the difference between the expected air pressure and the actual cathode system pressure can be reduced despite the consumption of oxygen and air depending on the amount of power generation.

[第２実施形態]
本実施形態は、まず、図７のステップＳ２００における予想空気圧力の生成方法が異なる。第１実施形態では、制御器Ｋ及びカソードの圧力の挙動を近似した数学モデルを伝達関数で表現して、予想空気圧力を生成したが、本実施形態は、伝達関数での近似では十分な精度が出ない場合の、予想空気圧力の生成方法である。 [Second Embodiment]
In the present embodiment, first, a method of generating an expected air pressure in step S200 of FIG. 7 is different. In the first embodiment, a mathematical model that approximates the behavior of the pressure of the controller K and the cathode is expressed by a transfer function to generate the predicted air pressure. However, in the present embodiment, sufficient accuracy is obtained by approximation by the transfer function. This is a method for generating an expected air pressure when no air pressure occurs.

なお、十分な精度が出ているか否かは、空気圧力が予想空気圧力と基準目標圧力に漸次近づくように、実際に制御させたときの応答を比べることで判断できる。例えば、２つの時刻歴応答信号の相互相関係数がゼロに近い場合は精度が不十分と判断できる。また、相互相関係数が０．５以下の場合は不十分であるとみなしてもよい。このような場合に、相互相関係数の値を大きく、すなわち実際に圧力センサ６ｂで検出される空気圧力の挙動を、精度良く予想した予想空気圧力とするため、以下の制御を行う。   Whether or not sufficient accuracy has been achieved can be determined by comparing responses when actual control is performed so that the air pressure gradually approaches the expected air pressure and the reference target pressure. For example, when the cross-correlation coefficient of two time history response signals is close to zero, it can be determined that the accuracy is insufficient. Further, when the cross-correlation coefficient is 0.5 or less, it may be regarded as insufficient. In such a case, the following control is performed in order to increase the value of the cross-correlation coefficient, that is, to make the behavior of the air pressure actually detected by the pressure sensor 6b the predicted air pressure that is predicted with high accuracy.

図１４は、図８、図９、図１１、図１２、図１３に対応する、本実施形態の制御系の構成図である。   FIG. 14 is a configuration diagram of a control system of the present embodiment corresponding to FIGS. 8, 9, 11, 12, and 13. FIG.

空気圧力の挙動を表現する数式モデルであるｆ（ｕ、ｔ）は、カソード系内の圧力変化を示す非線形モデルであって、線形時不変の伝達関数では表現できないモデルである。例えば、温度Ｔをパラメータとして、温度Ｔが高いほど空気圧力が上がり易いというモデルを設けることができる。具体的なｆ（ｕ、ｔ）は、例えば式（１５）である。   F (u, t), which is a mathematical model that expresses the behavior of air pressure, is a non-linear model that indicates a change in pressure in the cathode system, and cannot be expressed by a linear time-invariant transfer function. For example, using the temperature T as a parameter, a model can be provided such that the higher the temperature T, the easier the air pressure increases. The specific f (u, t) is, for example, Expression (15).

ｆ（ｕ、ｔ）＝Ｔ（ｔ）Ｇ ・・・（１５）
ここで、Ｔは温度センサ６ｆで検出される空気の温度である。空気の温度が高いほど空気圧力は上がり易く、Ｔは時間によって変化するパラメータである。Ｇは、式（１０）と同様に、実験結果と予想空気圧力の相互相関係数が１に近づくようにチューニングすることによって求まる。 f (u, t) = T (t) G (15)
Here, T is the temperature of the air detected by the temperature sensor 6f. The higher the air temperature, the easier the air pressure increases, and T is a parameter that varies with time. G is obtained by tuning so that the cross-correlation coefficient between the experimental result and the predicted air pressure approaches 1 in the same manner as Expression (10).

仮想空気調圧弁目標開度は、基準目標圧力及び目標空気流量でテーブル検索をすることにより生成する。このテーブルは、図１４中に示したように、縦軸に仮想空気調圧弁目標開度、横軸に目標圧力をとり、低圧・低開度ほど目標空気流量が大きくなるよう領域を分けたものである。なお、このテーブルは実際の圧力を制御する制御系で使用するテーブルと同じものである。ただし、実際の制御系では、予想空気圧力は空気圧力、予想空気量は空気流量、仮想空気調圧弁目標開度は空気調圧弁指令開度、仮想目標コンプレッサ回転数は目標コンプレッサ回転数、基準目標圧力は目標空気圧力、ｆ（ｕ、ｔ）は図１に示す燃料電池システムとなる。   The virtual air pressure regulating valve target opening is generated by performing a table search with the reference target pressure and the target air flow rate. In this table, as shown in FIG. 14, the vertical axis represents the virtual air pressure control valve target opening, the horizontal axis represents the target pressure, and the region is divided so that the target air flow rate increases as the low pressure and the low opening. It is. This table is the same as that used in the control system that controls the actual pressure. However, in the actual control system, the expected air pressure is the air pressure, the expected air amount is the air flow rate, the virtual air pressure control valve target opening is the air pressure control valve command opening, the virtual target compressor speed is the target compressor speed, and the reference target The pressure is the target air pressure, and f (u, t) is the fuel cell system shown in FIG.

また、図２のステップＳ１０３でインバータ１０ｂ及び空気調圧弁１２への操作量をそれぞれ計算するが、例えば空気調圧弁１２は、開度に物理的な制限がある。これは、空気調圧弁１２のハードウェア上の制約によるものである。また、空気調圧弁１２を駆動するモータに印加できる電流にも制限がある場合がある。このような制約を超えた指令値を入力することは制御上好ましくない。そのため、空気調圧弁１２への指令値に制約を設けることとする。インバータ１０ｂについても同様のことがいえ、アクチュエータへ指令する操作量には制限がある。   Moreover, although the operation amount to the inverter 10b and the air pressure regulation valve 12 is each calculated by step S103 of FIG. 2, the air pressure regulation valve 12 has a physical restriction | limiting in the opening degree, for example. This is due to hardware limitations of the air pressure regulating valve 12. In addition, there may be a limit to the current that can be applied to the motor that drives the air pressure regulating valve 12. It is not preferable in terms of control to input a command value that exceeds such restrictions. Therefore, a restriction is placed on the command value to the air pressure regulating valve 12. The same can be said for the inverter 10b, and the amount of operation commanded to the actuator is limited.

このような場合、図１５に示すように、空気調圧弁１２の操作量を制約するブロックを挿入する構成にする。   In such a case, as shown in FIG. 15, a block that restricts the operation amount of the air pressure regulating valve 12 is inserted.

図１６（ａ）は、図１５に示したブロックの具体例であり、図１６（ｂ）はこのブロックが行う制御のフローチャートである。   FIG. 16A is a specific example of the block shown in FIG. 15, and FIG. 16B is a flowchart of the control performed by this block.

図１６（ｂ）のステップＳ３０１では、入力値ｕが下限値ｕｍｉｎより大きいか否かを判定し、大きければステップＳ３０２に進み、小さければステップＳ３０５に進む。   In step S301 in FIG. 16B, it is determined whether or not the input value u is larger than the lower limit value umin. If larger, the process proceeds to step S302, and if smaller, the process proceeds to step S305.

ステップＳ３０２では、入力値ｕが上限値ｕｍａｘより小さいか否かを判定し、大きければステップＳ３０３に進み、小さければステップＳ３０４に進む。   In step S302, it is determined whether or not the input value u is smaller than the upper limit value umax. If larger, the process proceeds to step S303, and if smaller, the process proceeds to step S304.

ステップＳ３０３ではｕｍａｘを出力値ｙとし、ステップＳ３０４ではｕを出力値ｙとし、ステップＳ３０５ではｕｍｉｎを出力値ｙとする。   In step S303, umax is an output value y, u is an output value y in step S304, and umin is an output value y in step S305.

すなわち、入力値ｕが上限値ｕｍａｘから下限値ｕｍｉｎの範囲を超えていたら、出力値ｙを上限値ｕｍａｘ、下限値ｕｍｉｎに制限する。   That is, if the input value u exceeds the range from the upper limit value umax to the lower limit value umin, the output value y is limited to the upper limit value umax and the lower limit value umin.

これにより、空気調圧弁１２への指令値が制約により制限されたとき、あるいは制限されそうなときにも、予想空気圧力の精度を高めることができる。   Thereby, even when the command value to the air pressure regulating valve 12 is restricted due to restrictions or when it is likely to be restricted, the accuracy of the predicted air pressure can be increased.

なお、予想空気圧力を生成するフィードバック系にも同じブロックを挿入する。また、インバータ１０ｂへの指令信号に対しても、同様に適用する。   The same block is inserted into the feedback system that generates the expected air pressure. The same applies to the command signal to the inverter 10b.

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加えて、さらに次のような効果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the following effects can be further obtained.

（１）第１物質制御手段は、空気調圧弁１２の操作量を制限する機能を有する。そして、操作量が制限された場合又は制限されると予想した場合には、操作量を制限範囲内の上限値または下限値とし、第１物質予想圧力生成手段は予想空気圧力の時間的変化を小さくする。従って、操作量が制限されたためにカソード系内の圧力の時間的変化が小さくなることを正確に予想できる。また、第２物質制御手段によってアノード系内の圧力が予想空気圧力に漸次近づくように制御される。これにより、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。
[第３実施形態]
図１７は、本実施形態の制御システムの構成図である。 (1) The first substance control means has a function of limiting the operation amount of the air pressure regulating valve 12. When the manipulated variable is limited or expected to be limited, the manipulated variable is set to the upper limit value or the lower limit value within the limit range, and the first substance expected pressure generating means changes the expected air pressure over time. Make it smaller. Therefore, it can be accurately predicted that the temporal change in the pressure in the cathode system becomes small because the operation amount is limited. Further, the pressure in the anode system is controlled by the second substance control means so as to gradually approach the expected air pressure. Thereby, the difference between the pressure of the cathode system and the pressure of the anode system can be reduced.
[Third embodiment]
FIG. 17 is a configuration diagram of the control system of the present embodiment.

本実施形態では、第２実施形態の構成に、水素供給弁５への指令値を制約するブロックを挿入する。これは、水素供給弁５への操作量についても、第２実施形態で説明した空気調圧弁１２への指令値と同様に、ハードウェア上の制約があるためである。   In the present embodiment, a block that restricts the command value to the hydrogen supply valve 5 is inserted into the configuration of the second embodiment. This is because the amount of operation to the hydrogen supply valve 5 is also limited in hardware, similar to the command value to the air pressure regulating valve 12 described in the second embodiment.

挿入するブロックは、第２実施形態で挿入したものと同様のものである。このように水素供給弁５への指令値に制約を設けることにより、水素供給弁５への指令値が制限された場合、あるいは制限されそうな場合に予想空気圧力を生成する際にも、水素圧力の予想空気圧力への追従精度を高めることができ、制約を考慮しない場合と比べて、圧力センサ６ａ、６ｂで検知される水素圧力と空気圧力との差圧を小さくすることができる。   The blocks to be inserted are the same as those inserted in the second embodiment. Thus, by providing a restriction on the command value to the hydrogen supply valve 5, even when the command value to the hydrogen supply valve 5 is limited, or when the predicted air pressure is generated when it is likely to be limited, The follow-up accuracy of the pressure to the expected air pressure can be increased, and the differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure detected by the pressure sensors 6a and 6b can be reduced as compared with the case where no restriction is taken into consideration.

