JP6657898B2 - Fuel cell system and fuel cell system control method - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池から負荷への電力供給が停止されたシステム状態において燃料電池のガス供給装置の作動状態を制御する燃料電池システム及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system that controls an operation state of a gas supply device of a fuel cell in a system state in which power supply from a fuel cell to a load is stopped, and a control method thereof.
特許文献１には、アイドリング時において、燃料電池の目標電流が水収支零電流値未満である場合に、燃料電池の運転モードを、燃料電池に水素ガス及び空気の供給を間欠的に行う間欠運転モードに移行させる燃料電池システムが開示されている。
上述の間欠運転モードでは、燃料電池システムから負荷への電力供給が停止された状態となるため、水素ガス及び空気を燃料電池に供給するガス供給装置の作動状態が間欠的に停止状態に切り替えられる。このような出力停止状態では、空気による水蒸気の排出量が少なくなるため、ガス供給装置が作動するたびに燃料電池が発電すると共に生成水が発生して燃料電池の含水量が増加する。 In the above-described intermittent operation mode, since the power supply from the fuel cell system to the load is stopped, the operation state of the gas supply device that supplies hydrogen gas and air to the fuel cell is intermittently switched to the stop state. . In such an output stop state, the amount of water vapor emitted by air is reduced, so that every time the gas supply device operates, the fuel cell generates power and generates water, thereby increasing the water content of the fuel cell.
そのため、出力停止状態から復帰した直後に例えば加速要求が発生すると、燃料電池の発電量が増加して燃料電池の含水量が多くなり過ぎ、フラッディングを引き起こす可能性がある。このような状況では、燃料電池の湿潤状態を操作して元に戻すまでには時間を要することになる。 Therefore, if, for example, an acceleration request occurs immediately after returning from the output stop state, the power generation amount of the fuel cell increases, the water content of the fuel cell becomes too large, and flooding may occur. In such a situation, it takes time for the wet state of the fuel cell to be manipulated and restored.
本発明は、このような問題点に着目してなされた。本発明の目的は、電力供給を停止した状態から燃料電池の状態を復帰させるまでに要する操作を低減する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a problem. An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a control method of the fuel cell system, which reduce operations required to return the state of the fuel cell from a state in which power supply is stopped.
本発明は以下のような解決手段によって上述の課題を解決する。 The present invention solves the above-mentioned problems by the following means.
本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給装置と、前記燃料電池から電力を取り出す電力制御器と、前記燃料電池に交流電流を供給し、前記燃料電池に生じる電圧の交流成分に基づいて、前記燃料電池のインピーダンスを計測する計測回路とを備える。この燃料電池システムの制御方法は、前記燃料電池システムに対して接続される負荷に基づいて、前記燃料電池の発電状態を制御する発電制御ステップと、前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給が停止されたシステム状態になったときに、前記ガス供給装置の作動状態を制御する出力停止制御ステップと、前記計測回路により計測されるインピーダンスに基づいて、前記システム状態から復帰させる切替ステップとを含む。 According to one embodiment of the present invention, a fuel cell system includes a gas supply device that supplies a fuel gas and an oxidizing gas to a fuel cell, a power controller that extracts power from the fuel cell, and an alternating current that is supplied to the fuel cell. And a measurement circuit for measuring the impedance of the fuel cell based on an AC component of the voltage supplied to the fuel cell and generated in the fuel cell. The control method of the fuel cell system includes a power generation control step of controlling a power generation state of the fuel cell based on a load connected to the fuel cell system, and a power supply from the fuel cell system to the load. An output stop control step of controlling an operation state of the gas supply device when the system state is stopped, and a switching step of returning from the system state based on impedance measured by the measurement circuit. .
本発明のある態様によれば、燃料電池システムから負荷への電力供給が停止されたシステム状態において燃料電池の含水量が多くなり過ぎたり、少なくなり過ぎたりする前に復帰させることができる。そのため、燃料電池の状態を復帰させるまでに要する操作を低減することができる。 According to an aspect of the present invention, in a system state in which the power supply from the fuel cell system to the load is stopped, the fuel cell can be restored before the water content becomes too large or too small. Therefore, it is possible to reduce operations required until the state of the fuel cell is restored.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成の一例を示す構成図である。
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a configuration of a
図１には、車両に備えられた燃料電池システム１００に加えて、車両キー１０１とインバータ１１０と駆動モータ１２０とアクセルペダルセンサ２０１とが示されている。
FIG. 1 shows a
車両キー１０１は、車両の運転者により停止状態（ＯＦＦ）から運転状態（ＯＮ）に操作される起動スイッチである。車両キー１０１がＯＮ状態に切り替えられると、燃料電池システム１００が起動され、車両キー１０１がＯＦＦ状態に切り替えられると、燃料電池システム１００が停止される。
The
アクセルペダルセンサ２０１は、運転者によりアクセルペダルが踏み込まれたときのアクセルペダルの踏込み量を検出する。アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、駆動モータ１２０から燃料電池システム１００に対して要求される要求電力は大きくなる。
The
燃料電池システム１００は、燃料電池の発電に必要となる燃料を含むアノードガス、及び酸化剤を含むカソードガスをそれぞれ燃料電池スタック１に供給し、電気負荷に応じて燃料電池を発電させる電源システムを構成する。
The
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、バッテリ５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、逆流防止ダイオード７と、インピーダンス測定装置８と、電圧センサ９とを含む。さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の作動状態を制御するコントローラ２００を含む。
The
燃料電池スタック１は、複数の燃料電池が積層された積層電池である。燃料電池スタック１は、例えば数百Ｖ（ボルト）の直流の電圧を生じる。燃料電池スタック１は、インバータ１１０を介して駆動モータ１２０に接続される電源であり、駆動モータ１２０に電力を供給する。燃料電池スタック１は、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ６を介してバッテリ５に電力を供給する。
The
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを大気に排出するガス供給装置である。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、コンプレッサ２２と、流量センサ２３と、圧力センサ２４と、カソードガス排出通路２５と、カソード調圧弁２６とを含む。
The cathode gas supply /
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路２１の一端は開口しており、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
The cathode
