JP5765064B2 - Fuel cell wet state control device - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池の湿潤状態を制御する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for controlling the wet state of a fuel cell.
燃料電池を効率よく発電させるには、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが重要である。すなわち、電解質膜の湿潤状態が高すぎればフラッディングが生じたり零下起動に備えて停止時のパージ動作が必要になる。また電解質膜の湿潤状態が低すぎれば燃料電池スタックの電圧が落ち込んで出力が大きく低下するおそれがある。そこで特許文献１では、電解質膜を適度な湿潤状態に維持するカソードガス圧力及びカソードガス流量となるように調圧弁やカソードコンプレッサーを制御していた。特に燃費を考慮して湿潤側に制御する場合は、カソードコンプレッサー野消費電力を下げるために回転速度を先に低下させ、その後、調圧弁を開いて圧力を上げる。 In order to efficiently generate power in the fuel cell, it is important to maintain the electrolyte membrane in an appropriate wet state. That is, if the wet state of the electrolyte membrane is too high, flooding occurs or a purge operation at the time of stop is required in preparation for starting below zero. Moreover, if the electrolyte membrane is too wet, the voltage of the fuel cell stack drops and the output may be greatly reduced. Therefore, in Patent Document 1, the pressure regulating valve and the cathode compressor are controlled so that the cathode gas pressure and the cathode gas flow rate for maintaining the electrolyte membrane in an appropriate wet state are obtained. In particular, when the control is performed on the wet side in consideration of fuel consumption, the rotational speed is first reduced in order to reduce the cathode compressor field power consumption, and then the pressure control valve is opened to increase the pressure.
湿潤度を制御するパラメーターとしては冷却水温もある。しかしながら、前述した手法では、湿潤調整するために、冷却水温を制御していなかった。そのため過渡時の湿潤制御において、燃費を改善する余地のあることが本件発明者らによって知見された。 A parameter for controlling the wetness is the cooling water temperature. However, in the above-described method, the cooling water temperature is not controlled in order to adjust the wetness. For this reason, the present inventors have found that there is room for improving fuel consumption in wet control during transition.
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、冷却水の制御を含めて燃費の悪化を抑制しつつ、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することができる燃料電池の湿潤状態制御装置を提供することである。 The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and an object of the present invention is to keep the electrolyte membrane in an appropriate wet state while suppressing deterioration of fuel consumption including control of cooling water. It is an object to provide a wet state control device for a fuel cell that can be maintained.
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。 The present invention solves the above problems by the following means.
本発明の燃料電池の湿潤状態制御装置は、燃料電池の湿潤状態を調整するときに、カソードガスの圧力及び流量のいずれか一方を優先して制御する優先制御部を有する。そして、前記優先制御部による制御では燃料電池の湿潤状態を調整しきれないときに、冷却水の温度を制御する水温制御部をさらに有する。そして、前記水温制御部の応答遅れを補完するように、カソードガスの圧力及び流量のいずれか他方を制御する補完制御部をさらに有する。 The wet state control device for a fuel cell of the present invention includes a priority control unit that preferentially controls either the pressure or the flow rate of the cathode gas when adjusting the wet state of the fuel cell. Further, the control by the priority control unit further includes a water temperature control unit that controls the temperature of the cooling water when the wet state of the fuel cell cannot be adjusted. And it has further a complement control part which controls either the pressure or flow volume of cathode gas so that the response delay of the said water temperature control part may be supplemented.
一般的に燃料電池の温度は、冷却水の制御によって達成する。冷却水の温度を調整することで湿潤度を制御すれば、流量や圧力を調整する場合に比べて燃費に優れるという効果がある。しかしながら、冷却水の温度を調整することは、流量や圧力を調整する場合に比べて応答に時間を要する。したがって、温度による湿潤制御を最も優先にすると、制御の応答性が遅い。その一方で温度による制御の優先順位を最も遅くすると、温度による制御によって湿潤制御の目標値に到達しない場合に、目標値への乖離を他のパラメータがフォローできなってしまう。そこで、上記のように優先順位を決めることで、たとえば、湿潤状態を下げるドライ操作時は、圧力→温度→流量の順に制御するようにした。このようにすることで、温度の応答性の低さを圧力が補い、湿潤度の目標値に対して温度制御でカバーできない分を流量が補うこととなる。したがって、圧力や温度でウェット状態が満足できる場合はコンプレッサーの流量のアップを抑制でき、上記の従来技術よりも燃費が向上するのである。 In general, the temperature of the fuel cell is achieved by controlling the cooling water. If the wetness is controlled by adjusting the temperature of the cooling water, there is an effect that the fuel consumption is excellent as compared with the case where the flow rate and pressure are adjusted. However, adjusting the temperature of the cooling water requires more time for response than adjusting the flow rate and pressure. Therefore, when the humidity control by temperature is given the highest priority, the control response is slow. On the other hand, if the priority order of control based on temperature is the slowest, other parameters can follow the deviation to the target value when the target value of wetness control is not reached due to control based on temperature. Therefore, by determining the priority order as described above, for example, during the dry operation for lowering the wet state, control is performed in the order of pressure → temperature → flow rate. By doing so, the pressure compensates the low responsiveness of the temperature, and the flow rate compensates the amount that cannot be covered by the temperature control with respect to the target value of the wetness. Therefore, when the wet state can be satisfied with the pressure and temperature, the increase in the flow rate of the compressor can be suppressed, and the fuel efficiency is improved as compared with the above-described conventional technology.