なお、制約の値（図１６における上限値及び下限値）は、水素供給弁５の物理的な制約（例えば開度、駆動モータに印加できる最大電流）とすればよい。   Note that the constraint values (upper limit value and lower limit value in FIG. 16) may be physical constraints of the hydrogen supply valve 5 (for example, the opening degree and the maximum current that can be applied to the drive motor).

また、図２３に示すように、インバータ１０ｂへの仮想的な指令値ｕｆについても、指令値を制約するブロックを挿入してもよい。この場合には、目標空気流量の変化率を大気圧及び外気温に基づいて制限する変化率リミッタを設ける。変化率リミッタとしては、例えば式（４）を用いることができる。これにより、インバータ１０ｂへの仮想的な指令値ｕｆの飽和要素による影響を予防するためである。   As shown in FIG. 23, a block that restricts the command value may also be inserted for the virtual command value uf to the inverter 10b. In this case, a change rate limiter that limits the change rate of the target air flow rate based on the atmospheric pressure and the outside air temperature is provided. As the change rate limiter, for example, Equation (4) can be used. This is to prevent the influence of the saturation element of the virtual command value uf to the inverter 10b.

以上により本実施形態では、第１、第２実施形態の効果に加え、さらに次の効果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects of the first and second embodiments.

（１）第２物質制御手段は、水素供給弁５への指令値に制約を設ける。そして、水素供給弁５への指令値が制限された場合、あるいは制限されそうな場合には、水素供給弁５への指令値を制限範囲内の上限値又は下限値とする。また、第１物質予想圧力生成手段は、予想空気圧力の時間的変化を小さくする。従って、アノード系内の圧力が予想空気圧力に精度よく制御される。
[第４実施形態]
本実施形態では、図７のステップＳ２００において生成する予想空気圧力として、空気圧力の未来値を生成する。 (1) The second substance control means places restrictions on the command value to the hydrogen supply valve 5. Then, when the command value to the hydrogen supply valve 5 is restricted or is likely to be restricted, the command value to the hydrogen supply valve 5 is set to the upper limit value or the lower limit value within the limit range. Further, the first substance expected pressure generating means reduces the temporal change in the expected air pressure. Therefore, the pressure in the anode system is accurately controlled to the expected air pressure.
[Fourth embodiment]
In the present embodiment, a future value of air pressure is generated as the predicted air pressure generated in step S200 of FIG.

具体的には、式（８）を式（１６）のようにする。なお、ｓはラプラス演算子である。   Specifically, Equation (8) is changed to Equation (16). Note that s is a Laplace operator.

ｙ＝ｓ（１＋ＰＫ）-1ＰＫｒ ・・・（１６）
あるいは、式（８）の分母と分子をそれぞれ因数分解して式（１７）のようにし、絶対値が最も小さいｂ（ここではｂ１）に所定値αを掛けて式（１８）のようにしてもよい。なお、αは１より大きい値とする。 y = s (1 + PK) −1 PKr (16)
Alternatively, the denominator and numerator of equation (8) are factorized to obtain equation (17), and b (here b1) having the smallest absolute value is multiplied by a predetermined value α to obtain equation (18). Also good. Α is a value larger than 1.

Figure 0005359227
Figure 0005359227

Figure 0005359227
式（１８）において、αが大きくなるほど位相の進んだ信号が生成されることとなる。
Figure 0005359227
 In the equation (18), a signal with an advanced phase is generated as α increases.

なお、αは、式（１８）で予想空気圧力を生成し、この予想空気圧力を目標値として水素圧力を制御した結果、圧力センサ６ａで検知される水素圧力と圧力センサ６ｂで検知される空気圧力の差が小さくなるように実験等により決めればよい。ここで、空気圧力と水素圧力との差は、燃料電池１が安定した発電を行える範囲内の値とすることが望ましい。   Α is the predicted air pressure generated by the equation (18) and the hydrogen pressure is controlled using the predicted air pressure as a target value. As a result, the hydrogen pressure detected by the pressure sensor 6a and the air detected by the pressure sensor 6b. What is necessary is just to determine by experiment etc. so that the difference in pressure may become small. Here, it is desirable that the difference between the air pressure and the hydrogen pressure be a value within a range where the fuel cell 1 can stably generate power.

図１８は、本制御を実行した場合の、アクセル開度、水素圧力及び空気圧力、並びに水素圧力と空気圧力の差圧についてのタイムチャートである。なお、上部の圧力チャートは基準目標圧力（実線）及び目標空気圧力（破線）について表し、下部の圧力チャートは予想空気圧力（実線）と、実際の水素圧力（一点鎖線）及び空気圧力（破線）について表している。目標空気圧力は、基準目標圧力と水素圧力の大きい方を選択したものなので、時刻ｔ４までは基準目標圧力と同一で、時刻ｔ４以降は水素圧力と同一になっている。   FIG. 18 is a time chart for the accelerator opening, the hydrogen pressure and the air pressure, and the differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure when this control is executed. The upper pressure chart represents the reference target pressure (solid line) and the target air pressure (dashed line), and the lower pressure chart represents the expected air pressure (solid line), the actual hydrogen pressure (dashed line), and the air pressure (dashed line). It represents about. Since the target air pressure is selected from the larger one of the reference target pressure and the hydrogen pressure, it is the same as the reference target pressure until time t4 and is the same as the hydrogen pressure after time t4.

ここでは、アクセル開度の変化が、時刻ｔ１から増大して、その後の所定期間は一定開度となり、時刻ｔ４から減少して再び初期の開度に戻る、というパターンについて表している。   Here, a pattern is shown in which the change in accelerator opening increases from time t1, reaches a constant opening for a predetermined period thereafter, decreases from time t4, and returns to the initial opening again.

時刻ｔ１からアクセル開度が増大すると、これに応じて基準目標圧力及び目標空気圧力も増大する。水素圧力及び空気圧力は、これら目標値に基づいて制御されるため、目標値の変化に対して位相が遅れて変化する。本実施形態では、予想空気圧力として未来値を生成しているので、図１８中に示すように水素圧力及び空気圧力に対して予想空気圧力の方が、位相が早い。そして、この予想空気圧力を目標値として水素圧力を制御するので、水素圧力と空気圧力との差圧は小さくなっている。   When the accelerator opening increases from time t1, the reference target pressure and the target air pressure increase accordingly. Since the hydrogen pressure and the air pressure are controlled based on these target values, the phase changes with a delay with respect to the change of the target value. In this embodiment, since the future value is generated as the predicted air pressure, the phase of the predicted air pressure is earlier than the hydrogen pressure and the air pressure as shown in FIG. Since the hydrogen pressure is controlled using the predicted air pressure as a target value, the differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure is small.

以上により本実施形態では、前述した各実施形態による効果に加えて、さらに、次のような効果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects of the above-described embodiments.

（１）第１物質予想圧力生成手段は、目標空気圧力が基準目標圧力である場合のカソード系内の圧力の未来値としての予想空気圧力を生成する。この予想空気圧力は、アノード系内の圧力の目標値から第２物質圧力挙動値としての水素圧力までの遅れ度合いが大きくなるほど時間が進んだ未来値となるように生成する。従って、アノード系内の圧力の応答遅れが生じても、カソード系内の圧力とアノード系内の圧力の差を小さくすることができる。
[第５実施形態]
本実施形態では、図７のステップＳ２０１において、圧力センサ６ａの検出値を用いずに、水素圧力の予想値を生成する。 (1) The first substance expected pressure generation unit generates an expected air pressure as a future value of the pressure in the cathode system when the target air pressure is the reference target pressure. The predicted air pressure is generated so that the predicted value becomes a future value that is advanced as the delay degree from the target value of the pressure in the anode system to the hydrogen pressure as the second substance pressure behavior value increases. Therefore, even if a response delay of the pressure in the anode system occurs, the difference between the pressure in the cathode system and the pressure in the anode system can be reduced.
[Fifth Embodiment]
In the present embodiment, in step S201 in FIG. 7, the predicted value of the hydrogen pressure is generated without using the detection value of the pressure sensor 6a.

まず、図７のステップＳ２００と同様の方法により、式（１９）のような目標水素圧力（つまり予想空気圧力）が変化した場合の水素圧力を予想するための伝達関数を求め、これにより予想水素圧力を生成する。   First, by a method similar to step S200 in FIG. 7, a transfer function for predicting the hydrogen pressure when the target hydrogen pressure (that is, the expected air pressure) is changed as shown in equation (19) is obtained, and thus the expected hydrogen is calculated. Generate pressure.

ｙ1＝（１+Ｐ1Ｋ1）-1Ｐ1Ｋ1ｒ ・・・（１９） y 1 = (1 + P 1 K 1 ) −1 P 1 K 1 r (19)

ここで、ｒは目標水素圧力（＝予想空気圧力）、Ｐ1は図１の燃料電池１のアノードである。具体的には、水素供給弁５から燃料電池１のアノードを含む閉じた空間であり、水素供給弁５から水素が供給されることにより水素圧力が変化する空間である。Ｋ1は、水素圧力を目標水素圧力（＝予想空気圧力）に漸次近づくように制御する制御器で、ＰＩＤ制御等の公知の制御理論により構成される。また、式（１９）の他にも、予想水素圧力の生成方法として、上述した予想空気圧力の生成方法を適用することができる。 Here, r is the target hydrogen pressure (= expected air pressure), and P 1 is the anode of the fuel cell 1 in FIG. Specifically, it is a closed space including the anode of the fuel cell 1 from the hydrogen supply valve 5, and is a space in which the hydrogen pressure changes when hydrogen is supplied from the hydrogen supply valve 5. K 1 is a controller that controls the hydrogen pressure so as to gradually approach the target hydrogen pressure (= expected air pressure), and is configured by a known control theory such as PID control. Besides the formula (19), the above-described method for generating the predicted air pressure can be applied as a method for generating the predicted hydrogen pressure.

ところで、予想空気圧力の生成にあたっては空気流量の変動を考慮していたが、予想水素圧力の生成においては、ＤＣＤＣコンバータ２０から取り出される電流が空気流量に相当する。   By the way, although the fluctuation | variation of the air flow rate was considered in generation | occurrence | production of an estimated air pressure, in the production | generation of an expected hydrogen pressure, the electric current taken out from the DCDC converter 20 is equivalent to an air flow rate.

このときに、式（１６）、式（１７）、式（１８）と同様の手続きを行うことで、水素圧力の未来値を予想することができる。この未来値が目標空気圧力となる場合（図７のステップＳ２０２からステップＳ２０４へ手続きを進める場合）、目標空気圧力に対して圧力センサ６ｂにて検出される空気圧力に遅れが生じるが、この遅れの分だけ位相の早い未来値を予想すればよい。この遅れについては、実験等により確認すればよい。   At this time, the future value of the hydrogen pressure can be predicted by performing the same procedure as in the equations (16), (17), and (18). When this future value becomes the target air pressure (when proceeding from step S202 to step S204 in FIG. 7), a delay occurs in the air pressure detected by the pressure sensor 6b with respect to the target air pressure. It is only necessary to predict a future value that is earlier in phase by that amount. What is necessary is just to confirm this delay by experiment.