コンプレッサ２２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するためのアクチュエータである。コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１の開口端から酸素を含有する空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給する。コンプレッサ２２の回転速度はコントローラ２００によって制御される。コンプレッサ２２の回転速度を変化させることにより、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量は増加又は減少する。
The compressor 22 is an actuator for supplying a cathode gas to the
流量センサ２３は、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。流量センサ２３は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。以下では、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量のことを単に「カソードガス流量」という。流量センサ２３は、カソードガス流量を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
The
圧力センサ２４は、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。圧力センサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。以下では、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力のことを単に「カソードガス圧力」という。圧力センサ２４は、カソードガス圧力を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
The
カソードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１から排出されたカソードオフガスを大気に排出するための通路である。カソードガス排出通路２５の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口している。
The cathode
カソード調圧弁２６は、燃料電池スタック１内のカソードガス圧力を調整する。カソード調圧弁２６は、コンプレッサ２２と同様にカソードガス流量を制御する。カソード調圧弁２６は、カソードガス排出通路２５に設けられる。カソード調圧弁２６としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。カソード調圧弁２６はコントローラ２００によって開閉制御される。この開閉制御によってカソードガス圧力が所望の圧力に調節される。
The cathode
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスをカソードガス排出通路２５に排出するガス供給装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５とを含む。
The anode gas supply /
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給される燃料である水素を高圧状態に保って貯蔵する。
The high-
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１に貯蔵された燃料をアノードガスとして燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端は、高圧タンク３１に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
The anode
アノード調圧弁３３は、燃料電池スタック１内の圧力を調整する。アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３の開度を変化させることにより、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力が上昇又は降下する。アノード調圧弁３３としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ２００によって開閉制御される。
The anode
アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスをカソードガス排出通路２５に排出するための通路である。アノードガス排出通路３４の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端はカソード調圧弁２６よりも下流のカソードガス排出通路２５に合流する。これにより、アノードオフガスは、カソードガス排出通路２５を流れるカソードオフガスによって希釈される。
The anode
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、アノードオフガスに含まれる不純物を外部に排出する。不純物とは、燃料電池のカソード極から電解質膜を介してアノード極に透過してきた空気中の窒素ガスや、発電に伴う生成水などのことである。パージ弁３５の開度は、コンプレッサ２２の回転速度と共に、コントローラ２００によって希釈後におけるカソードオフガス中の水素濃度が規定値以下となるように制御される。
The
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却する装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、入口水温センサ４４と、出口水温センサ４５とを含む。
The stack cooling device 4 is a device that cools the
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１に冷却水を循環させる通路である。冷却水循環通路４１の一端は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。
The cooling
冷却水ポンプ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。冷却水ポンプ４２は、ラジエータ４３を介して燃料電池スタック１に冷却水を供給する。冷却水ポンプ４２の回転速度はコントローラ２００によって制御される。
The cooling
ラジエータ４３は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４３は、燃料電池スタック１により温められた冷却水をファンによって冷却する。
The
入口水温センサ４４及び出口水温センサ４５は、冷却水の温度を検出する。入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７によって検出された冷却水の温度は、例えば、燃料電池スタック１の温度として用いられる。
The inlet
入口水温センサ４４は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。入口水温センサ４４は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に流入する冷却水の温度を検出する。以下では、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に流入する冷却水の温度のことを「スタック入口水温」という。入口水温センサ４６は、スタック入口水温を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
The inlet
出口水温センサ４５は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。出口水温センサ４５は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。以下では、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度のことを「スタック出口水温」という。出口水温センサ４７は、スタック出口水温を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
The outlet
バッテリ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して燃料電池スタック１の補機又は駆動モータ１２０に電力を供給可能な電源である。燃料電池スタック１の補機としては、例えば、コンプレッサ２２や、冷却水ポンプ４２などが挙げられる。バッテリ５は、例えば、リチウムイオンバッテリにより実現される。
The battery 5 is a power supply that can supply electric power to the accessory or the
ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、バッテリ５の電力を用いて燃料電池スタック１とインバータ１１０との間の電圧を制御することにより、燃料電池スタック１から電力を取り出す電力制御器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、２つの電源端子を有し、一方の電源端子にバッテリ５が接続され、他方の電源端子に燃料電池スタック１及びインバータ１１０が接続される。
The DC / DC converter 6 is a power controller that extracts power from the
インバータ１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６により燃料電池スタック１又はバッテリ５から供給される直流電力を交流電力に変換して駆動モータ１２０に供給する。
The
駆動モータ１２０は、車両を駆動する動力源であり、インバータ１１０からの交流電力を受けて駆動する電動機である。すなわち、インバータ１１０及び駆動モータ１２０は、燃料電池システム１００に対して接続される負荷である。
逆流防止ダイオード７は、駆動モータ１２０からの回生電流やバッテリ５からの放電電流が燃料電池スタック１に流れるのを防止するためのダイオードである。逆流防止ダイオード７は、燃料電池スタック１とＤＣ／ＤＣコンバータ６との間に接続される。逆流防止ダイオード７は、燃料電池スタック１から駆動モータ１２０やバッテリ５に向かって電流を流し、燃料電池スタック１に向かって流れる電流を遮断する。
The
インピーダンス測定装置８は、燃料電池スタック１の湿潤状態を検出するために、燃料電池スタック１が有するインピーダンスを計測する計測回路である。例えば、インピーダンス測定装置８は、燃料電池スタック１の正極端子１Ａに交流電流を供給し、燃料電池スタック１の正極端子１Ａと負極端子１Ｂとの間に生じる電圧の交流成分を検出する。インピーダンス測定装置８は、検出した電圧の交流成分と交流電流の指令値又は検出値とに基づいて、燃料電池スタック１のインピーダンスを算出する。このように計測された燃料電池スタック１のインピーダンスを以下では「スタック交流抵抗」という。
The
スタック交流抵抗は、燃料電池の電解質膜の湿潤状態と相関のある値であり、電解質膜の水分が増えるほどスタック交流抵抗は小さくなり、電解質膜の水分が少なくなるほどスタック交流抵抗は大きくなる。 The stack AC resistance is a value correlated with the wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell. The stack AC resistance decreases as the water content of the electrolyte membrane increases, and the stack AC resistance increases as the moisture content of the electrolyte membrane decreases.