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。 Embodiments of the present invention and advantages of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用するシステムの一例を示す図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an example of a system to which a wet state control device for a fuel cell according to the present invention is applied.
最初に図１を参照して、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用する基本的なシステムについて説明する。 First, referring to FIG. 1, a basic system to which a wet state control device for a fuel cell according to the present invention is applied will be described.
燃料電池スタック１０は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。そこで燃料電池スタック１０には、カソードライン２０と、アノードライン３０と、冷却水循環ライン４０と、が接続される。なお燃料電池スタック１０の発電電流は、電流センサー１０１で検出される。燃料電池スタック１０の発電電圧は、電圧センサー１０２で検出される。
The
カソードライン２０には、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスＯ2が流れる。カソードライン２０には、コンプレッサー２１と、カソード調圧弁２２と、が設けられる。
A cathode gas O 2 supplied to the
コンプレッサー２１は、燃料電池スタック１０よりも上流のカソードライン２０に設けられる。コンプレッサー２１は、モーターＭによって駆動される。コンプレッサー２１は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量を調整する。カソードガスＯ2の流量は、コンプレッサー２１の回転速度によって調整される。
The
カソード調圧弁２２は、燃料電池スタック１０よりも下流のカソードライン２０に設けられる。カソード調圧弁２２は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力を調整する。カソードガスＯ2の圧力は、カソード調圧弁２２の開度によって調整される。
The cathode pressure regulating valve 22 is provided in the
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量は、カソード流量センサー２０１で検出される。このカソード流量センサー２０１は、コンプレッサー２１よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。
The flow rate of the cathode gas O 2 flowing through the
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力は、カソード圧力センサー２０２で検出される。このカソード圧力センサー２０２は、コンプレッサー２１よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。さらに図１では、カソード圧力センサー２０２は、カソード流量センサー２０１の下流に位置する。
The pressure of the cathode gas O 2 flowing through the
アノードライン３０には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスＨ2が流れる。アノードライン３０には、アノード再循環ライン３００が並設される。アノード再循環ライン３００は、燃料電池スタック１０よりも下流のアノードライン３０から分岐し、燃料電池スタック１０よりも上流のアノードライン３０に合流する。アノードライン３０には、ボンベ３１と、アノード調圧弁３２と、エゼクター３３と、アノードポンプ３４と、パージ弁３５と、が設けられる。
The anode gas H 2 supplied to the
ボンベ３１には、アノードガスＨ2が高圧状態で貯蔵されている。ボンベ３１は、アノードライン３０の最上流に設けられる。
The
アノード調圧弁３２は、ボンベ３１の下流に設けられる。アノード調圧弁３２は、ボンベ３１から新たにアノードライン３０に供給するアノードガスＨ2の圧力を調整する。アノードガスＨ2の圧力は、アノード調圧弁３２の開度によって調整される。
The anode
エゼクター３３は、アノード調圧弁３２よりも下流に設けられる。エゼクター３３は、アノード再循環ライン３００がアノードライン３０に合流する部分に位置する。このエゼクター３３で、アノード再循環ライン３００を流れたアノードガスＨ2が、ボンベ３１から新たに供給されたアノードガスＨ2に混合される。
The
アノードポンプ３４は、エゼクター３３の下流に位置する。アノードポンプ３４は、エゼクター３３を流れたアノードガスＨ2を燃料電池スタック１０に送る。
The
パージ弁３５は、燃料電池スタック１０の下流であって、さらにアノード再循環ライン３００の分岐部分の下流のアノードライン３０に設けられる。パージ弁３５が開くと、アノードガスＨ2がパージされる。
The purge valve 35 is provided in the
アノードライン３０を流れるアノードガスＨ2の圧力は、アノード圧力センサー３０１で検出される。このアノード圧力センサー３０１は、アノードポンプ３４よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。
The pressure of the anode gas H 2 flowing through the
冷却水循環ライン４０には、燃料電池スタック１０に供給される冷却水が流れる。冷却水循環ライン４０には、ラジエーター４１と、三方弁４２と、ウォーターポンプ４３と、が設けられる。また冷却水循環ライン４０には、バイパスライン４００が並設される。バイパスライン４００は、ラジエーター４１よりも上流から分岐し、ラジエーター４１よりも下流に合流する。このためバイパスライン４００を流れる冷却水は、ラジエーター４１をバイパスする。
The cooling water supplied to the
ラジエーター４１は、冷却水を冷却する。ラジエーター４１には、クーリングファン４１０が設けられている。
The radiator 41 cools the cooling water. The radiator 41 is provided with a cooling
三方弁４２は、バイパスライン４００の合流部分に位置する。三方弁４２は、開度に応じて、ラジエーター側のラインを流れる冷却水の流量と、バイパスラインを流れる冷却水の流量と、を調整する。これによって冷却水の温度が調整される。
The three-
ウォーターポンプ４３は、三方弁４２の下流に位置する。ウォーターポンプ４３は、三方弁４２を流れた冷却水を燃料電池スタック１０に送る。
The
冷却水循環ライン４０を流れる冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出される。この水温センサー４０１は、バイパスライン４００が分岐する部分よりも上流に設けられる。
The temperature of the cooling water flowing through the cooling
コントローラーは、電流センサー１０１、電圧センサー１０２、カソード流量センサー２０１、カソード圧力センサー２０２、アノード圧力センサー３０１、水温センサー４０１の信号を入力する。そしてコントローラーは、制御信号を出力して、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御する。
The controller inputs signals from the
このような構成によって、燃料電池スタック１０は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１を介してバッテリー１２や負荷１３に供給される。
With such a configuration, the
図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the reaction of the electrolyte membrane in the fuel cell stack.