このように、遅れが生じる分だけ未来値を予想することで、水素圧力の現在値を予想する場合に比べて、水素圧力と空気圧力との差圧を小さくすることができる。   Thus, by predicting the future value by the amount of delay, the differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure can be made smaller than when the current value of the hydrogen pressure is predicted.

図１９は、本制御を実行した場合の、アクセル開度、水素圧力及び空気圧力、並びに水素圧力と空気圧力の差圧についてのタイムチャートである。   FIG. 19 is a time chart for the accelerator opening, the hydrogen pressure and the air pressure, and the differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure when this control is executed.

なお、上部の圧力チャートは基準目標圧力（実線）及び目標空気圧力（破線）について表し、下部の圧力チャートは予想水素圧力（実線）と、実際の水素圧力（一点鎖線）及び空気圧力（破線）について表している。目標空気圧力は、基準目標圧力と予想水素圧力の大きい方を選択したものである。   The upper pressure chart represents the reference target pressure (solid line) and the target air pressure (dashed line), and the lower pressure chart represents the expected hydrogen pressure (solid line), the actual hydrogen pressure (dashed line), and the air pressure (dashed line). It represents about. The target air pressure is selected from the larger of the reference target pressure and the expected hydrogen pressure.

ここでは、アクセル開度が時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて減少し、それ以降は一定値となる場合について表している。   Here, the case where the accelerator opening decreases from time t1 to time t2 and thereafter becomes a constant value is shown.

予想水素圧力は未来値であるため、実際の水素圧力よりも位相が進んでいる。この予想水素圧力と同じ圧力になるように、目標空気圧を設定して空気圧力を制御すると、実際の空気圧力は図中の破線のようになる。このように、水素圧力と空気圧力との差圧を小さくすることができる。   Since the expected hydrogen pressure is a future value, the phase is ahead of the actual hydrogen pressure. When the target air pressure is set to control the air pressure so as to be the same as the expected hydrogen pressure, the actual air pressure becomes as indicated by the broken line in the figure. Thus, the differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure can be reduced.

以上により本実施形態では、上述した各実施形態と同様の効果に加えて、さらに、次のような効果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the same effects as those of the above-described embodiments.

（１）第２物質圧力挙動生成手段は、アノード系内の圧力の未来値であって目標空気圧力からカソード系内の圧力までの遅れ度合いが大きくなるほど時間が進んだ未来値となる水素圧力を、基準目標圧力に基づいて演算により生成する。従って、アノード系内の圧力の未来値を予想し、カソード系内の圧力がこの予想値に近づくように第１物質制御手段が操作量を演算する構成において、操作量の演算の際に、空気調圧弁１２への操作量印加からカソード系内の圧力が変化するまでの応答遅れが生じる結果、カソード系内の圧力の時間的変化とアノード系内の圧力の時間的変化の大きさが近くなる。その結果、カソード系内の圧力の応答遅れが生じても、カソード系内の圧力とアノード系内の圧力との差を小さくすることができる。
[第６実施形態]
図２０は本実施形態を適用する制御ブロック図であり、カソードの基準となる目標圧力（基準目標空気圧力）を用いて予想空気圧力を生成する場合について示した図である。 (1) The second material pressure behavior generating means generates a hydrogen pressure that is a future value of the pressure in the anode system, and a future value in which the time has advanced as the degree of delay from the target air pressure to the pressure in the cathode system increases. And generated by calculation based on the reference target pressure. Accordingly, in the configuration in which the first substance control means calculates the manipulated variable so that the future value of the pressure in the anode system is predicted and the pressure in the cathode system approaches this predicted value, As a result of a response delay from the operation amount application to the pressure regulating valve 12 until the pressure in the cathode system changes, the temporal change in the pressure in the cathode system and the temporal change in the pressure in the anode system become closer. . As a result, even if a response delay of the pressure in the cathode system occurs, the difference between the pressure in the cathode system and the pressure in the anode system can be reduced.
[Sixth Embodiment]
FIG. 20 is a control block diagram to which the present embodiment is applied, and is a diagram showing a case where an expected air pressure is generated using a target pressure (reference target air pressure) serving as a cathode reference.

本実施形態では、図７のステップＳ２００で基準目標空気圧力により空気圧力の変化を予想した後に、基準目標水素圧力と基準目標空気圧力の差を加算し、これを予想空気圧力とする。   In the present embodiment, after predicting a change in air pressure based on the reference target air pressure in step S200 of FIG. 7, the difference between the reference target hydrogen pressure and the reference target air pressure is added to obtain the predicted air pressure.

そして、ステップＳ２０１で水素圧力を検知した信号に、基準目標水素圧力と基準目標空気圧力との差（二物質間目標圧力差）を減算することによって、水素圧力の検知信号（予想水素圧力）を生成する。   Then, by subtracting the difference between the reference target hydrogen pressure and the reference target air pressure (target pressure difference between the two substances) from the signal that has detected the hydrogen pressure in step S201, a hydrogen pressure detection signal (expected hydrogen pressure) is obtained. Generate.

これにより、予想空気圧力は基準目標空気圧力に制御された場合の値となり、アノード空間の圧力は時間的変化の遅いカソード空間の圧力の挙動を予想した値に制御されることとなるので、基準目標空気圧力と基準目標水素圧力が異なる場合でも、空気圧力と水素圧力の差圧を小さくすることができる。   As a result, the predicted air pressure becomes the value when controlled to the reference target air pressure, and the pressure in the anode space is controlled to a value that anticipates the behavior of the pressure in the cathode space, which is slow in time change. Even when the target air pressure and the reference target hydrogen pressure are different, the differential pressure between the air pressure and the hydrogen pressure can be reduced.

なお、ここでは基準目標水素圧力から基準目標空気圧力を減じた値を、ステップＳ２００で生成した予想空気圧力に加算したが、基準目標空気圧力から基準目標水素圧力を減じた値を減算してもよい。つまり、基準目標水素圧力から基準目標空気圧力を減じる場合には、減じた値を予想空気圧力に加算し、逆に基準目標空気圧力から基準目標水素圧力を減じる場合は。減じた値を予想空気圧力から減算する。   Here, the value obtained by subtracting the reference target air pressure from the reference target hydrogen pressure is added to the predicted air pressure generated in step S200, but the value obtained by subtracting the reference target hydrogen pressure from the reference target air pressure may be subtracted. Good. In other words, when the reference target air pressure is subtracted from the reference target hydrogen pressure, the reduced value is added to the expected air pressure, and conversely, the reference target hydrogen pressure is subtracted from the reference target air pressure. Subtract the subtracted value from the expected air pressure.

以上により本実施形態では、上述した各実施形態と同様の効果に加えて、さらに、次のような効果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the same effects as those of the above-described embodiments.

（１）基準目標値生成手段は、燃料電池１への負荷要求に基づいて、カソード系とアノード系の基準目標圧力としてそれぞれ異なる信号を生成する。さらに、これらカソード系の基準目標圧力とアノード系の基準目標圧力との乖離度合いを二物質間目標圧力差として生成する。この二物質間目標圧力差を第１物質予想圧力生成手段及び第２物質予想圧力生成手段に印加する。そして、第１物質予想圧力生成手段は、アノード系の基準となる目標圧力又はカソード系の基準となる目標圧力のいずれか一方に基づいて、カソード系の圧力又はこの圧力に関連した値の挙動と一致又は近似するよう予想空気圧力を生成する。また、第２物質圧力挙動生成手段は、圧力センサ６ｂの検知結果、又は、予想空気圧力に基づいてアノード系の圧力の挙動を近似ないしは一致させるよう行った演算の結果に、二物質間目標圧力差を加算又は減算した信号を水素圧力として生成する。従って、予想空気圧力は基準となる目標圧力に制御された場合の値となり、カソード系内の圧力は短時間で変化する。一方、アノード系内の圧力は、時間的変化の遅いカソード系内の圧力の挙動を予想した値に制御されることとなる。この結果、カソード系内とアノード系内の圧力差を第１第２物質空間圧力差に近い大きさにすることができる。
[第７実施形態]
本実施形態は、第１物質を水素タンク２から供給される水素ガス、第２物質を外気よりコンプレッサ１０ａにより取り込まれる空気、第１物質空間を水素供給弁５からパージ弁８までの配管及び燃料電池１のアノード系、第２物質空間をコンプレッサ１０ａから空気調圧弁１２までの配管及び燃料電池１のカソード系、第１物質供給手段を水素供給弁５、第１物質圧力変化手段をＤＣＤＣコンバータ２０、第２物質圧力変化手段を空気調圧弁１２とする。 (1) The reference target value generating means generates different signals as reference target pressures for the cathode system and the anode system based on a load request to the fuel cell 1. Further, the degree of deviation between the reference target pressure of the cathode system and the reference target pressure of the anode system is generated as a target pressure difference between the two substances. The target pressure difference between the two substances is applied to the first substance expected pressure generation means and the second substance expected pressure generation means. The first substance expected pressure generation means is configured to determine whether the cathode system pressure or a value related to the pressure is based on either the target pressure serving as a reference for the anode system or the target pressure serving as a reference for the cathode system. Generate expected air pressure to match or approximate. In addition, the second substance pressure behavior generating means determines the target pressure between the two substances based on the detection result of the pressure sensor 6b or the calculation result obtained by approximating or matching the pressure behavior of the anode system based on the predicted air pressure. A signal obtained by adding or subtracting the difference is generated as hydrogen pressure. Therefore, the expected air pressure becomes a value when controlled to the reference target pressure, and the pressure in the cathode system changes in a short time. On the other hand, the pressure in the anode system is controlled to a value that predicts the behavior of the pressure in the cathode system, which changes slowly with time. As a result, the pressure difference between the cathode system and the anode system can be made close to the first second material space pressure difference.
[Seventh embodiment]
In the present embodiment, the first substance is hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 2, the second substance is air taken in from the outside air by the compressor 10 a, the first substance space is connected from the hydrogen supply valve 5 to the purge valve 8, and the fuel The anode system of the battery 1, the second material space is connected from the compressor 10 a to the air pressure regulating valve 12, the cathode system of the fuel cell 1, the first material supply means is the hydrogen supply valve 5, and the first material pressure changing means is the DCDC converter 20. The second substance pressure changing means is the air pressure regulating valve 12.

この構成では、減圧時には空気圧力の方が水素圧力よりも低下しやすい。水素圧力は、前述したように発電電流の状態によって減圧の早さが変化するので、例えば減圧時に発電電流を瞬時にアイドル相当（例えば１[Ａ]）に変化させると、水素圧力は空気圧力よりも低下しにくくなる。   In this configuration, the air pressure tends to be lower than the hydrogen pressure during decompression. As described above, since the speed of depressurization changes depending on the state of the power generation current as described above, for example, when the power generation current is instantaneously changed to idle (for example, 1 [A]) at the time of depressurization, the hydrogen pressure is greater than the air pressure. It becomes difficult to decrease.