スタック交流抵抗の測定に用いられる交流電流の周波数は、燃料電池スタック１において主に電解質膜の電気抵抗成分に応答しやすい周波数に設定される。例えば、交流電流の周波数は１ｋＨｚ（キロヘルツ）よりも大きな値に設定される。このような周波数の交流電流を用いて測定されたスタック交流抵抗は、ＨＦＲ（High Frequency Resistance；高周波数抵抗）と称される。なお、燃料電池スタック１に供給する交流電流の周波数は、電解質膜の湿潤状態を推定可能な値であればよく、１ｋＨｚよりも低い値であってもよい。
The frequency of the alternating current used for the measurement of the stack AC resistance is set to a frequency that easily responds mainly to the electric resistance component of the electrolyte membrane in the
本実施形態のインピーダンス測定装置８の構成例については次図で後述する。インピーダンス測定装置８は、算出したスタック交流抵抗をコントローラ２００に出力する。
A configuration example of the
電圧センサ９は、燃料電池スタック１の正極端子１Ａと負極端子１Ｂとの間に接続される。電圧センサ９は、燃料電池スタック１における正極端子１Ａと負極端子１Ｂとの間の電圧を検出する。燃料電池スタック１の電圧のことを以下では「スタック電圧」という。電圧センサ９は、スタック電圧を検出した信号をコントローラ２００に出力する。
The
コントローラ２００は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成される。
The
コントローラ２００は、インピーダンス測定装置８、電圧センサ９、流量センサ２３、圧力センサ２４、入口水温センサ４４、出口水温センサ４５、車両キー１０１、及びアクセルペダルセンサ２０１の各出力信号を受信する。コントローラ２００は、受信した信号に応じて燃料電池システム１００の作動状態を制御する。
The
コントローラ２００は、アクセルペダルセンサ２０１から出力されるアクセルペダルの踏込み量に基づいて、駆動モータ１２０の要求電力を算出する。コントローラ２００は、算出した要求電力に基づいて、駆動モータ１２０により燃料電池スタック１から取り出される電流の目標値であるスタック目標電流を演算する。
The
コントローラ２００は、演算したスタック目標電流に基づいて、燃料電池スタック１に供給されるべきカソードガス目標流量及び目標圧力と、燃料電池スタック１に供給されるべきアノードガス目標圧力とを算出する。コントローラ２００は、カソードガス目標流量及び目標圧力に基づいてコンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６の各動作を制御すると共に、アノードガス目標圧力に基づいてアノード調圧弁３３及びパージ弁３５の各開度を制御する。
The
このように、コントローラ２００は、スタック目標電流に基づいて燃料電池スタック１の発電状態を制御する。このような燃料電池システム１００の制御状態を以下では「通常制御」という。
Thus, the
一方、燃料電池システム１００の運転状態が、いわゆるアイドルストップ状態に遷移したときには、通常制御とは異なる制御を実行することが好ましい。ここにいう燃料電池システム１００のアイドルストップ状態としては、例えば、車両キー１０１がＯＮ状態で車両が停止しているアイドル状態や、車両の減速中に駆動モータ１２０が回転駆動されて発電している回生状態、車両の走行中に燃料電池システム１００から駆動モータ１２０への電力供給を停止しているコースティング状態などが挙げられる。
On the other hand, when the operating state of the
すなわち、燃料電池システム１００のアイドルストップ状態とは、車両キー１０１がＯＮに設定されている状態であって、燃料電池システム１００から負荷である駆動モータ１２０への電力供給が停止されているシステム状態のことをいう。なお、このような状態では、燃料電池スタック１から燃料電池システム１００の補機及びバッテリ５に電力を供給してもよく、補機及びバッテリ５への電力供給を停止してもよい。
That is, the idle stop state of the
アイドルストップ状態では、燃料電池システム１００の消費電力を低減しつつ駆動モータ１２０を次に駆動する際に必要となる要求電力を早期に駆動モータ１２０に供給できるよう、燃料電池スタック１の状態を維持することが重要となる。
In the idle stop state, the state of the
そのため、コントローラ２００は、燃料電池システム１００がアイドルストップ状態になったときには、カソードガス給排装置２の作動状態を停止状態に切り替えると共に、スタック電圧が下がり過ぎないように必要に応じて燃料電池スタック１を発電させる。このような燃料電池システム１００の制御状態を以下では「アイドルストップ（ＩＳ）制御」という。
Therefore, when the
図２は、本実施形態におけるインピーダンス測定装置８の構成の一例を示す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of a configuration of the
インピーダンス測定装置８は、燃料電池スタック１の正極端子（カソード極側端子）１Ａ及び負極端子（アノード極側端子）１Ｂの他に、中途端子１Ｃに接続されている。なお、中途端子１Ｃに接続された部分はアースされている。
The
インピーダンス測定装置８は、中途端子１Ｃに対する正極端子１Ａの正極側交流電位差Ｖ１を測定する正極側電圧測定センサ８１と、中途端子１Ｃに対する負極端子１Ｂの負極側交流電位差Ｖ２を測定する負極側電圧測定センサ８２と、を含む。
The
さらに、インピーダンス測定装置８は、正極端子１Ａと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ１を印加する正極側交流電源部８３と、負極端子１Ｂと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ２を印加する負極側交流電源部８４とを含む。そして、インピーダンス測定装置８は、これら交流電流Ｉ１及び交流電流Ｉ２の振幅や位相を調整するコントローラ８５と、正極側交流電位差Ｖ１、Ｖ２及び交流電流Ｉ１、Ｉ２に基づいて、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを演算するインピーダンス演算部８６とを含む。
Furthermore, the