次に、図２を参照して、発明者らの技術思想について説明する。 Next, the technical idea of the inventors will be described with reference to FIG.
上述のように、燃料電池スタック１０は、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。なお図２(Ａ)は１枚のＭＥＡを示している。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)対角側から排出される(アノードアウト)例が示されている。
As described above, the
各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。 In each membrane electrode assembly (MEA), the following reaction proceeds in accordance with the load in the cathode electrode catalyst layer and the anode electrode catalyst layer to generate power.
図２(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(１−１)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。 As shown in FIG. 2 (B), as the reaction gas (cathode gas O 2 ) flows through the cathode flow path, the reaction of the above equation (1-1) proceeds and water vapor is generated. Then, the relative humidity increases on the downstream side of the cathode channel. As a result, the relative humidity difference between the cathode side and the anode side increases. With this relative humidity difference as the driving force, water is back-diffused and the anode upstream side is humidified. This moisture further evaporates from the MEA to the anode channel, and humidifies the reaction gas (anode gas H 2 ) flowing through the anode channel. Then, it is transported downstream of the anode and humidifies the MEA downstream of the anode.
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。 In order to generate electric power efficiently by the above reaction, the electrolyte membrane needs to be in an appropriate wet state.
そこで、本件発明者らは、カソードガスＯ2の流量及び圧力並びに燃料電池スタック１の温度に着目した。 Therefore, the present inventors paid attention to the flow rate and pressure of the cathode gas O 2 and the temperature of the fuel cell stack 1.
すなわち、カソードガスＯ2の流量を増やせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の流量を減らせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。 That is, by increasing the flow rate of the cathode gas O 2, water to be discharged together with the cathode gas O 2 increases. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be reduced. On the other hand, Reducing the flow rate of the cathode gas O 2, water to be discharged together with the cathode gas O 2 is reduced. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be increased.
カソードガスＯ2の圧力が減るのは、カソード調圧弁２２の開度が大きくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を大きくしてカソードガスＯ2の圧力を下げれば、カソードガスＯ2が排出されやすくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の圧力が増えるのは、カソード調圧弁２２の開度が小さくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を小さくしてカソードガスＯ2の圧力を上げれば、カソードガスＯ2が排出されにくくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。 The cathode gas O 2 pressure decreases when the opening of the cathode pressure regulating valve 22 increases. Therefore, by lowering the pressure of the cathode gas O 2 to increase the opening of the cathode pressure regulating valve 22, the cathode gas O 2 is likely to be discharged. As a result, the moisture discharged together with the cathode gas O 2 also increases. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be reduced. On the other hand, the pressure of the cathode gas O 2 increases when the opening of the cathode pressure regulating valve 22 decreases. Thus, by raising the pressure of the cathode gas O 2 to reduce the opening of the cathode pressure regulating valve 22, the cathode gas O 2 is less likely to be discharged. As a result, the moisture discharged together with the cathode gas O 2 is also reduced. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be increased.
燃料電池スタック１の温度が高くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が増える。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、燃料電池スタック１の温度が低くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が減る。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。 As the temperature of the fuel cell stack 1 increases, the amount of water contained in the cathode gas O 2 increases. As a result, the moisture discharged together with the cathode gas O 2 also increases. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be reduced. On the other hand, when the temperature of the fuel cell stack 1 is lowered, the amount of water contained in the cathode gas O 2 is reduced. As a result, the moisture discharged together with the cathode gas O 2 is also reduced. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane can be increased.
発明者らは、このような知見を得た。さらにカソードガスＯ2の流量を増やすためにコンプレッサー２１の回転速度を上げると、消費電力が増大して燃費が悪化する。そこでできる限りコンプレッサー２１の回転速度を低く抑えることが望ましい。発明者らは、このような着想に基づいて本発明を完成するに至った。以下では具体的な内容を説明する。
The inventors have obtained such findings. Further, if the rotation speed of the
図３は、コントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。 FIG. 3 is a block diagram showing functions related to the wet state control of the controller.
なおブロック図に示される各ブロックは、コントローラーの各機能を仮想ユニットとして示すものであり、各ブロックは物理的な存在を意味しない。 Each block shown in the block diagram represents each function of the controller as a virtual unit, and each block does not mean physical existence.
湿潤状態制御装置は、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御して、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を制御する。具体的には、湿潤状態制御装置は、湿潤状態減少部１００と、湿潤状態増大部２００と、を含む。
The wet state control device controls the operation of the
湿潤状態減少部１００は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態が減少するときに、実行される制御部である。湿潤状態減少部１００は、目標圧力演算ブロックＢ１０１と、目標温度演算ブロックＢ１０２と、目標流量演算ブロックＢ１０３と、を含む。
The wet
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを演算する。 Target pressure calculation block B101 is a target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest stack temperature T min, the minimum cathode flow rate Q min, on the basis, calculates the target pressure P target.
なお目標排水量ＱH2O_out[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(2)によって求まる。ここでＮＬは、Normal Liter、すなわち標準状態でのリットルを示す。 The target drainage amount Q H2O — out [NL / min] is obtained by the following equation (2). Here, NL indicates a normal liter, that is, a liter in a normal state.
なお燃料電池内部での生成水量ＱH2O_in[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(3)によって求まる。 The amount of generated water Q H2O — in [NL / min] inside the fuel cell is obtained by the following equation (3).