一方、昇圧時は水素圧力と空気圧力のいずれが早く上昇するかは、運転状況によって、つまり空気流量によって異なる。空気流量が大きいほど空気圧力は上がり易く、逆に空気流量が少ないほど空気圧力は上がりにくくなる。また、水素は減圧弁４によって所定範囲内の圧力に減圧されているため、空気流量の増減により空気圧力の方が水素圧力よりも上がり易くなる場合もあるし、水素圧力の方が空気圧力よりも上がり易くなる場合もある。   On the other hand, which of the hydrogen pressure and the air pressure rises faster during pressure increase depends on the operating condition, that is, the air flow rate. The larger the air flow rate, the easier the air pressure increases. Conversely, the smaller the air flow rate, the less likely the air pressure increases. Further, since the hydrogen is depressurized to a pressure within a predetermined range by the pressure reducing valve 4, the air pressure may be more likely to rise than the hydrogen pressure due to the increase or decrease of the air flow rate, or the hydrogen pressure is more than the air pressure. May also rise easily.

図２１に本実施形態の制御のフローチャート、図２２に制御の構成図を示す。   FIG. 21 shows a control flowchart of the present embodiment, and FIG. 22 shows a control configuration diagram.

ステップＳ４０１では予想水素圧力を生成する。具体的には、図７のステップＳ２００における予想空気圧力の生成方法と同様に、図８、図９、図１１〜図１３と同様の考え方を適用することにより生成することができる。   In step S401, an expected hydrogen pressure is generated. Specifically, it can be generated by applying the same concept as in FIGS. 8, 9, and 11 to 13, similarly to the method of generating the predicted air pressure in step S <b> 200 of FIG. 7.

ステップＳ４０２では、圧力センサ６ｂの検出値を読み込むこと等により、空気圧力を検知する。   In step S402, the air pressure is detected by reading the detection value of the pressure sensor 6b.

ステップＳ４０３では、基準目標圧力と空気圧力の大きさを比較する。空気圧力の方が小さい場合はステップＳ４０５へ進み、基準圧力の方が小さい場合はステップＳ４０４に進む。   In step S403, the reference target pressure is compared with the air pressure. If the air pressure is smaller, the process proceeds to step S405, and if the reference pressure is smaller, the process proceeds to step S404.

ステップＳ４０４では、基準目標圧力を目標水素圧力として設定し、ステップＳ４０５では、空気圧力を目標水素圧力として設定する。   In step S404, the reference target pressure is set as the target hydrogen pressure, and in step S405, the air pressure is set as the target hydrogen pressure.

このような構成、制御によっても、第１〜第６の実施形態と同様の効果を得ることができる。   The same effects as those of the first to sixth embodiments can be obtained by such configuration and control.

また、第１物質を冷却水、第２物質を空気や水素とした場合も、同様の考え方を適用することができる。例えば、第１物質を冷却水、第２物質を空気とし、第１物質圧力変化手段は三方弁１６の開度、第１物質供給手段は冷却水ポンプ１３、第２物質圧力変化手段は空気調圧弁１２とすれば、冷却水と空気との差圧を小さくすることができる。同様に、第１物質が冷却水、第２物質が水素とした場合は、冷却水と水素との差圧を小さくすることができる。
[第８実施形態]
図２４は本実施形態を適用する制御ブロック図であり、カソードの基準となる目標圧力（基準目標空気圧力）を用いて予想空気圧力を生成する場合について示した図である。図２５は、図２４の制御内容をフローチャートに示したものである。 The same concept can be applied when the first substance is cooling water and the second substance is air or hydrogen. For example, the first substance is cooling water, the second substance is air, the first substance pressure changing means is the opening of the three-way valve 16, the first substance supplying means is the cooling water pump 13, and the second substance pressure changing means is the air conditioner. If the pressure valve 12 is used, the differential pressure between the cooling water and air can be reduced. Similarly, when the first substance is cooling water and the second substance is hydrogen, the differential pressure between the cooling water and hydrogen can be reduced.
[Eighth embodiment]
FIG. 24 is a control block diagram to which the present embodiment is applied, and is a diagram showing a case where an expected air pressure is generated using a target pressure (reference target air pressure) serving as a cathode reference. FIG. 25 is a flowchart showing the control contents of FIG.

本実施形態は、水素圧力と空気圧力の差圧を所定範囲内に収めることを優先し、差圧を所定範囲内に収めつつ、負荷と時間に応じて水素圧力を変化させる。つまり、負荷が一定であっても水素圧力が時間に応じて変化する点が上述した他の実施形態とは異なる。以下、本実施形態の制御について、図２５のフローチャートを用いて説明する。なお、図２５の内容と図２４との対応については、後述する。   In this embodiment, priority is given to keeping the differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure within a predetermined range, and the hydrogen pressure is changed according to the load and time while keeping the differential pressure within the predetermined range. That is, the point that the hydrogen pressure changes with time even when the load is constant is different from the other embodiments described above. Hereinafter, the control of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. The correspondence between the contents of FIG. 25 and FIG. 24 will be described later.

ステップＡ００１では、基準目標水素圧力と基準目標空気圧力を生成する。基準目標空気圧力は、例えば、図２６に示すような目標電流に対するテーブルから求める。図２６のテーブルは、予め実験等を行って作成する。なお、図２６のテーブルの生成方法、及び基準目標水素圧力最大値及び基準目標水素圧力最小値については、後述する。   In step A001, a reference target hydrogen pressure and a reference target air pressure are generated. The reference target air pressure is obtained from a table for the target current as shown in FIG. 26, for example. The table in FIG. 26 is created by conducting an experiment or the like in advance. The table generation method of FIG. 26, the reference target hydrogen pressure maximum value, and the reference target hydrogen pressure minimum value will be described later.

基準目標水素圧力は、図２８に示す基準目標水素圧力生成用のフローチャートにしたがって求める。   The reference target hydrogen pressure is obtained according to the reference target hydrogen pressure generation flowchart shown in FIG.

図２８のステップＢ００１では、基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値を求める。これらは、予め作成したおいた図２６に示すようなテーブルから求める。テーブルは、例えば最大値と最小値の間を脈動させたときに、燃料電池１が安定して発電を行える値となるように設定する。   In step B001 of FIG. 28, a reference target hydrogen pressure maximum value and a reference target hydrogen pressure minimum value are obtained. These are obtained from a table prepared in advance as shown in FIG. The table is set so that, for example, when the pulsation occurs between the maximum value and the minimum value, the fuel cell 1 has a value that enables stable power generation.

ステップＢ００２では、水素圧力センサ６ａの検出値に基づいて水素圧力を読み込む。   In step B002, the hydrogen pressure is read based on the detection value of the hydrogen pressure sensor 6a.

ステップＢ００３では、システム起動してから初回の演算か否かを判断する。判断は、例えば初回演算のフラグが立っている（フラグが１の状態）か否かで判断する。初回の演算であればステップＢ００４へ移行し、基準目標水素圧力を基準目標水素圧力最大値に設定してステップＢ００５に進む。初回の演算でないと判断された場合（例えばフラグがゼロの状態）は、そのままステップＢ００５に進む。なお、このように初回演算か否かをフラグで判断する場合は、起動時にフラグを立てるようにしておく。   In step B003, it is determined whether or not this is the first calculation after the system is started. The determination is made, for example, based on whether or not the flag for the first calculation is set (the flag is 1). If it is the first calculation, the process proceeds to step B004, the reference target hydrogen pressure is set to the maximum value of the reference target hydrogen pressure, and the process proceeds to step B005. If it is determined that the calculation is not the first time (for example, the flag is zero), the process proceeds to step B005. In addition, when determining whether or not it is the first calculation in this way, a flag is set at the time of activation.

ステップＢ００５では、ステップＢ００２で読み込んだ水素圧力の値と、ステップＢ００１で求めた基準目標水素圧力最大値とを比較する。水素圧力が基準目標水素圧力最大値より大きければ、ステップＢ００６に進んで基準目標水素圧力を基準目標水素圧力最小値に設定し、本フローチャートを終了する。一方、水素圧力が基準目標水素圧力最大値より小さければ、ステップＢ００７に進む。   In step B005, the hydrogen pressure value read in step B002 is compared with the reference target hydrogen pressure maximum value obtained in step B001. If the hydrogen pressure is greater than the reference target hydrogen pressure maximum value, the process proceeds to step B006, where the reference target hydrogen pressure is set to the reference target hydrogen pressure minimum value, and this flowchart ends. On the other hand, if the hydrogen pressure is smaller than the reference target hydrogen pressure maximum value, the process proceeds to step B007.

ステップＢ００７では、基準目標水素圧力最小値と水素圧力とを比較する。水素圧力が基準目標水素圧力よりも小さければ、ステップＢ００８に進み、基準目標水素圧力を基準目標水素圧力最大値に設定し、本フローチャートを終了する。一方、水素圧力が基準目標水素圧力よりも大きければ、基準目標水素圧力は変更せずに本フローチャートを終了する。   In Step B007, the reference target hydrogen pressure minimum value is compared with the hydrogen pressure. If the hydrogen pressure is smaller than the reference target hydrogen pressure, the process proceeds to step B008, where the reference target hydrogen pressure is set to the reference target hydrogen pressure maximum value, and this flowchart ends. On the other hand, if the hydrogen pressure is greater than the reference target hydrogen pressure, the reference target hydrogen pressure is not changed and the present flowchart is terminated.

ここで、水素圧力が脈動したときの基準目標水素圧力の変動を、図２７のタイムチャートを参照して説明する。図２７は、目標電流Ａ３で運転中の時刻ｔ１に、目標電流をＡ１に変化させた場合のタイムチャートである。そして、図２７中では、水素圧力が時間の経過に伴って鎖線Ｈのように変化している。   Here, the fluctuation | variation of the reference | standard target hydrogen pressure when hydrogen pressure pulsates is demonstrated with reference to the time chart of FIG. FIG. 27 is a time chart when the target current is changed to A1 at time t1 during operation with the target current A3. In FIG. 27, the hydrogen pressure changes as indicated by a chain line H with the passage of time.

時刻ｔ１までは目標電流Ａ３で発電を行うため、図２６より基準目標水素圧力最大値はＰ３、基準目標水素圧力最小値はＰ２となる。そして、図２８のステップＢ００４〜Ｂ００８の演算により、基準目標水素圧力は水素圧力の変化に伴って実線ｔＨのように切り換わる。   Since power generation is performed with the target current A3 until time t1, the reference target hydrogen pressure maximum value is P3 and the reference target hydrogen pressure minimum value is P2 from FIG. Then, the reference target hydrogen pressure is switched as indicated by a solid line tH in accordance with the change in the hydrogen pressure by the calculation of steps B004 to B008 in FIG.

時刻ｔ１において目標電流がＡ３からＡ１に変化すると、基準目標水素圧力最大値及び基準目標水素圧力最小値は、それぞれＰ２、Ｐ１に変化する。   When the target current changes from A3 to A1 at time t1, the reference target hydrogen pressure maximum value and the reference target hydrogen pressure minimum value change to P2 and P1, respectively.

このように、上述した図２８の制御を実行することにより、目標水素圧力が基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値の間を時間とともに変化し、結果として水素圧力が上下することとなる。   Thus, by executing the control of FIG. 28 described above, the target hydrogen pressure changes with time between the reference target hydrogen pressure maximum value and the reference target hydrogen pressure minimum value, and as a result, the hydrogen pressure increases and decreases. Become.