コントローラ８５は、正極側交流電位差Ｖ１と負極側交流電位差Ｖ２が等しくなるように、交流電流Ｉ１と交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。
The
インピーダンス演算部８６は、図示しないＡＤ変換器やマイコンチップ等のハードウェア、及びインピーダンスを算出するプログラム等のソフトウェア構成を含む。インピーダンス演算部８６は、正極側交流電位差Ｖ１を交流電流Ｉ１で除して、中途端子１Ｃから正極端子１Ａまでの内部インピーダンスＺ１を算出し、負極側交流電位差Ｖ２を交流電流Ｉ２で除して、中途端子１Ｃから負極端子１Ｂまでの内部インピーダンスＺ２を算出する。さらに、インピーダンス演算部８６は、内部インピーダンスＺ１と内部インピーダンスＺ２の和をとることで、燃料電池スタック１の全インピーダンスＺを算出する。そして、インピーダンス演算部８６は、算出した全インピーダンスＺをスタック交流抵抗としてコントローラ２００に送信する。
The
本実施形態によれば、インピーダンス測定装置８は、燃料電池スタック１に接続されて、該燃料電池スタック１に交流電流Ｉ１，Ｉ２を出力する交流電源部８３，８４と、燃料電池スタック１の正極側１Ａの電位から中途部分１Ｃの電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差Ｖ１と、燃料電池スタック１の負極側１Ｂの電位から中途部分１Ｃの電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差Ｖ２と、に基づいて交流電流Ｉ１，Ｉ２を調整する交流調整部としてのコントローラ８５と、調整された交流電流Ｉ１，Ｉ２並びに正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２に基づいて燃料電池スタック１のインピーダンスＺを演算するインピーダンス演算部８６と、を有する。
According to the present embodiment, the
コントローラ８５は、燃料電池スタック１の正極側の正極側交流電位差Ｖ１が負極側の負極側交流電位差Ｖ２と実質的に一致するように、正極側交流電源部８３により印加される交流電流Ｉ１及び負極側交流電源部８４により印加される交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。これにより、正極側交流電位差Ｖ１の振幅と負極側交流電位差Ｖ２の振幅とが等しくなるので、正極端子１Ａと負極端子１Ｂが実質的に等電位となる（以下ではこれを等電位制御と記載する）。したがって、インピーダンス計測のための交流電流Ｉ１、Ｉ２が駆動モータ１２０に流れることが防止されるので、燃料電池スタック１による発電に影響を与えることが防止される。
The
また、燃料電池スタック１が発電状態であっても、発電により生じた電圧に計測用交流電位が重畳されることになるので、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の値自体は変動するが、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の位相や振幅自体が変わるわけではないので、燃料電池スタック１が発電状態ではない場合と同様に高精度なインピーダンス計測を実行することができる。
In addition, even when the
さらに、インピーダンスＺの測定のための回路構成等も種々の変更が可能である。例えば、燃料電池スタック１に所定の電流源から交流電流を供給するようにして、出力される交流電圧を測定し、当該交流電流と出力交流電圧に基づきインピーダンスを計算するようにしても良い。
Further, the circuit configuration for measuring the impedance Z and the like can be variously changed. For example, an alternating current may be supplied to the
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を制御して燃料電池スタック１に交流電流Ｉ１を供給することも可能であるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と燃料電池スタック１との間には逆流防止ダイオード７が配置されている。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から燃料電池スタック１に供給される交流電流の一部は逆流防止ダイオード７により遮断されることから、スタック交流抵抗の計測精度が低下してしまう。
Although it is possible to supply the AC current I1 to the
これに対して、本実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６とは別に、逆流防止ダイオード７と燃料電池スタック１との間にインピーダンス測定装置８が燃料電池システム１００に配置されている。このため、コントローラ２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を用いてスタック交流抵抗を計測する構成に比べて、インピーダンス測定装置８からより正確なスタック交流抵抗を取得することが可能になる。したがって、本実施形態では、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の湿潤状態を正確に把握することが可能になる。
On the other hand, according to the present embodiment, apart from the DC / DC converter 6, the
図３は、本実施形態におけるコントローラ２００の機能構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of the
コントローラ２００は、通常制御部２１０と、ＩＳ制御部２２０と、停止制御部２３０と、制御切替部２４０と、ガス供給指令部２５０とを含む。
The
通常制御部２１０は、駆動モータ１２０の要求電力に基づいて、燃料電池スタック１の発電状態を制御する。例えば、通常制御部２１０は、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な発電状態を維持しつつ、必要に応じて電解質膜の湿潤状態を発電に適した状態に操作する。
The
本実施形態では、通常制御部２１０は、スタック目標電流に基づいて、カソードガス目標流量、カソードガス目標圧力、及びアノードガス目標圧力を演算する。
In the present embodiment, the