目標水収支Ｑnet_water[ＮＬ／ｍｉｎ]は、燃料電池の運転状態（負荷状態）に応じて決められた電解質膜の目標湿潤状態を実現するように設定される。 The target water balance Q net — water [NL / min] is set so as to realize the target wet state of the electrolyte membrane determined according to the operation state (load state) of the fuel cell.
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、このようにして求められた目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(4-1)(4-2)によって、目標圧力Ｐtargetを求める。 Target pressure calculation block B101 is thus the target wastewater Q H2 O _ out determined by the, and the minimum stack temperature T min, the minimum cathode flow rate Q min, on the basis, determine the target pressure P target. Specifically, the target pressure P target is obtained by the following equations (4-1) and (4-2).
ここで最低スタック温度Ｔminとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、燃料電池スタック１の温度を低くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いスタック温度である。同様に、最低カソード流量Ｑminとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのカソード流量である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、カソード流量を減らす。なおカソード流量は、低すぎると供給量不足による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると音振性能が悪化するおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード流量とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード流量である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。 Here, the minimum stack temperature T min is the stack temperature when the wet state of the fuel cell stack is maximized. As described above, in order to increase the wet state of the electrolyte membrane, the temperature of the fuel cell stack 1 is lowered. Note that if the temperature of the fuel cell stack 1 is too low, power generation failure due to condensed water may occur. On the other hand, when it is too high, the deterioration of the fuel cell stack 1 is accelerated. Therefore, the stack temperature when the wet state of the fuel cell stack is maximized is the lowest stack temperature within a range in which the performance of the fuel cell stack can be ensured by comprehensively considering these. Similarly, the minimum cathode flow rate Q min is a cathode flow rate when the wet state of the fuel cell stack is maximized. As described above, the cathode flow rate is decreased to increase the wet state of the electrolyte membrane. If the cathode flow rate is too low, power generation failure may occur due to insufficient supply amount. On the other hand, if it is too high, the sound vibration performance may be deteriorated. Therefore, the cathode flow rate when the wet state of the fuel cell stack is minimized is the lowest cathode flow rate within a range in which the performance of the fuel cell stack can be ensured by comprehensively considering these. These are set in advance according to the operating state of the fuel cell through experiments.
またＰsat_minは、最低スタック温度Ｔminに対する飽和水蒸気圧であり、アントワンの式に基づいて上式(4-2)が求められる。 P sat — min is a saturated water vapor pressure with respect to the minimum stack temperature T min , and the above equation (4-2) is obtained based on the Antoine equation.
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを求める。なお目標圧力演算ブロックＢ１０１は特許請求の範囲の優先制御部に対応する。 As described above, the target pressure calculation block B101 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest stack temperature T min, the minimum cathode flow rate Q min, on the basis of the target pressure P target. The target pressure calculation block B101 corresponds to the priority control unit in the claims.
目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(5-1)(5-2)によって求める。なお式(5-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
Target temperature calculation block B102 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, and the pressure P sens detected by the
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。なお本実施形態では、圧力Ｐsensは、カソード圧力センサー２０２で検出されたが、予め実験によって燃料電池スタックの圧力損失を求めておいて、それに基づいて推定してもよい。
P sat — target is a target saturated water vapor pressure. In the present embodiment, the pressure P sens is detected by the
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。なお目標温度演算ブロックＢ１０２は特許請求の範囲の水温制御部に対応する。 As described above, the target temperature calculation block B102 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, and the actual pressure P sens, and minimum cathode flow rate Q min, on the basis of the target temperature T target. The target temperature calculation block B102 corresponds to the water temperature control unit in the claims.
目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(6-1)(6-2)によって求める。
The target flow rate calculation block B103 calculates the target cathode flow rate Q target based on the target drainage amount Q H2O — out , the pressure P sens detected by the
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensにおける飽和水蒸気圧である。
P sat — sens is a saturated water vapor pressure at the water temperature T sens detected by the
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。なお目標流量演算ブロックＢ１０３は特許請求の範囲の補完制御部に対応する。 As described above, the target flow rate calculation block B103 is a target wastewater Q H2 O _ out, and the actual pressure P sens, and the actual water temperature T sens, on the basis, determine a target cathode flow Q target. The target flow rate calculation block B103 corresponds to the complementary control unit in the claims.
湿潤状態増大部２００は、目標排水量ＱH2O_outが減る、すなわち湿潤状態が増大するときに、実行される制御部である。湿潤状態増大部２００は、目標流量演算ブロックＢ２０３と、目標温度演算ブロックＢ２０２と、目標圧力演算ブロックＢ２０１と、を含む。
The wet
目標流量演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(7-1)(7-2)によって求める。 Target flow rate calculation block B203 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, and the maximum stack temperature T max, and the minimum cathode pressure P min, based on the target cathode flow Q target. Specifically, it is obtained by the following equations (7-1) and (7-2).
ここで最高スタック温度Ｔmaxとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、燃料電池スタック１の温度を高くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も高いスタック温度である。同様に、最低カソード圧力Ｐminとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、カソード圧力を減らす。なおカソード圧力は、低すぎると圧力不足による性能悪化が生じるおそれがある。その一方で、高すぎるとコンプレッサーで実現できないおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード圧力である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。 Here, the maximum stack temperature T max is a stack temperature when the wet state of the fuel cell stack is minimized. As described above, in order to lower the wet state of the electrolyte membrane, the temperature of the fuel cell stack 1 is increased. Note that if the temperature of the fuel cell stack 1 is too low, power generation failure due to condensed water may occur. On the other hand, when it is too high, the deterioration of the fuel cell stack 1 is accelerated. Therefore, the stack temperature when the wet state of the fuel cell stack is minimized is the highest stack temperature within a range in which the performance of the fuel cell stack can be ensured by comprehensively considering these. Similarly, the minimum cathode pressure P min is a cathode pressure when the wet state of the fuel cell stack is minimized. As described above, the cathode pressure is decreased to lower the wet state of the electrolyte membrane. If the cathode pressure is too low, performance may deteriorate due to insufficient pressure. On the other hand, if it is too high, it may not be realized with a compressor. Therefore, the cathode pressure when the wet state of the fuel cell stack is minimized is the lowest cathode pressure within a range in which the performance of the fuel cell stack can be ensured by comprehensively considering these. These are set in advance according to the operating state of the fuel cell through experiments.