なお、ステップＢ００５、Ｂ００７で水素圧力と比較する対象を、それぞれ基準目標水素圧力最大値−所定値、基準目標水素圧力最小値＋所定値としてもよい。所定値を入れることにより、水素圧力を目標水素圧力に制御した場合にオーバーシュート等が生じなくても、適切な判断が可能となる。所定値は、例えば５［ｋＰａ］程度の値を設定すればよい。なお、基準目標水素圧力の生成において、時間的変化を制約することによって、オーバーシュートを抑制することもできる。   Note that the targets to be compared with the hydrogen pressure in steps B005 and B007 may be the reference target hydrogen pressure maximum value−predetermined value and the reference target hydrogen pressure minimum value + predetermined value, respectively. By entering a predetermined value, it is possible to make an appropriate determination even if overshoot or the like does not occur when the hydrogen pressure is controlled to the target hydrogen pressure. The predetermined value may be set to a value of about 5 [kPa], for example. In the generation of the reference target hydrogen pressure, overshoot can be suppressed by restricting temporal changes.

上記のように図２８のフローチャートが終了したら、図２５のステップＡ００２に進む。   When the flowchart of FIG. 28 is completed as described above, the process proceeds to step A002 of FIG.

ステップＡ００２では、予想空気圧力を生成する。本ステップは、図７のステップＳ２００と同様の処理を行えばよい。なお、本ステップは図２４の予想空気圧力生成器に該当する。   In step A002, an expected air pressure is generated. This step may be performed in the same manner as step S200 in FIG. This step corresponds to the expected air pressure generator of FIG.

ステップＡ００３では、基準目標水素圧力の制限値（基準目標水素圧力制限値）を求める。具体的には、水素圧力と空気圧力の差圧として許容できる値（差圧許容値）を予め求めておき、ステップＡ００２で求めた予想空気圧力に差圧許容値を加算した値を最大基準目標水素圧力制限値とする。また、予想空気圧力から差圧許容値を減算した値を最小基準目標水素圧力制限値とする。   In step A003, a reference target hydrogen pressure limit value (reference target hydrogen pressure limit value) is obtained. Specifically, an allowable value (differential pressure allowable value) as a differential pressure between the hydrogen pressure and the air pressure is obtained in advance, and a value obtained by adding the allowable differential pressure to the predicted air pressure obtained in step A002 is the maximum reference target. Use the hydrogen pressure limit value. Further, a value obtained by subtracting the allowable differential pressure value from the predicted air pressure is set as the minimum reference target hydrogen pressure limit value.

ここで用いる差圧許容値は、どの程度の差圧であれば燃料電池スタックの耐久性を損ねることがないかを実験等により求めて、その値を用いればよい。   The allowable differential pressure value used here may be determined by experimentally determining how much differential pressure does not impair the durability of the fuel cell stack.

ステップＡ００４では、図３０に示すフローチャートを実行することで、基準目標水素圧力が最大基準目標水素圧力から最小基準目標水素圧力の範囲内にあるかを確認し、必要に応じて基準目標水素圧力を制限して、目標水素圧力を生成する。   In step A004, it is confirmed whether or not the reference target hydrogen pressure is within the range from the maximum reference target hydrogen pressure to the minimum reference target hydrogen pressure by executing the flowchart shown in FIG. 30, and the reference target hydrogen pressure is set as necessary. Limit and generate target hydrogen pressure.

ここで、図３０のフローチャートについて説明する。   Here, the flowchart of FIG. 30 will be described.

ステップＡ００４１では、基準目標水素圧力と最大基準目標水素圧力制限値の大所関係を判断する。基準目標水素圧力の方が最大基準目標水素圧力制限値よりも大きい場合は、ステップＡ００４２に進み、目標水素圧力を基準目標水素圧力制限値とする。逆に基準目標水素圧力が最大基準目標水素圧力制限値よりも小さい場合は、ステップＡ００４３に進む。   In step A0041, the major relationship between the reference target hydrogen pressure and the maximum reference target hydrogen pressure limit value is determined. If the reference target hydrogen pressure is greater than the maximum reference target hydrogen pressure limit value, the process proceeds to step A0042, where the target hydrogen pressure is set as the reference target hydrogen pressure limit value. Conversely, when the reference target hydrogen pressure is smaller than the maximum reference target hydrogen pressure limit value, the process proceeds to step A0043.

ステップＡ００４３では、基準目標水素圧力と最小基準目標水素圧力制限値の大所関係を判断する。基準目標水素圧力の方が最少基準目標水素圧力よりも小さい場合は、ステップＡ００４４に進み、最小基準目標水素圧力を目標水素圧力として設定する。逆に、基準目標水素圧力の方が最少基準目標水素圧力より大きい場合は、ステップＡ００４５に進み、基準目標水素圧力を目標水素圧力として設定する。   In step A0043, the major relationship between the reference target hydrogen pressure and the minimum reference target hydrogen pressure limit value is determined. When the reference target hydrogen pressure is smaller than the minimum reference target hydrogen pressure, the process proceeds to step A0044, and the minimum reference target hydrogen pressure is set as the target hydrogen pressure. Conversely, if the reference target hydrogen pressure is greater than the minimum reference target hydrogen pressure, the process proceeds to step A0045, where the reference target hydrogen pressure is set as the target hydrogen pressure.

このように、ステップＡ００１で求めた基準目標水素圧力が、最大基準目標水素圧力と最小基準目標水素圧力の範囲内にあるか否かを判断し、必要に応じて基準目標水素圧力を制限する。そして、水素圧力を目標水素圧力に追従するように制御すると、目標水素圧力と水素圧力がほぼ等しい状況では、水素圧力と予想空気圧力の差は差圧許容値内に収めることができる。また、差圧許容値の範囲内であれば、目標水素圧力を時間とともに脈動させることができる。   In this manner, it is determined whether or not the reference target hydrogen pressure obtained in step A001 is within the range between the maximum reference target hydrogen pressure and the minimum reference target hydrogen pressure, and the reference target hydrogen pressure is limited as necessary. When the hydrogen pressure is controlled so as to follow the target hydrogen pressure, the difference between the hydrogen pressure and the predicted air pressure can be within the allowable pressure difference in a situation where the target hydrogen pressure and the hydrogen pressure are substantially equal. Further, the target hydrogen pressure can be pulsated with time if it is within the range of the differential pressure tolerance.

図２５のフローチャートの説明に戻る。   Returning to the flowchart of FIG.

ステップＡ００５では、圧力センサ６ａにより水素圧力を求める。   In step A005, the hydrogen pressure is obtained by the pressure sensor 6a.

ステップＡ００６では、空気制御用圧力信号を生成する。具体的には、ステップＡ００５で求めた水素圧力から差圧許容値を減じることで生成する。   In step A006, an air control pressure signal is generated. Specifically, it is generated by subtracting the allowable pressure difference from the hydrogen pressure obtained in step A005.

ステップＡ００７では、ステップＡ００１で求めた基準目標空気圧力とステップＡ００６で求めた空気制御用圧力信号を比較する。空気制御用圧力信号の方が基準目標空気圧力よりも大きい場合にはステップＡ００８に進み、空気制御用圧力信号を目標空気圧力として設定する。空気制御用圧力信号の方が基準目標空気圧力よりも小さい場合、ステップＡ００９へ進み、基準目標空気圧力を目標空気圧力として設定する。   In step A007, the reference target air pressure obtained in step A001 is compared with the air control pressure signal obtained in step A006. When the air control pressure signal is larger than the reference target air pressure, the process proceeds to step A008, where the air control pressure signal is set as the target air pressure. If the pressure signal for air control is smaller than the reference target air pressure, the process proceeds to step A009, where the reference target air pressure is set as the target air pressure.

上記の手順で目標空気圧力、目標水素圧力を設定したら、図２のステップＳ１０３と同様に操作量を生成して各アクチュエータを駆動する。   When the target air pressure and the target hydrogen pressure are set by the above procedure, an operation amount is generated and each actuator is driven in the same manner as in step S103 in FIG.

次に、図２５のフローチャートの内容と図２４の制御ブロック図との対応について説明する。   Next, the correspondence between the contents of the flowchart of FIG. 25 and the control block diagram of FIG. 24 will be described.

図２４の予想空気圧力生成器８０は、図２５のステップＡ００２に相当するブロックである。なお、予想空気圧力はゲージ圧（大気圧との相対圧力）で生成しているため、予想空気圧力生成器８０の後段で大気圧を加算している。したがって、目標水素圧力もゲージ圧で設定する場合には、この加算を省略することができる。   The expected air pressure generator 80 in FIG. 24 is a block corresponding to step A002 in FIG. Note that since the predicted air pressure is generated as a gauge pressure (relative to atmospheric pressure), the atmospheric pressure is added after the predicted air pressure generator 80. Therefore, when the target hydrogen pressure is also set as a gauge pressure, this addition can be omitted.

図２４の演算部８１、８２、８３は、それぞれ図２５のステップＡ００３、Ａ００４、Ａ００６に相当するブロックであり、演算部８４はステップＡ００７〜Ａ００９に相当するブロックである。ここで、図２４中のIはステップＡ００３で求めた最小基準目標水素圧力制限値、IIは同じく最大基準目標水素圧力制限値、IIIはステップＡ００６で求めた空気制御用圧力信号である。   24 are blocks corresponding to steps A003, A004, and A006 in FIG. 25, respectively, and the calculation unit 84 is a block corresponding to steps A007 to A009. Here, I in FIG. 24 is the minimum reference target hydrogen pressure limit value obtained in step A003, II is the maximum reference target hydrogen pressure limit value, and III is the air control pressure signal obtained in step A006.

また、図２４中の「ＭＡＸ」と記載されているブロックは、入力されている信号のうち最も大きい信号を選択するという意味のブロックであり、同様に「ＭＩＮ」は最も小さい信号を選択するという意味のブロックである。   In addition, the block described as “MAX” in FIG. 24 is a block meaning that the largest signal among the inputted signals is selected, and similarly, “MIN” selects the smallest signal. It is a block of meaning.

なお、図２４においては、水素圧力を検知するステップＡ００５に相当するブロックは省略している。   In FIG. 24, a block corresponding to step A005 for detecting the hydrogen pressure is omitted.

次に、図２６のテーブルについて説明する。   Next, the table of FIG. 26 will be described.

図２６は、上述したように、基準目標空気圧力、基準目標水素圧力の最大値及び最小値を求めるテーブルである。   FIG. 26 is a table for obtaining the maximum value and the minimum value of the reference target air pressure and the reference target hydrogen pressure as described above.

基準目標空気圧力と基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値が等しいときは、図４の基準目標圧力を求めるテーブルと同じである。ただし、図４は負荷要求から基準目標圧力を求めるテーブルであるのに対して、図２６では目標電流から基準目標空気圧力を求めるテーブルである。負荷要求から目標電流への変換は、図２９に示すテーブルを用いて行えばよい。なお、図２９のテーブルは、負荷要求（電力）を実現できる電流値を予め実験等によって求めて、その値に基づいて作成すればよい。   When the reference target air pressure, the reference target hydrogen pressure maximum value, and the reference target hydrogen pressure minimum value are equal, the table is the same as the table for obtaining the reference target pressure in FIG. However, FIG. 4 is a table for obtaining the reference target pressure from the load request, whereas FIG. 26 is a table for obtaining the reference target air pressure from the target current. The conversion from the load request to the target current may be performed using the table shown in FIG. Note that the table in FIG. 29 may be created based on the current value that can realize the load request (power) obtained in advance through experiments or the like.