具体的には、通常制御部２１０は、スタック目標電流を取得すると、そのスタック目標電流に基づいてアノードガス目標圧力を算出する。これと共に、通常制御部２１０は、算出したアノードガス目標圧力とスタック目標電流とに基づいて、燃料電池スタック１の内部圧力が原因で部品が損傷しないようにカソードガス目標圧力を算出する。通常制御部２１０は、算出したカソードガス目標圧力とスタック目標電流とに基づいて、カソードガス目標流量を演算する。例えば、スタック目標電流とカソードガス目標流量との関係を示す流量テーブルがカソードガス目標圧力ごとに通常制御部２１０に記憶される。そして通常制御部２１０は、カソードガス目標圧力を算出すると、そのカソードガス目標圧力により特定される流量テーブルを参照し、取得したスタック目標電流に関係付けられたカソードガス目標流量を算出する。
Specifically, upon acquiring the stack target current, the
また、通常制御部２１０は、インピーダンス測定装置８からスタック交流抵抗を取得し、そのスタック交流抵抗に基づいて、電解質膜の湿潤状態を維持するためのカソードガス流量、カソードガス圧力、及びアノードガス圧力の各湿潤要求値を算出する。例えば、通常制御部２１０は、カソードガス目標流量、カソードガス目標圧力、及びアノードガス目標圧力の各パラメータの目標値がそれぞれに対応する湿潤要求値よりも小さいか否かを判断する。そして通常制御部２１０は、目標値が湿潤要求値よりも小さい場合には、そのパラメータに湿潤要求値を設定し、目標値が湿潤要求値よりも大きい場合には、目標値を変更することなくパラメータを出力する。
In addition, the
このように、通常制御部２１０は、スタック目標電流に基づいて算出される目標値が、スタック交流抵抗に基づいて算出される湿潤要求値よりも小さい場合には、その湿潤要求値を目標値として設定する。これにより、燃料電池スタック１に必要な発電量を確保しつつ、燃料電池スタック１の湿潤状態を操作することができる。
In this way, when the target value calculated based on the stack target current is smaller than the wet demand value calculated based on the stack AC resistance, the
ＩＳ制御部２２０は、燃料電池システム１００のアイドルストップ制御を実行する。具体的には、ＩＳ制御部２２０は、燃料電池システム１００の運転状態がアイドルストップ状態に遷移した場合には、カソードガス給排装置２及びアノードガス給排装置３の各作動状態を制御する。
The
本実施形態では、ＩＳ制御部２２０は、燃料電池システム１００からの水素の排出を抑制するためにパージ弁３５を閉じると共に、燃料電池スタック１の発電に必要となる圧力値を確保するためにアノード調圧弁３３の開度を制御する。さらにＩＳ制御部２２０は、燃料電池システム１００の消費電力を低減するために、電圧センサ９により検出されたスタック電圧に応じて、カソードガス給排装置２におけるコンプレッサ２２の回転速度を減速又は停止する。
In the present embodiment, the
例えば、ＩＳ制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電性能を確保するために定められた下限値に対して、スタック電圧が低下した場合には、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６のうち一方を制御して燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。すなわち、ＩＳ制御部２２０は、カソードガス給排装置２の作動状態を停止状態から供給状態に切り替える。これにより、燃料電池スタック１が発電するのでスタック圧力が上昇する。その後、ＩＳ制御部２２０は、電量電池の高電位劣化を回避するために定められた上限値に対して、スタック電圧が高くなった場合には、カソードガスの供給を停止する。これにより、スタック電圧は徐々に低下する。
For example, the
このようにアイドルストップ状態では、スタック電圧を確保するために間欠的に燃料電池スタック１を発電させる。このため、燃料電池スタック１を発電させるたびに水が生成されるので、燃料電池スタック１内の水量が徐々に増加する場合がある。このような場合には、アイドルストップ状態の継続時間が長くなるほど、燃料電池スタック１内の水量は増加する。その結果、燃料電池システム１００がアイドルストップ状態から復帰したときには、電解質膜が湿り過ぎて電解質膜の湿潤状態を目標とする状態に操作するのに要する時間が長くなってしまう。あるいは、アイドルストップ状態から復帰した直後に車両の加速要求により燃料電池スタック１の発電量が増大してフラッディングを引き起こすことが懸念される。
As described above, in the idle stop state, the
本実施形態では、この対策としてコントローラ２００に制御切替部２４０が備えられている。
In the present embodiment, the
制御切替部２４０は、インピーダンス測定装置８からスタック交流抵抗を取得し、そのスタック交流抵抗に基づいて、燃料電池システム１００の制御状態を、ＩＳ制御部２２０によるＩＳ制御から燃料電池スタック１の状態を復帰させる他の制御に切り替える。
The
本実施形態では、制御切替部２４０は、ＩＳ制御を実行できる状態か否かを判定するためのＩＳ判定情報を取得する。ＩＳ判定情報としては、車両キー１０１の操作状態や、アクセルペダルセンサ２０１からの踏込み量などが用いられる。
In the present embodiment, the
制御切替部２４０は、車両キー１０１がＯＮ状態であり、かつ、アクセルペダルの踏込み量がゼロになった場合に、燃料電池システム１００の制御状態を通常制御部２１０による通常制御からＩＳ制御部２２０によるＩＳ制御に切り替える。具体的には、制御切替部２４０は、ガス供給指令部２５０に入力する各パラメータの目標値を、通常制御部２１０によって算出される各パラメータの目標値から、ＩＳ制御部２２０によって算出される各パラメータの目標値に切り替える。
The
このように、制御切替部２４０は、燃料電池システム１００の運転状態がアイドルストップ状態に遷移した場合に、燃料電池システム１００の制御状態をＩＳ制御に切り替える。なお、ＩＳ判定情報としては、車両キー１０１の操作状態や、アクセルペダルの踏込み量に限られず、ブレーキペダルの踏込み量や、スタック目標電流、車両の速度などを用いてアイドルストップ状態の判定を行ってもよい。例えば、制御切替部２４０は、車両キー１０１がＯＮ状態であり、かつ、燃料電池システム１００から取り出される電流の検出値がゼロになった場合に、アイドルストップ状態に遷移したと判断するものであってもよい。
As described above, the