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。なお目標流量演算ブロックＢ２０３は特許請求の範囲の優先制御部に対応する。 As described above, the target flow rate calculation block B203 is a target wastewater Q H2 O _ out, and the maximum stack temperature T max, and the minimum cathode pressure P min, on the basis, determine a target cathode flow Q target. The target flow rate calculation block B203 corresponds to the priority control unit in the claims.
目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(8-1)(8-2)によって求める。なお式(8-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
Target temperature calculation block B202 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest cathode pressure P min, and detected flow rate Q sens cathode
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。 P sat — target is a target saturated water vapor pressure.
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。なお目標温度演算ブロックＢ２０２は特許請求の範囲の水温制御部に対応する。
As described above, the target temperature calculation block B202 is a target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest cathode pressure P min, and a flow rate Q sens detected by the cathode
目標圧力演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(9-1)(9-2)によって、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。
Target pressure calculation block B201 is a target wastewater Q H2 O _ out, and the flow rate Q sens detected by the cathode
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensに対する飽和水蒸気圧であり、式(9-2)は、アントワンの式に基づいて求められる。
P sat — sens is a saturated water vapor pressure with respect to the water temperature T sens detected by the
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。なお目標圧力演算ブロックＢ２０１は特許請求の範囲の補完制御部に対応する。 As described above, the target pressure calculation block B201 obtains the target wastewater Q H2 O _ out, the actual flow rate Q sens, and the actual water temperature T sens, based on the target cathode pressure P target. The target pressure calculation block B201 corresponds to the complementary control unit in the claims.
図４は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。 FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the wetting control device when the target wetting state decreases.
以上の制御ロジックが実行されると、目標湿潤状態が下がるときは、湿潤制御装置は以下のように作動する。 When the above control logic is executed, when the target wet state decreases, the wetness control device operates as follows.
時刻ｔ１１で、目標湿潤状態が下がると、湿潤制御装置の湿潤状態減少部１００が作動を開始する。
When the target wet state decreases at time t11, the wet
目標圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、設定される。目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。 The target pressure P target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the minimum stack temperature T min, and the minimum cathode flow rate Q min . The target temperature T target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the actual pressure P sens, and the minimum cathode flow rate Q min . The target cathode flow rate Q target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the actual pressure P sens, and the actual water temperature T sens .
目標圧力Ｐtargetは、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標圧力Ｐtargetが下がる。そして、この目標圧力Ｐtargetが実現されるように、カソード調圧弁２２が制御される。するとカソード圧力がほとんど応答遅れなく低下する。 Since the target pressure P target is set based on the stack temperature (minimum stack temperature T min ) and the cathode flow rate (minimum cathode flow rate Q min ) when the wet state is maximized , it is most likely to fluctuate. Therefore, first, the target pressure P target is preferentially lowered. Then, the cathode pressure regulating valve 22 is controlled so that this target pressure P target is realized. Then, the cathode pressure decreases almost without a response delay.
目標圧力Ｐtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ１２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード流量Ｑmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード圧力のセンサー検出値Ｐsensがフィードバックされる。このためカソード圧力だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード流量が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード流量で補完される。
If the adjustment cannot be made by changing the target pressure P target alone, the target temperature T target starts to fluctuate at time t12. That is, a limit value (minimum cathode flow rate Q min ) is used for setting the target temperature T target . The sensor detection value P sens of the cathode pressure adjusted as described above is fed back. For this reason, the amount that cannot be adjusted only by the cathode pressure is adjusted by changing the temperature of the cooling water. Note that the temperature of the cooling water hardly changes even if the target value changes, and a response delay is likely to occur. The temperature of the cooling water is detected by the
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ１３で、目標カソード流量Ｑtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード流量が決められるので、目標圧力Ｐtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード流量で補完されることとなる。
If the target temperature T target cannot be adjusted even by changing the target temperature T target , the target cathode flow rate Q target starts to fluctuate at time t13. That is, the pressure P sens detected by the
図５は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。 FIG. 5 is a timing chart showing the operation of the wetting control device when the target wetting state increases.
時刻ｔ２１で、目標湿潤状態が上がると、湿潤制御装置の湿潤状態増大部２００が作動を開始する。
When the target wet state increases at time t21, the wet
目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、実流量Ｑsensと、に基づいて設定される。目標カソード圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。 The target cathode flow rate Q target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the maximum stack temperature T max, and the minimum cathode pressure P min . Target temperature T target is the target wastewater Q H2 O _ out, and the lowest cathode pressure P min, and the actual flow rate Q sens, is set based on. The target cathode pressure P target is set based on the target drainage amount Q H2O — out , the actual flow rate Q sens, and the actual water temperature T sens .