また、基準目標水素圧力最大値及び基準目標水素圧力最小値は、以下のようなことを考慮して設定する。   The maximum reference target hydrogen pressure value and the minimum reference target hydrogen pressure value are set in consideration of the following.

まず、図１のパージ弁８が開弁し、基準目標水素圧力最小値から基準目標水素圧力最大値に水素圧力が上昇したときに、窒素を含んだ水素ガスが効率的に排出されるように、基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値の差は大きくする。   First, when the purge valve 8 of FIG. 1 is opened and the hydrogen pressure rises from the reference target hydrogen pressure minimum value to the reference target hydrogen pressure maximum value, the hydrogen gas containing nitrogen is efficiently discharged. The difference between the reference target hydrogen pressure maximum value and the reference target hydrogen pressure minimum value is increased.

一方、基準目標空気圧力は、目標電流を安定して取り出せる圧力を実験等で求めて設定すればよい。   On the other hand, the reference target air pressure may be set by experimentally determining a pressure at which the target current can be stably taken out.

このとき、空気圧力は高い方が安定して電流を取り出すことができるが、空気圧力を高く設定すると、図１のコンプレッサ１０ａでの消費電力が大きくなる。そこで、これらを鑑みて、安定して電流を取り出せる範囲内で空気圧力を低く設定すると、図２６の基準目標空気圧力を設定することができる。   At this time, the higher the air pressure, the more stable the current can be taken out. However, when the air pressure is set higher, the power consumption in the compressor 10a in FIG. 1 increases. In view of these, if the air pressure is set low within a range where current can be stably taken out, the reference target air pressure in FIG. 26 can be set.

また、水素圧力と空気圧力を差圧許容値内に収める必要があるため、基準目標空気圧力と基準目標水素圧力最大値の差圧、及び基準目標空気圧力と基準目標水素圧力最小値との差圧は、差圧許容値の範囲内に設定する。そして、基準目標水素圧力最小値は、安定して電流が取り出せる値の下限付近に設定すればよい。このようにして各値を設定することで、図２６のテーブルを作成することができる。   In addition, since it is necessary to keep the hydrogen pressure and air pressure within the allowable pressure difference, the difference between the reference target air pressure and the reference target hydrogen pressure maximum value, and the difference between the reference target air pressure and the reference target hydrogen pressure minimum value. The pressure is set within the range of the allowable differential pressure value. The reference target hydrogen pressure minimum value may be set near the lower limit of a value at which current can be stably taken out. By setting each value in this way, the table of FIG. 26 can be created.

上述したように、本実施形態では、水素圧力と空気圧力のうち応答性が高い方の目標値を、応答性が低い方の応答に追従するように設定することで、水素圧力と空気圧力の差圧を差圧許容値内に収めることができる構成となっている。   As described above, in the present embodiment, by setting the target value with the higher responsiveness between the hydrogen pressure and the air pressure so as to follow the response with the lower responsiveness, the hydrogen pressure and the air pressure The differential pressure can be kept within the allowable differential pressure value.

このような構成の作用について、発電電力の変化に伴う水素及び酸素の圧力変化のパターン毎に説明する。   The operation of such a configuration will be described for each pressure change pattern of hydrogen and oxygen accompanying a change in generated power.

第１のパターンとして、水素圧力及び空気圧力を昇圧する場合について説明する。このパターンでは、一般に水素圧力の応答性の方が空気圧力の応答性よりも高いことが想定される。   A case where the hydrogen pressure and the air pressure are increased will be described as the first pattern. In this pattern, it is generally assumed that the hydrogen pressure response is higher than the air pressure response.

図２８のステップＢ００１〜Ｂ００８で生成された基準目標水素圧力は、図２５のステップＡ００４において、必ず「予想空気圧力±差圧許容値」の範囲内に制約され、これが目標水素圧力となる。   The reference target hydrogen pressure generated in steps B001 to B008 in FIG. 28 is always constrained within the range of “expected air pressure ± differential pressure allowable value” in step A004 in FIG. 25, and this becomes the target hydrogen pressure.

一方、空気制御用圧力信号は「水素圧力−差圧許容値」で生成されるため、目標空気圧力は必ず基準目標空気圧力が選択される。そして、水素圧力の方が空気圧力よりも応答性が高いため、水素圧力は「予想空気圧力の上昇速度＋差圧許容値」に制限された目標水素圧力に精度よく追従することができる。これにより、水素圧力も「予想空気圧力±差圧許容値」の範囲内に収まる。   On the other hand, since the air control pressure signal is generated by “hydrogen pressure−differential pressure allowable value”, the reference target air pressure is always selected as the target air pressure. Since the hydrogen pressure has higher responsiveness than the air pressure, the hydrogen pressure can accurately follow the target hydrogen pressure limited to “expected rate of increase in air pressure + allowable pressure difference”. As a result, the hydrogen pressure also falls within the range of “expected air pressure ± differential pressure tolerance”.

また、基準目標空気圧力が目標空気圧力として設定されていることを前提として予想空気圧力が生成されるため、予想空気圧力と空気圧力の挙動は精度よく一致する。そのため、予想空気圧力と空気圧力の差圧は小さくなり、かつ、予想空気圧力と水素圧力の差圧は差圧許容値範囲内に収まっているので、空気圧力と水素圧力の差圧も差圧許容値の範囲内に収めることができる。   In addition, since the predicted air pressure is generated on the assumption that the reference target air pressure is set as the target air pressure, the behavior of the predicted air pressure and the air pressure are accurately matched. For this reason, the differential pressure between the predicted air pressure and the air pressure is reduced, and the differential pressure between the predicted air pressure and the hydrogen pressure is within the allowable differential pressure range. It can be kept within the allowable range.

第２のパターンとして、水素圧力及び空気圧力を減圧する場合で、かつ水素圧力の方が空気圧力より応答性が高い場合について説明する。   As a second pattern, a case where the hydrogen pressure and the air pressure are reduced and the hydrogen pressure is more responsive than the air pressure will be described.

この場合も、第１のパターンと同様に目標水素圧力は「予想空気圧力±差圧許容値」の範囲内で生成されており、水素圧力の方が空気圧力よりも応答性が高いため、つまり予想空気圧力よりも水素圧力の方が応答性が高いため、水素圧力を「予想空気圧力±差圧許容値」の範囲内に収めることができる。このとき、例えば発電により急激に水素圧力を低下できる場合は、「予想空気圧力−差圧許容値」の範囲内に収めるために図１の水素調圧弁３を開き、減圧中であっても水素タンクから水素を供給することもあり得る。逆に水素を供給することで、「予想空気圧力−差圧許容値」に水素圧力を制御することができる。   In this case as well, the target hydrogen pressure is generated within the range of “expected air pressure ± differential pressure tolerance” as in the first pattern, and the hydrogen pressure is more responsive than the air pressure. Since the hydrogen pressure is more responsive than the expected air pressure, the hydrogen pressure can be kept within the range of “expected air pressure ± differential pressure tolerance”. At this time, for example, when the hydrogen pressure can be drastically reduced by power generation, the hydrogen pressure regulating valve 3 in FIG. 1 is opened in order to keep it within the range of “expected air pressure−allowable differential pressure”. Hydrogen may be supplied from the tank. On the other hand, by supplying hydrogen, the hydrogen pressure can be controlled to “expected air pressure−differential pressure allowable value”.

一方、目標空気圧力は、「水素圧力−差圧許容値」が選択される場合、つまり基準目標空気圧力が「水素圧力−差圧許容値」よりも小さい場合は、予想空気圧力より応答性が低くなるが、水素圧力が予想空気圧力の変化速度に合わせて減圧しているため、目標空気圧力が空気圧力に追従できないほど大きな変化をすることはなく、あくまでも空気圧力が追従可能な目標空気圧力となる。   On the other hand, the target air pressure is more responsive than the expected air pressure when "hydrogen pressure-differential pressure tolerance" is selected, that is, when the reference target air pressure is smaller than "hydrogen pressure-differential pressure tolerance". However, the target air pressure does not change so much that the target air pressure cannot follow the air pressure because the hydrogen pressure is reduced in accordance with the expected change speed of the air pressure. It becomes.

その結果、水素圧力は予想空気圧力の変化具合に応じた差圧許容値の範囲内で変動しつつも、空気圧力は水素圧力に追従する構成となる。すなわち、応答の速い水素圧力が応答の遅い予想空気圧力に応答を合わせることで、水素と空気の差圧を小さくすることができる。また、水素と空気の差圧が許容できる範囲内であれば水素圧力を脈動させることができる。   As a result, the air pressure follows the hydrogen pressure while the hydrogen pressure fluctuates within the range of the allowable differential pressure corresponding to the expected change in the air pressure. That is, the pressure difference between hydrogen and air can be reduced by matching the response of the fast hydrogen pressure to the expected air pressure with a slow response. Further, the hydrogen pressure can be pulsated if the differential pressure between hydrogen and air is within an allowable range.

第３のパターンとして、水素圧力及び空気圧力を減圧する場合で、かつ水素圧力の方が空気圧力より応答性が低い場合について説明する。   As a third pattern, a case where the hydrogen pressure and the air pressure are reduced and the response of the hydrogen pressure is lower than the air pressure will be described.

この場合は、水素圧力は応答の速い「予想空気圧力±差圧許容値」を目指して制御される。一方、基準目標空気圧力が「水素圧力−差圧許容値」よりも小さいため、目標空気圧力は十分に追従可能な「水素圧力−差圧許容値」を目標空気圧力として選択する。このため、空気圧力が水素圧力の応答変化を示した「水素圧力−差圧許容値」、つまり空気制御用圧力信号、に追従することで、差圧を差圧許容値の範囲内に収めることができる。   In this case, the hydrogen pressure is controlled aiming at “expected air pressure ± differential pressure allowable value” with a quick response. On the other hand, since the reference target air pressure is smaller than the “hydrogen pressure−differential pressure allowable value”, the target hydrogen pressure is selected as the target air pressure so that the target air pressure can sufficiently follow. For this reason, by following the “hydrogen pressure minus differential pressure tolerance” in which the air pressure indicates the change in response of the hydrogen pressure, that is, the air control pressure signal, the differential pressure is within the range of the differential pressure tolerance. Can do.

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。   As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained.