制御切替部２４０は、燃料電池システム１００がアイドルストップ状態に遷移した後、ＩＳ判定情報に基づいてアイドルストップ状態から復帰したか否かを判定する。例えば、アクセルペダルの踏込み量がゼロよりも大きくなった場合や、ブレーキペダルの踏込み量がゼロになった場合には、制御切替部２４０は、燃料電池システム１００の制御状態をＩＳ制御から通常制御に切り替える。
After the
また、制御切替部２４０は、燃料電池システム１００がアイドルストップ状態に遷移した場合には、予め定められたＩＳ湿潤下限値に対して、インピーダンス測定装置８からのスタック交流抵抗が小さいか否かを監視する。ＩＳ湿潤下限値は、燃料電池スタック１の電解質膜が湿り過ぎないように燃料電池システム１００をＩＳ制御から復帰させるために定められた復帰判定閾値である。
Further, when the
スタック交流抵抗がＩＳ許容下限値よりも小さくなった場合には、制御切替部２４０は、燃料電池システム１００の制御状態をＩＳ制御から通常制御に切り替えるために、通常制御部２１０からの各パラメータの目標値をガス供給指令部２５０に出力する。すなわち、制御切替部２４０は、スタック交流抵抗が所定の閾値を超えた場合には、燃料電池スタック１の状態をアイドルストップ状態から復帰させる。
When the stack AC resistance becomes smaller than the IS allowable lower limit value, the
また、アイドルストップ状態において、燃料電池スタック１に間欠的に供給されるカソードガスの流量や、燃料電池スタック１の温度などによっては、燃料電池スタック１が発電するたびに電解質膜の水分が減少することもある。このような場合には、燃料電池スタック１の発電性能が低下してしまう。この対策として、制御切替部２４０は、予め定められたＩＳ許容上限値に対して、スタック交流抵抗が大きいか否かを確認する。ＩＳ湿潤上限値は、燃料電池スタック１の電解質膜が乾き過ぎないように燃料電池システム１００をＩＳ制御から復帰させるために定められた復帰判定閾値である。
Further, in the idle stop state, depending on the flow rate of the cathode gas intermittently supplied to the
スタック交流抵抗がＩＳ湿潤上限値よりも大きくなった場合にも、制御切替部２４０は、ＩＳ制御から通常制御に切り替えるために、通常制御部２１０からの各パラメータの目標値をガス供給指令部２５０に出力する。
Even when the stack AC resistance becomes larger than the IS wet upper limit value, the
また、制御切替部２４０は、車両キー１０１の操作状態がＯＮからＯＦＦに切り替えられた場合には、燃料電池システム１００を停止させる停止制御が実行されるように、停止制御部２３０から出力される各パラメータの目標値をガス供給指令部２５０に出力する。
Further, when the operation state of the
停止制御部２３０は、車両キー１０１がＯＦＦ状態に切り替えられると、スタック交流抵抗に基づいて、燃料電池スタック１の湿潤状態をシステム停止時の目標状態に操作する。さらに、停止制御部２３０は、燃料電池スタック１に滞留した不純物を排出して新たなアノードガスに置き換えるために、パージ弁３５を開けると共にアノード調圧弁３３の開度を制御して燃料電池スタック１にアノードガスを供給する。その後、停止制御部２３０は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所定の値まで減圧し、燃料電池スタック１の電圧を所定の値まで低下させた後に、燃料電池スタック１の接続を駆動モータ１２０などの負荷から遮断する。
When the
ガス供給指令部２５０は、制御切替部２４０から出力されるカソードガス目標流量及びカソードガス目標圧力に基づいて、コンプレッサ２２のトルク指令値及びカソード調圧弁２６の開度指令値を演算する。そしてガス供給指令部２５０は、演算したトルク指令値及び開度指令値をカソードガス給排装置２に送信する。
The gas
一方、ガス供給指令部２５０は、制御切替部２４０から出力されるアノードガス目標圧力に基づいて、アノード調圧弁３３の開度指令値を演算し、演算した開度指令値をアノードガス給排装置３に送信する。
On the other hand, the gas
このように、本実施形態の制御切替部２４０は、燃料電池システム１００の運転状態がアイドルストップ状態に遷移した後にスタック交流抵抗を監視し、スタック交流抵抗が所定のＩＳ湿潤範囲を超えた場合にアイドルストップ状態から復帰させる。なお、スタック交流抵抗がＩＳ湿潤範囲内にあっても、例えば、アクセルペダルが踏み込まれた場合には、燃料電池システム１００から駆動モータ１２０へ電力が供給されるので、燃料電池システム１００の制御状態はＩＳ制御から通常制御に切り替えられる。
As described above, the
図４は、本実施形態における制御切替部２４０によりＩＳ制御から通常制御に切り替えられたときの燃料電池スタック１の発電状態を示すタイムチャートである。
FIG. 4 is a time chart illustrating a power generation state of the
図４（ａ）は、燃料電池スタック１の湿潤状態と相関のあるスタック交流抵抗の変化を示す図である。図４（ｂ）は、燃料電池スタック１の電圧であるスタック電圧の変化を示す図である。図４（ｃ）は、燃料電池スタック１から出力される電流であるスタック電流の変化を示す図である。図４（ｄ）は、カソードガス給排装置２から燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を示す図である。図４（ａ）から図４（ｄ）までの各図面の横軸は、互いに共通する時間軸である。
FIG. 4A is a diagram showing a change in the stack AC resistance which is correlated with the wet state of the
時刻ｔ０からｔ１までの期間において、車両が走行中であるため、燃料電池システム１００に対して通常制御が実行される。この期間では燃料電池スタック１の負荷が低くなり、その後に燃料電池スタック１の負荷が高くなっている。
During the period from time t0 to time t1, the vehicle is running, so that normal control is performed on