目標流量Ｑtargetは、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標流量Ｑtargetが下がる。そして、この目標流量Ｑtargetが実現されるように、コンプレッサー２１が制御される。するとカソード流量がほとんど応答遅れなく低下する。
Since the target flow rate Q target is set based on the stack temperature (maximum stack temperature T max ) and the cathode pressure (minimum cathode pressure P min ) when the wet state is minimized, it is most likely to fluctuate. Therefore, first, the target flow rate Q target is preferentially lowered. Then, the
目標流量Ｑtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ２２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード圧力Ｐmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード流量のセンサー検出値Ｑsensがフィードバックされる。このためカソード流量だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード圧力が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード圧力で補完される。
If the adjustment cannot be made by changing the target flow rate Q target alone, the target temperature T target starts to fluctuate at time t22. That is, a limit value (minimum cathode pressure P min ) is used for setting the target temperature T target . The sensor detection value Q sens of the cathode flow rate adjusted as described above is fed back. For this reason, the amount that the cathode flow rate alone cannot be adjusted is adjusted by changing the temperature of the cooling water. Note that the temperature of the cooling water hardly changes even if the target value changes, and a response delay is likely to occur. The temperature of the cooling water is detected by the
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ２３で、目標カソード圧力Ｐtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード圧力が決められるので、目標流量Ｑtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード圧力で補完されることとなる。
Even if the target temperature T target is changed and cannot be adjusted, the target cathode pressure P target starts to fluctuate at time t23. That is, the flow rate Q sens detected by the cathode
本実施形態によれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を下げるときには、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなる。コンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化するが、本実施形態では、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
According to this embodiment, when the target wet state of the fuel cell is changed and the wet state is lowered, the target pressure is first lowered and the cathode pressure regulating valve 22 is opened. Next, the target cooling water temperature is raised and the three-
また本実施形態によれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサー２１の回転速度を下げる。次に目標冷却水温を下げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標圧力を上げてカソード調圧弁２２を閉じる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなる。上述のようにコンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化する。換言すれば、コンプレッサーの回転速度が低下するほど、消費電力が抑えられて燃費が向上する。本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下するので、燃費が向上するのである。
Further, according to the present embodiment, when the target wet state of the fuel cell is changed and the wet state is increased, the target flow rate is first decreased to decrease the rotational speed of the
さらに本実施形態では、目標圧力演算ブロックＢ１０１と目標圧力演算ブロックＢ２０１との制御ロジックは同じである。また目標温度演算ブロックＢ１０２と目標温度演算ブロックＢ２０２との制御ロジックも同じである。さらに目標流量演算ブロックＢ１０３と目標流量演算ブロックＢ２０３との制御ロジックも同じである。そしてこれらの制御ブロックに入力される信号をのみ変えることで、燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させたり、燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させたりしている。このように同一の制御ロジックでありながら、入力値を変えるだけで、圧力・温度・流量の制御順位を変えて、燃料電池の湿潤状態を制御できるのである。 Furthermore, in this embodiment, the control logic of the target pressure calculation block B101 and the target pressure calculation block B201 is the same. The control logic of the target temperature calculation block B102 and the target temperature calculation block B202 is also the same. Further, the control logic of the target flow rate calculation block B103 and the target flow rate calculation block B203 is the same. By changing only the signals input to these control blocks, the wet state of the fuel cell is lowered and dried, or the wet state of the fuel cell is increased and wetted. Although the control logic is the same as described above, the wet state of the fuel cell can be controlled by changing the control order of pressure, temperature, and flow rate only by changing the input value.
（第２実施形態）
図６は、本発明による湿潤状態制御装置の第２実施形態におけるコントローラの制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a block diagram illustrating functions related to the control of the controller in the second embodiment of the wet state control apparatus according to the present invention.
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。 In the following description, parts having the same functions as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as appropriate.
運転モードによっては、三方弁４２を制御しない。また何らかのトラブルによって三方弁４２を制御できない可能性がある。このようなときには、目標圧力演算ブロックＢ１０１は、最低スタック温度Ｔminに代えて、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensを用いて目標圧力Ｐtargetを演算する。また目標流量演算ブロックＢ２０３は、最高スタック温度Ｔmaxに代えて、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensを用いて目標圧力Ｐtargetを演算する。
The three-
本実施形態のようにすることで、三方弁４２を制御しない運転モードや、何らかのトラブルによって三方弁４２を制御できない場合にも対応することができる。また本実施形態でも、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を下げるときには、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようになるので、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなり、消費電力が抑えられて燃費が向上する。また、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサー２１の回転速度を下げる。次に目標圧力を上げてカソード調圧弁２２を閉じる。このようになるので、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなり、消費電力が抑えられて燃費が向上するのである。
By adopting the present embodiment, it is possible to cope with an operation mode in which the three-
（第３実施形態）
図７は、本発明による湿潤状態制御装置の第３実施形態におけるコントローラの制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing functions related to the control of the controller in the third embodiment of the wet state control device according to the present invention.