（１）基準目標値生成手段は、燃料電池１への負荷要求に基づいて、カソード系とアノード系の基準目標圧力としてそれぞれ異なる信号を生成する。また、カソード系とアノード系の差圧が燃料電池１の耐久性を確保できる程度となるように水素の基準目標圧力の上限および下限を制限する最大基準目標水素圧力制限値及び最小基準目標水素圧力制限値を生成する。そして、第２物質圧力挙動生成手段は、水素圧力が最大基準目標水素圧力制限値から最小基準目標水素圧力制限値の範囲内の大きさとなるよう設定する。これにより、予想空気圧力と水素圧力の差圧を差圧許容値内に収めることができる。   (1) The reference target value generating means generates different signals as reference target pressures for the cathode system and the anode system based on a load request to the fuel cell 1. Further, the maximum reference target hydrogen pressure limit value and the minimum reference target hydrogen pressure for limiting the upper and lower limits of the hydrogen reference target pressure so that the differential pressure between the cathode system and the anode system can ensure the durability of the fuel cell 1. Generate limit values. Then, the second substance pressure behavior generating means sets the hydrogen pressure to have a magnitude within the range from the maximum reference target hydrogen pressure limit value to the minimum reference target hydrogen pressure limit value. As a result, the differential pressure between the predicted air pressure and the hydrogen pressure can be kept within the allowable differential pressure value.

（２）第２物質圧力挙動生成手段は、基準目標水素圧力が最大基準目標水素圧力制限値より大きい場合は最大基準目標水素圧力制限値を、小さい場合は最小基準目標水素圧力制限値を目標水素圧力として設定する。また、基準目標水素圧力が最大基準目標水素圧力制限値から最小基準目標水素圧力制限値の範囲内の場合は、基準目標水素圧力を目標水素圧力として設定する。これにより、目標水素圧力と予想空気圧力の差圧を差圧許容値以下とすることができる。また、差圧許容値の範囲内であれば、目標水素圧力を時間とともに上下させることができる。   (2) The second substance pressure behavior generating means sets the maximum reference target hydrogen pressure limit value when the reference target hydrogen pressure is larger than the maximum reference target hydrogen pressure limit value, and sets the minimum reference target hydrogen pressure limit value when the reference target hydrogen pressure is smaller. Set as pressure. When the reference target hydrogen pressure is within the range from the maximum reference target hydrogen pressure limit value to the minimum reference target hydrogen pressure limit value, the reference target hydrogen pressure is set as the target hydrogen pressure. As a result, the differential pressure between the target hydrogen pressure and the predicted air pressure can be made equal to or lower than the allowable differential pressure value. Further, the target hydrogen pressure can be increased or decreased with time as long as it is within the range of the allowable pressure difference.

（３）基準目標値生成手段は、燃料電池１が安定して発電できる上限のアノード系の圧力を基準目標水素圧力最大値、下限のアノード系の圧力を基準目標水素圧力最小値、として生成する。そしてアノード系の圧力が基準目標水素圧力最大値より大きい場合は基準目標水素圧力最小値を、小さい場合は基準目標水素圧力最大値を、基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値の範囲内の場合は前回演算時の基準目標水素圧力を、それぞれ基準目標水素圧力として生成する。これにより、目標水素圧力が基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値の間を時間とともに変化し、結果として水素圧力が上下することとなる。   (3) The reference target value generating means generates the upper limit anode system pressure at which the fuel cell 1 can stably generate power as the reference target hydrogen pressure maximum value and the lower limit anode system pressure as the reference target hydrogen pressure minimum value. . When the anode system pressure is larger than the reference target hydrogen pressure maximum value, the reference target hydrogen pressure minimum value is set. When the anode system pressure is lower, the reference target hydrogen pressure maximum value is set. The range of the reference target hydrogen pressure maximum value and the reference target hydrogen pressure minimum value In the case of, the reference target hydrogen pressure at the previous calculation is generated as the reference target hydrogen pressure. As a result, the target hydrogen pressure changes between the reference target hydrogen pressure maximum value and the reference target hydrogen pressure minimum value with time, and as a result, the hydrogen pressure increases and decreases.

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.

燃料電池システムの構成図である。It is a block diagram of a fuel cell system. 第１実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control routine of 1st Embodiment. 負荷要求演算用のテーブルである。It is a table for load request calculation. 目標空気流量生成用のテーブルである。It is a table for target air flow rate generation. 基準目標圧力生成用のテーブルである。It is a table | surface for reference | standard target pressure production | generation. 大気圧又は外気温の変動とａ又はΔｓとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the fluctuation | variation of atmospheric pressure or external temperature, and a or (DELTA) s. 目標空気圧力生成用のフローチャートである。It is a flowchart for target air pressure generation. 予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その１）。It is a control block diagram which shows an example of the prediction air pressure production | generation method (the 1). 予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その２）。It is a control block diagram which shows an example of the prediction air pressure production | generation method (the 2). 第１実施形態の制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of 1st Embodiment. 予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その３）。It is a control block diagram which shows an example of the prediction air pressure production | generation method (the 3). 予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その４）。It is a control block diagram which shows an example of the prediction air pressure production | generation method (the 4). 予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その５）。It is a control block diagram which shows an example of the prediction air pressure production | generation method (the 5). 第２実施形態の制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of 2nd Embodiment. 空気調圧弁の操作量の飽和を考慮した場合の予想空気圧力の生成方法を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows the production | generation method of the estimated air pressure when the saturation of the operation amount of an air pressure regulation valve is considered. （ａ）は制限用のブロック、（ｂ）はこのブロックが行う手続きのフローチャートである。(A) is a block for restriction, and (b) is a flowchart of a procedure performed by this block. 第３実施形態の制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of 3rd Embodiment. 第４実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。It is a time chart at the time of performing control of a 4th embodiment. 第５実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。It is a time chart at the time of performing control of a 5th embodiment. 第６実施形態の制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of 6th Embodiment. 第７実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control routine of 7th Embodiment. 第７実施形態の制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of 7th Embodiment. 第３実施形態の制御システムの他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the control system of 3rd Embodiment. 第８実施形態の制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of 8th Embodiment. 第８実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control routine of 8th Embodiment. 基準目標空気圧力の算出に用いるテーブルである。It is a table used for calculation of reference target air pressure. 水素圧力が脈動したときの基準目標水素圧力の変動を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the fluctuation | variation of the reference | standard target hydrogen pressure when hydrogen pressure pulsates. 基準目標水素圧力生成用の制御ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control routine for reference | standard target hydrogen pressure production | generation. 負荷要求から目標電流への変換テーブルである。It is a conversion table from a load request to a target current. 目標水素圧力生成用の制御ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the control routine for target hydrogen pressure generation.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池
２ 水素タンク
３ 水素タンク元弁
４ 減圧弁
５ 水素供給弁
６ａ、６ｂ 圧力センサ
７ 水素循環装置
８ パージ弁
９ 排水素処理装置
１０ａ コンプレッサ
１０ｂ インバータ
１１ 加湿装置
１２ 空気調圧弁
１３ 冷却水ポンプ
１５ 温度センサ
１６ 三方弁
１７ ラジエタ
１８ ラジエタファン
２０ ＤＣＤＣコンバータ
３０ コントロールユニット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Hydrogen tank 3 Hydrogen tank main valve 4 Pressure reducing valve 5 Hydrogen supply valve 6a, 6b Pressure sensor 7 Hydrogen circulation device 8 Purge valve 9 Exhaust hydrogen treatment device 10a Compressor 10b Inverter 11 Humidifier 12 Air pressure regulating valve 13 Cooling water pump 15 Temperature sensor 16 Three-way valve 17 Radiator 18 Radiator fan 20 DCDC converter 30 Control unit

Claims (12)