通常運転においては、図４（ｄ）に示すように、燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガス流量が減少し、その後にカソードガス流量が増加している。これにより、図４（ａ）から図４（ｃ）までの各図面に示すように、スタック電流が減少するほど、燃料電池スタック１の特性からスタック電圧が低下すると共に、発電に伴う生成水が減少するためスタック交流抵抗が大きくなる。同様に、カソードガス流量が増加するほど、スタック電流が増加すると共に、スタック電圧が低下してスタック交流抵抗が小さくなる。また、スタック交流抵抗は目標抵抗ＲTを中心に増減するように操作される。
In the normal operation, as shown in FIG. 4D, the flow rate of the cathode gas required for power generation of the
時刻ｔ１において、燃料電池システム１００の運転状態がアイドルストップ状態に遷移する。例えば、アクセルペダルセンサ２０１によって検出されたアクセルペダルの踏込み量がゼロになった時に、制御切替部２４０により通常制御からＩＳ制御に切り替えられる。このため、燃料電池システム１００の動作がＩＳ制御部２２０によって制御される。
At time t1, the operating state of the
ＩＳ制御において、図４（ｂ）に示すように、スタック電圧が上限値ＶHよりも低く、かつ、下限値ＶLよりも大きいため、コンプレッサ２２の作動状態が停止状態に切り替えられる。このため、図４（ｄ）に示すように、カソードガス流量がゼロになり、これに伴って図４（ｃ）に示すように、スタック電流がゼロになる。 In the IS control, as shown in FIG. 4B, since the stack voltage is lower than the upper limit value VH and higher than the lower limit value VL , the operation state of the compressor 22 is switched to the stop state. Therefore, as shown in FIG. 4D, the cathode gas flow rate becomes zero, and accordingly, the stack current becomes zero as shown in FIG. 4C.
本実施形態では、図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１以降に、スタック交流抵抗がＩＳ湿潤範囲（ＲL−ＲH）内に収まっているか否かが監視される。ＩＳ湿潤範囲は、ＩＳ制御から復帰するか否かを判定するための復帰判定閾値ＲL及びＲHによって特定される。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4A, it is monitored whether or not the stack AC resistance falls within the IS wet range ( RL- RH ) after time t1. The IS wet range is specified by return determination thresholds RL and RH for determining whether to return from IS control.
そして、図４（ｄ）に示すように、カソードガスの供給は停止されているため、図４（ｂ）に示すように、スタック電圧は時刻ｔ１から時間が経過するにつれて徐々に低下する。これに対し、図４（ａ）に示すように、スタック交流抵抗は一定に維持される。これは、カソードガスの供給が停止しているため燃料電池スタック１から水蒸気が排出されず、また、燃料電池スタック１で発電が行われないため水が発生していないからである。
Since the supply of the cathode gas is stopped as shown in FIG. 4D, the stack voltage gradually decreases as time elapses from time t1 as shown in FIG. 4B. On the other hand, as shown in FIG. 4A, the stack AC resistance is kept constant. This is because water vapor is not discharged from the
時刻ｔ２において、図４（ｂ）に示すように、スタック電圧が下限値ＶLまで低下するため、図４（ｄ）に示すように、ＩＳ制御部２２０によりコンプレッサ２２又はカソード調圧弁２６が作動して燃料電池スタック１にカソードガスが供給される。
At time t2, as shown in FIG. 4B, the stack voltage decreases to the lower limit value VL . Therefore, as shown in FIG. 4D, the
これにより、燃料電池スタック１が発電するため、図４（ｂ）に示すようにスタック電圧が上昇すると共に、燃料電池スタック１の発電に伴い水が生成されて電解質膜の水分が増加するため、図４（ａ）に示すようにスタック交流抵抗が小さくなる。なお、燃料電池スタック１の発電電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介してコンプレッサ２２やバッテリ５に充電される。
As a result, the
そして、図４（ｂ）に示すように、スタック圧力が上限値ＶHまで上昇すると、ＩＳ制御部２２０により再びカソードガスの供給が停止される。その後、図４（ｃ）に示すように、スタック電圧が徐々に低下する。
Then, as shown in FIG. 4 (b), the stack pressure increases to the upper limit value V H, supply again the cathode gas by the
時刻ｔ３において、スタック電圧が下限値ＶLまで低下すると、燃料電池スタック１にカソードガスが供給される。これにより、燃料電池スタック１が発電するため、図４（ｂ）に示すように、スタック電圧が上昇し、スタック電圧が上限値ＶHまで達すると、カソードガスの供給が停止される。さらに、燃料電池スタック１の発電により水が生成されて電解質膜の水分が増加するため、図４（ａ）に示すようにスタック交流抵抗がさらに低下する。
At time t3, when the stack voltage decreases to the lower limit value VL , the cathode gas is supplied to the
時刻ｔ４において、スタック交流抵抗がＩＳ湿潤下限値ＲLに到達したため、これに伴って制御切替部２４０によりＩＳ制御から通常制御に切り替えられる。