運転モードによっては、カソード調圧弁２２を制御しない。また何らかのトラブルによってカソード調圧弁２２を制御できない可能性がある。このようなときには、目標流量演算ブロックＢ２０３は、最低カソード圧力Ｐminに代えて、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensを用いて目標カソード流量Ｑtargetを求める。また目標温度演算ブロックＢ２０２は、最低カソード圧力Ｐminに代えて、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensを用いて目標温度Ｔtargetを求める。
Depending on the operation mode, the cathode pressure regulating valve 22 is not controlled. Further, the cathode pressure regulating valve 22 may not be controlled due to some trouble. In such a case, the target flow rate calculation block B203, in place of the minimum cathode pressure P min, to obtain a target cathode flow rate Q target using the detected pressure P sens
本実施形態のようにすることで、カソード調圧弁２２を制御しない運転モードや、何らかのトラブルによってカソード調圧弁２２を制御できない場合にも対応することができる。また本実施形態でも、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を下げるときには、まず目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。次に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようになるので、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなり、燃費が向上する。また、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサー２１の回転速度を下げる。次に目標冷却水温を下げて三方弁４２を制御する。このようになるので、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなり、燃費が向上するのである。
By adopting the present embodiment, it is possible to cope with an operation mode in which the cathode pressure regulating valve 22 is not controlled or a case where the cathode pressure regulating valve 22 cannot be controlled due to some trouble. Also in this embodiment, when the target wet state of the fuel cell is changed and the wet state is lowered, first, the target cooling water temperature is raised and the three-
（第４実施形態）
図８は、本発明による湿潤状態制御装置の第４実施形態におけるコントローラの制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a block diagram illustrating functions related to the control of the controller in the fourth embodiment of the wet state control device according to the present invention.
運転モードによっては、コンプレッサー２１を制御しない。また何らかのトラブルによってコンプレッサー２１を制御できない可能性がある。このようなときには、目標圧力演算ブロックＢ１０１は、最低カソード流量Ｑminに代えて、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensを用いて目標カソード圧力Ｐtargetを求める。また目標温度演算ブロックＢ１０２は、最低カソード流量Ｑminに代えて、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensを用いて、目標温度Ｔtargetを求める。
The
本実施形態のようにすることで、コンプレッサー２１を制御しない運転モードや、何らかのトラブルによってコンプレッサー２１を制御できない場合にも対応することができる。
By adopting the present embodiment, it is possible to cope with an operation mode in which the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
たとえば、燃料電池の湿潤状態とは、燃料電池の水収支（たとえば「水収支=生成される水−排出される水」で定義される）であってもよいし、燃料電池の電解質膜の抵抗であってもよいし、その他の燃料電池の湿潤状態を表すものであってもよい。 For example, the wet state of the fuel cell may be the water balance of the fuel cell (for example, defined as “water balance = generated water−discharged water”) or the resistance of the electrolyte membrane of the fuel cell. It may represent a wet state of another fuel cell.
また冷却水の温度に代えて、燃料電池自体の温度や、空気の温度を用いてもよい。 Further, instead of the temperature of the cooling water, the temperature of the fuel cell itself or the temperature of air may be used.
さらに上記各実施形態では、目標圧力演算ブロックＢ１０１では、目標圧力Ｐtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ１０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標流量演算ブロックＢ２０３では、目標流量Ｑtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ２０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。このように限界値(最大値、最小値)を用いれば、最も効果が大きい。しかしながら、最大値よりも小さめ、最小値よりも大きめのものを使用してもよい。このようにしても相応の効果は得られる。
In still above embodiments, the target pressure calculation block B101, when setting the target pressure P target, the stack temperature when the maximum wet state (minimum stack temperature T min) and a cathode flow (minimum cathode flow rate Q min ) Is used. The target temperature
さらにまた、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。 Furthermore, the above embodiments can be appropriately combined.
１０ 燃料電池スタック
２０ カソードライン
２１ コンプレッサー
２２ カソード調圧弁
２０１ カソード流量センサー
２０２ カソード圧力センサー
３０ アノードライン
４０ 冷却水循環ライン
４００ バイパスライン
４１ ラジエーター
４２ 三方弁
４３ ウォーターポンプ
４０１ 水温センサー
１００ 湿潤状態減少部
Ｂ１０１ 目標圧力演算ブロック（優先制御部）
Ｂ１０２ 目標温度演算ブロック（水温制御部）
Ｂ１０３ 目標流量演算ブロック（補完制御部）
２００ 湿潤状態増大部
Ｂ２０１ 目標圧力演算ブロック（補完制御部）
Ｂ２０２ 目標温度演算ブロック（水温制御部）
Ｂ２０３ 目標流量演算ブロック（優先制御部）
DESCRIPTION OF
B102 Target temperature calculation block (water temperature control unit)
B103 Target flow rate calculation block (complementary control unit)
200 Wet state increasing part B201 Target pressure calculation block (complementary control part)
B202 Target temperature calculation block (water temperature control unit)
B203 Target flow rate calculation block (priority control unit)
Claims (11)
前記優先制御部による制御では燃料電池の湿潤状態を調整しきれないときに、冷却水の温度を制御する水温制御部と、
前記水温制御部の応答遅れを補完するように、カソードガスの圧力及び流量のいずれか他方を制御する補完制御部と、
を有する燃料電池の湿潤状態制御装置。 A priority control unit that preferentially controls either the pressure or the flow rate of the cathode gas when adjusting the wet state of the fuel cell;
A water temperature control unit for controlling the temperature of the cooling water when the wet state of the fuel cell cannot be adjusted by the control by the priority control unit;
A complementary control unit that controls either the pressure or the flow rate of the cathode gas so as to complement the response delay of the water temperature control unit;
A wet state control device for a fuel cell.
燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させる場合には、
前記優先制御部は、カソードガスの圧力を優先して下げ、
前記水温制御部は、前記優先制御部による制御では燃料電池の湿潤状態を調整しきれないときに、冷却水の温度を上げ、
前記補完制御部は、前記水温制御部の応答遅れを補完するように、カソードガスの流量を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 The wet state control device for a fuel cell according to claim 1,
When lowering the wet state of the fuel cell and drying it,
The priority control unit preferentially lowers the pressure of the cathode gas,
The water temperature control unit raises the temperature of the cooling water when the wet state of the fuel cell cannot be adjusted by the control by the priority control unit,
The complement control unit controls the flow rate of the cathode gas so as to complement the response delay of the water temperature control unit.