燃料ガスと酸化剤ガスの内一方を第１物質とし、他方を第２物質とし、前記第１物質が供給されることにより圧力が変化する第１物質空間と、前記第２物質が供給されることにより圧力が変化する第２物質空間と、を有する燃料電池と、
前記第１物質空間の圧力を変化させる第１物質圧力変化手段と、
前記第２物質空間の圧力を変化させる第２物質圧力変化手段と、
前記第１物質圧力変化手段及び前記第２物質圧力変化手段を制御する燃料電池システム制御手段と、
を備え、
前記第１物質空間の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第１の時間より、前記第２物質空間の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第２の時間の方が短い燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システム制御手段は、基準目標値生成手段、第１物質予想圧力生成手段、第２物質制御手段、第２物質圧力挙動生成手段、第１物質制御手段及び第１物質目標圧力選択手段を有し、
前記基準目標値生成手段は、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、圧力の目標値の基準となる基準目標圧力を生成し、
前記第１物質予想圧力生成手段は、前記第１物質制御手段により前記第１物質空間の圧力が前記基準目標圧力に漸次近づくように制御される場合の、前記第１物質空間の圧力の時間的変化の予想値である第１物質予想圧力を生成し、
前記第２物質制御手段は、前記第１物質予想圧力と前記第２物質空間の圧力との乖離が漸次小さくなるように、前記第１物質予想圧力に基づいて前記第２物質圧力変化手段への指令値である第２物質制御指令を生成し、
前記第２物質圧力挙動生成手段は、前記第２物質空間の圧力を検知する手段の検知結果、又は、前記第２物質空間の圧力の目標値としての前記第１物質予想圧力に基づいて前記第２物質空間の圧力の挙動を近似又は一致させるよう行った演算の結果を第２物質圧力挙動値として生成し、
前記第１物質制御手段は、前記第２物質圧力挙動値または前記基準目標圧力のいずれか一方に基づいて前記第１物質圧力変化手段への指令値である第１物質制御指令を生成し、
第１物質目標圧力選択手段は、前記基準目標圧力と前記第２物質圧力挙動値のうち前記第１物質空間の圧力と前記第２物質空間の圧力の乖離が小さくなる方を、前記第１物質空間の目標圧力である第１物質目標圧力として選択し、この第１物質目標圧力を前記第１物質制御手段へ印加する目標値とすることを特徴とする燃料電池システム。 One of the fuel gas and the oxidant gas is the first substance, the other is the second substance, and the first substance space in which the pressure changes when the first substance is supplied, and the second substance is supplied. A fuel cell having a second material space in which the pressure changes by
First substance pressure changing means for changing the pressure of the first substance space;
Second substance pressure changing means for changing the pressure of the second substance space;
Fuel cell system control means for controlling the first substance pressure changing means and the second substance pressure changing means;
With
From the first time required for the pressure in the first material space to change from the predetermined first pressure to the predetermined second pressure, the pressure in the second material space is changed from the predetermined first pressure to the predetermined pressure. In a fuel cell system in which the second time required to change to the second pressure is shorter,
The fuel cell system control means includes reference target value generation means, first substance expected pressure generation means, second substance control means, second substance pressure behavior generation means , first substance control means and first substance target pressure selection means. Have
The reference target value generating means generates a reference target pressure serving as a reference for a target value of pressure based on a load request to the fuel cell,
The first substance expected pressure generating means is a temporal change of the pressure of the first substance space when the pressure of the first substance space is controlled so as to gradually approach the reference target pressure by the first substance control means. Producing the first material expected pressure, which is the expected value of change,
The second substance control means applies the second substance pressure changing means to the second substance pressure changing means based on the first substance expected pressure so that the difference between the first substance expected pressure and the pressure of the second substance space gradually decreases. Generate a second substance control command that is a command value,
The second substance pressure behavior generating means is based on the detection result of the means for detecting the pressure of the second substance space or the first substance expected pressure as a target value of the pressure of the second substance space. The result of the calculation performed to approximate or match the pressure behavior of the two substance space is generated as the second substance pressure behavior value,
The first substance control means generates a first substance control command that is a command value to the first substance pressure change means based on either the second substance pressure behavior value or the reference target pressure,
The first substance target pressure selection means is configured to determine, from among the reference target pressure and the second substance pressure behavior value, a smaller difference between the pressure of the first substance space and the pressure of the second substance space. A fuel cell system, wherein a first material target pressure, which is a target pressure in space, is selected, and the first material target pressure is set as a target value to be applied to the first material control means. 前記第２の圧力は前記第１の圧力より高く、前記第１物質目標圧力選択手段は前記基準目標圧力と前記第２物質空間の圧力のうち大きい方を前記第１物質目標圧力として選択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。   The second pressure is higher than the first pressure, and the first substance target pressure selection means selects a larger one of the reference target pressure and the pressure of the second substance space as the first substance target pressure. The fuel cell system according to claim 1. 前記第１物質予想圧力生成手段は、前記第１物質目標圧力が前記基準目標圧力である場合の前記第１物質空間の圧力の未来値であって、前記第２物質空間の圧力の目標値から前記第２物質圧力挙動値までの遅れ度合いが大きくなるほど時間が進んだ未来値となるように前記第１物質予想圧力を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。   The first substance expected pressure generating means is a future value of the pressure of the first substance space when the first substance target pressure is the reference target pressure, and is based on the target value of the pressure of the second substance space. 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first material expected pressure is generated so that a future value with a time progressed as the degree of delay to the second material pressure behavior value increases. 前記第２物質圧力挙動生成手段は、前記第２物質空間の圧力の未来値であって前記第１物質目標圧力から前記第１物質空間の圧力までの遅れ度合いが大きくなるほど時間が進んだ未来値となる第２物質圧力挙動値を、前記基準目標圧力に基づいて演算により生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。   The second material pressure behavior generating means is a future value of the pressure in the second material space, and a future value in which time has advanced as the degree of delay from the first material target pressure to the pressure in the first material space increases. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the second material pressure behavior value is generated by calculation based on the reference target pressure. 前記第１物質制御手段は、前記第１物質制御指令の大きさを第１の所定値より大きくならないように制限する第１物質制御指令値制限手段をさらに有し、
前記第１物質制御指令値制限手段により前記第１物質制御指令が制限された場合又は制限されると予想した場合には、第１物質制御手段は前記第１物質制御指令を前記第１の所定値とし、前記第１物質予想圧力生成手段は前記第１物質予想圧力の時間的変化を小さくすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 The first substance control means further comprises first substance control command value limiting means for limiting the magnitude of the first substance control command so as not to be larger than a first predetermined value,
When the first substance control command is restricted or expected to be restricted by the first substance control command value restriction means, the first substance control means sends the first substance control command to the first predetermined The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the first substance predicted pressure generation unit reduces a temporal change in the first substance expected pressure. 前記第２物質制御手段は、前記第２物質制御指令の大きさを第２の所定値より大きくならないように制限する第２物質制御指令値制限手段を有し、
前記第１物質制御指令値制限手段により前記第１物質制御指令が制限された場合又は制限されると予想した場合には、前記第２物質制御手段は前記第２物質制御指令を前記第２の所定値とし、前記第１物質予想圧力生成手段は、第１物質予想圧力の時間的変化を小さくすることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。 The second substance control means includes second substance control command value limiting means for limiting the magnitude of the second substance control command so as not to be larger than a second predetermined value,
When the first substance control command is limited or expected to be limited by the first substance control command value limiting means, the second substance control means sends the second substance control command to the second substance control command. 6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the first substance predicted pressure generation unit sets a predetermined value to reduce a temporal change in the first substance expected pressure. 前記第１物質空間に前記第１物質を供給する第１物質供給手段をさらに備え、
前記第１物質空間は、少なくとも前記第１物質の流量の増減により圧力が変化する空間であって、
前記第１物質制御手段は、前記第１物質圧力変化手段及び前記第１物質供給手段を動作させることにより前記第１物質空間の圧力を変化させ、
前記第１物質予想圧力生成手段は、前記第１物質供給手段により供給される前記第１物質の質量流量、この質量流量の時間的変化、又は前記第１物質の質量流量の予想値である第１物質予想質量流量の少なくとも一つが大きくなるにつれて、前記第１物質予想圧力の時間的変化を大きくすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 A first substance supply means for supplying the first substance to the first substance space;
The first substance space is a space where the pressure changes due to at least an increase or decrease in the flow rate of the first substance,
The first substance control means changes the pressure of the first substance space by operating the first substance pressure changing means and the first substance supply means,
The first substance expected pressure generation means is a mass flow rate of the first substance supplied by the first substance supply means, a temporal change of the mass flow rate, or an expected value of the mass flow rate of the first substance. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein a temporal change in the expected pressure of the first substance increases as at least one of the expected mass flow of one substance increases. 前記第１物質は酸素を含有する空気、前記第２物質は水素を含有する気体であって、
前記第１物質圧力変化手段は外気より取り込んだ空気を前記第１物質空間に供給する手段であって、
前記第２の圧力は前記第１の圧力より大きい圧力であって、
前記第１物質予想圧力生成手段は外気の温度又は圧力を検知し、外気の温度が高くなるにつれて、又は外気の圧力が低くなるにつれて、前記第１物質予想圧力の時間的変化が小さくなるように前記第１物質予想圧力を生成することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 The first substance is oxygen-containing air, and the second substance is hydrogen-containing gas,
The first substance pressure changing means is means for supplying air taken in from outside air to the first substance space,
The second pressure is greater than the first pressure,
The first substance expected pressure generating means detects the temperature or pressure of the outside air, and the temporal change of the first substance expected pressure becomes smaller as the temperature of the outside air becomes higher or the pressure of the outside air becomes lower. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein the first substance expected pressure is generated. 前記基準目標値生成手段は、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、前記第１物質空間と前記第２物質空間の基準目標圧力としてそれぞれ異なる信号を生成し、さらに、これら第１物質空間の基準目標圧力と第２物質空間の基準目標圧力との乖離度合いを二物質間目標圧力差として生成し、この二物質間目標圧力差を前記第１物質予想圧力生成手段及び第２物質予想圧力生成手段に印加し、
前記第１物質予想圧力生成手段は、前記第２物質空間の基準となる目標圧力又は前記第１物質空間の基準となる目標圧力のいずれか一方に基づいて、前記第１物質空間の圧力又はこの圧力に関連した値の挙動と一致又は近似するよう前記第１物質予想圧力を生成し、
前記第２物質圧力挙動生成手段は、前記第２物質空間の圧力を検知する手段の検知結果、又は、前記第１物質予想圧力に基づいて前記第２物質空間の圧力の挙動を近似ないしは一致させるよう行った演算の結果に、前記二物質間目標圧力差を加算又は減算した信号を前記第２物質圧力挙動値として生成することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 The reference target value generating means generates different signals as reference target pressures for the first material space and the second material space based on a load request to the fuel cell, and further, for the first material space, A deviation degree between the reference target pressure and the reference target pressure of the second substance space is generated as a target pressure difference between the two substances, and the target pressure difference between the two substances is generated as the first substance expected pressure generation means and the second substance expected pressure generation. Applied to the means,
The first substance expected pressure generating means is configured to determine the pressure of the first substance space or the pressure of the first substance space based on either the target pressure serving as the reference of the second substance space or the target pressure serving as the reference of the first substance space. Generating said first material expected pressure to match or approximate the behavior of a value related to pressure;
The second substance pressure behavior generating means approximates or matches the pressure behavior of the second substance space based on the detection result of the means for detecting the pressure of the second substance space or the expected first substance pressure. The signal obtained by adding or subtracting the target pressure difference between the two substances to the result of the calculation performed as described above is generated as the second substance pressure behavior value. Fuel cell system. 前記基準目標値生成手段は、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、前記第１物質空間と前記第２物質空間の基準目標圧力としてそれぞれ異なる信号を生成し、さらに、前記第１物質空間の圧力と前記第２物質空間の圧力との差圧が燃料電池の耐久性を確保できる程度となるように前記第２物質空間の基準目標圧力の上限および下限を制限する最大基準目標圧力制限値及び最小基準目標圧力制限値を生成し、
前記第２物質空間の基準目標圧力を前記最大基準目標圧力制限値から前記最小基準目標圧力制限値の範囲内の大きさとなるよう設定することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。 The reference target value generating means generates different signals as reference target pressures for the first substance space and the second substance space based on a load request to the fuel cell, and further, for the first substance space. A maximum reference target pressure limit value for limiting an upper limit and a lower limit of the reference target pressure of the second material space so that a differential pressure between the pressure and the pressure of the second material space can ensure the durability of the fuel cell; Generate a minimum reference target pressure limit,
The reference target pressure in the second material space is set to have a magnitude within a range from the maximum reference target pressure limit value to the minimum reference target pressure limit value. The fuel cell system described in 1. 前記基準目標値生成手段は、前記第２物質空間の基準目標圧力が前記最大基準目標圧力制限値より大きい場合は前記最大基準目標圧力制限値を、前記第２物質空間の基準目標圧力が前記最小基準目標圧力制限値より小さい場合は前記最小基準目標圧力制限値を、前記第２物質空間の基準目標圧力が前記最大基準目標圧力制限値から前記最小基準目標圧力制限値の範囲内の場合は前記第２物質空間の基準目標圧力を、前記第２物質空間の基準目標圧力として設定することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム   The reference target value generating means determines the maximum reference target pressure limit value when the reference target pressure of the second substance space is greater than the maximum reference target pressure limit value, and the reference target pressure of the second substance space is the minimum When the reference target pressure limit value is smaller than the minimum reference target pressure limit value, the minimum reference target pressure limit value is set. When the reference target pressure of the second material space is within the range from the maximum reference target pressure limit value to the minimum reference target pressure limit value, 11. The fuel cell system according to claim 10, wherein a reference target pressure of the second substance space is set as a reference target pressure of the second substance space. 前記基準目標値生成手段は、燃料電池が安定して発電できる上限の前記第２物質空間の圧力を基準目標圧力最大値、下限の第２物質空間の圧力を基準目標圧力最小値、として生成し、前記第２物質空間の圧力が前記基準目標圧力最大値より大きい場合は前記基準目標圧力最小値を、前記第２物質空間の圧力が前記基準目標圧力最小値より小さい場合は前記基準目標圧力最大値を、前記第２物質空間の圧力が前記基準目標圧力最大値と前記基準目標圧力最小値の範囲内の場合は前回演算時の基準目標圧力を、それぞれ前記第２物質空間の基準目標圧力として生成することを特徴とする請求項１０または１１に記載の燃料電池システム。   The reference target value generation means generates the upper limit of the second material space pressure at which the fuel cell can stably generate power as the reference target pressure maximum value and the lower limit of the second material space pressure as the reference target pressure minimum value. When the pressure in the second material space is greater than the reference target pressure maximum value, the reference target pressure minimum value is set. When the pressure in the second material space is less than the reference target pressure minimum value, the reference target pressure maximum is set. When the pressure in the second material space is within the range between the maximum reference target pressure value and the minimum reference target pressure value, the reference target pressure at the previous calculation is set as the reference target pressure in the second material space. The fuel cell system according to claim 10 or 11, wherein the fuel cell system is generated.
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