Fuel cell wet state control device.
燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させる場合には、
前記優先制御部は、燃料電池が現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を下げ、
前記水温制御部は、カソードガスの実圧力及び前記現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量に基づいて冷却水の温度を上げ、
前記補完制御部は、カソードガスの圧力及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの流量を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 In the fuel cell wet state control device according to claim 1 or 2,
When lowering the wet state of the fuel cell and drying it,
The priority control unit lowers the pressure of the cathode gas based on the flow rate of the cathode gas supplied when the fuel cell is in a higher wet state than the current state and the temperature of the cooling water,
The water temperature control unit raises the temperature of the cooling water based on the actual pressure of the cathode gas and the flow rate of the cathode gas supplied when the wet state is higher than the current state,
The complementary control unit controls the flow rate of the cathode gas based on the pressure of the cathode gas and the actual temperature of the cooling water.
Fuel cell wet state control device.
現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い流量であり、
現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 In the fuel cell wet state control device according to claim 3,
The flow rate of the cathode gas to be supplied when the wet state is higher than the present is the lowest flow rate within the range where the performance of the fuel cell can be secured,
The temperature of the cooling water supplied when the wet state is higher than the present is the lowest temperature within the range in which the performance of the fuel cell can be secured.
Fuel cell wet state control device.
前記水温制御部が作動しない場合であって燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させるときには、前記優先制御部は、前記現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に代えて、冷却水の実温度を用いる、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 In the fuel cell wet state control device according to claim 3 or 4,
When the water temperature control unit does not operate and when the wet state of the fuel cell is lowered and dried, the priority control unit replaces the temperature of the cooling water supplied when the wet state is higher than the current state, Use actual cooling water temperature,
Fuel cell wet state control device.
前記補完制御部が作動しない場合であって燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させるときには、前記優先制御部及び前記水温制御部は、前記現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量に代えて、カソードガスの実流量を用いる、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 In the fuel cell wet state control device according to any one of claims 3 to 5,
When the complementary control unit does not operate and the wet state of the fuel cell is lowered and dried, the priority control unit and the water temperature control unit supply the cathode gas to be supplied when the wet state is higher than the current state. Instead of the flow rate, use the actual flow rate of the cathode gas.
Fuel cell wet state control device.
燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させる場合には、
前記優先制御部は、カソードガスの流量を優先して下げ、
前記水温制御部は、前記優先制御部による制御では燃料電池の湿潤状態を調整しきれないときに、冷却水の温度を下げ、
前記補完制御部は、前記水温制御部の応答遅れを補完するように、カソードガスの圧力を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 The wet state control device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
When increasing the wet state of the fuel cell,
The priority control unit preferentially decreases the flow rate of the cathode gas,
The water temperature control unit lowers the temperature of the cooling water when the wet state of the fuel cell cannot be adjusted by the control by the priority control unit,
The complement control unit controls the pressure of the cathode gas so as to complement the response delay of the water temperature control unit.
Fuel cell wet state control device.
燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させる場合には、
前記優先制御部は、燃料電池が現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガス圧力及び冷却水の温度に基づいてカソードガスの流量を下げ、
前記水温制御部は、カソードガスの実流量及び燃料電池が現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力に基づいて冷却水の温度を下げ、
前記補完制御部は、カソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 The wet state control device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
When increasing the wet state of the fuel cell,
The priority control unit lowers the flow rate of the cathode gas based on the cathode gas pressure and the temperature of the cooling water supplied when the fuel cell is in a lower wet state than the present,
The water temperature control unit lowers the temperature of the cooling water based on the actual flow rate of the cathode gas and the pressure of the cathode gas supplied when the fuel cell is in a lower wet state than the present,
The complementary control unit controls the pressure of the cathode gas based on the flow rate of the cathode gas and the actual temperature of the cooling water.
Fuel cell wet state control device.
現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い圧力であり、
現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も高い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 The wet state control device for a fuel cell according to claim 8,
The pressure of the cathode gas to be supplied when the wet state is lower than the present is the lowest pressure within a range in which the performance of the fuel cell can be secured,
The temperature of the cooling water supplied when the wet state is lower than the present is the highest temperature within a range in which the performance of the fuel cell can be secured.
Fuel cell wet state control device.
前記水温制御部が作動しない場合であって燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させるときには、前記優先制御部は、前記現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に代えて、冷却水の実温度を用いる、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 The wet state control device for a fuel cell according to claim 8 or 9,
When the water temperature control unit does not operate and when the wet state of the fuel cell is increased and wetted, the priority control unit replaces the temperature of the cooling water supplied when the wet state is lower than the current state, Use actual cooling water temperature,
Fuel cell wet state control device.
前記補完制御部が作動しない場合であって燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させるときには、前記優先制御部及び前記水温制御部は、前記現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力に代えて、カソードガスの実圧力を用いる、
燃料電池の湿潤状態制御装置。 The wet state control device for a fuel cell according to any one of claims 8 to 10,
When the complementary control unit does not operate and when the wet state of the fuel cell is increased and wetted, the priority control unit and the water temperature control unit provide the cathode gas to be supplied when the wet state is lower than the current level. Instead of the pressure, the actual pressure of the cathode gas is used.
Fuel cell wet state control device.
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