At time t4, the stack AC resistance has reached the IS wet lower limit value RL , and accordingly, the
通常制御において、図４（ａ）に示すようにスタック交流抵抗が目標抵抗ＲTに対して大幅に小さいため、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が湿潤要求値となるようにコンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６の作動状態が制御される。すなわち、コントローラ２００は、コンプレッサ２２の作動状態を停止状態から供給状態に切り替える。
In the normal control, as shown in FIG. 4A, since the stack AC resistance is significantly smaller than the target resistance RT , the compressor is controlled so that the flow rate of the cathode gas supplied to the
そのため、図４（ｄ）に示すようにカソードガス流量が大幅に増加され、これに伴いカソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量が増加し、図４（ａ）に示すように、電解質膜の水分が減少してスタック交流抵抗が大きくなる。
Therefore, as shown in FIG. 4D, the flow rate of the cathode gas is greatly increased, and accordingly, the discharge amount of water vapor taken out of the
この例では、図４（ｃ）に示すようにスタック電流が上昇しているので、燃料電池スタック１で生成される水量は増加するが、生成水の増量分よりもカソードガスの増量による水蒸気の排出量が上回っているため、スタック交流抵抗が大きくなっている。
In this example, since the stack current is increasing as shown in FIG. 4C, the amount of water generated in the
図４（ａ）及び図４（ｄ）に示すように、スタック交流抵抗が目標抵抗ＲTに到達して燃料電池スタック１の湿潤状態が復帰する。そして、通常どおり、スタック交流抵抗が目標抵抗ＲTに収束するようにカソードガス流量が調整される。このように、燃料電池スタック１のＩＳ制御から通常制御への切替え後に、燃料電池スタック１の湿潤状態を復帰させる復帰制御が実行される。
As shown in FIGS. 4A and 4D, the stack AC resistance reaches the target resistance RT , and the wet state of the
以上のように、燃料電池システム１００は、ＩＳ制御中においてスタック交流抵抗を計測し、計測したスタック交流抵抗がＩＳ湿潤範囲を超えた場合に、アイドルストップ状態であっても、燃料電池システム１００の制御をＩＳ制御から強制的に復帰させる。
As described above, the
これにより、ＩＳ制御中に電解質膜が湿り過ぎてＩＳ制御からの復帰後に燃料電池スタック１の湿潤状態を目標状態に操作するのに要する時間が長くなるという事態を回避することができる。同様に、ＩＳ制御中にフラッディングを引き起こしたり、ＩＳ制御から復帰した直後の加速要求によってフラッディングを引き起こしたりすることを回避することができる。
Thus, it is possible to avoid a situation in which the electrolyte membrane becomes too wet during the IS control and the time required for operating the
なお、図４ではＩＳ制御において燃料電池スタック１を間欠的に発電させるたびに電解質膜の水分が増加する例について説明したが、燃料電池スタック１を間欠的に発電させるたびに電解質膜の水分が減少することも考えられる。
FIG. 4 illustrates an example in which the water content of the electrolyte membrane increases each time the
例えば、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、カソードガスの供給時に排出される水蒸気の排出量が増加するため、燃料電池スタック１の温度状態によってはＩＳ制御中に電解質膜が乾燥する場合がある。また、ＩＳ制御において、パージ弁３６を閉じずにコンプレッサ２２を減速して排出ガス中の水素濃度が規定値以下に維持されるようにカソードガスを供給し続けてもよく、その場合にはカソードガスによって電解質膜が乾燥することも想定される。
For example, as the temperature of the
このような場合であっても、燃料電池システム１００は、ＩＳ制御中においてスタック交流抵抗を計測しているので、スタック交流抵抗がＩＳ湿潤上限値ＲHよりも大きくなった場合に、燃料電池システム１００の制御状態をＩＳ制御から復帰させることができる。これにより、ＩＳ制御中に燃料電池スタック１の電解質膜が乾き過ぎて燃料電池スタック１の発電性能が低下するのを回避することができる。同様に、ＩＳ制御からの復帰後に燃料電池スタック１の湿潤状態を目標状態に操作するための操作時間が長くなるのを抑制することができる。
Even in such a case, since the
図５は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法についての処理手順例を示すフローチャートである。この制御方法は、所定の周期、例えば数ｍｓ（ミリセカンド）で繰り返し行われる。
FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure for a control method of the
ステップＳ１においてコントローラ２００は、乗員により車両キー１０１がＯＮに操作されたか否かを判断する。そして、車両キー１０１がＯＦＦからＯＮに操作されるまでステップＳ１の処理を繰り返す。コントローラ２００は、車両キー１０１がＯＮ状態になった場合には、燃料電池システム１００を起動する。
In step S1, the
ステップＳ２においてコントローラ２００は、インピーダンス測定装置８から燃料電池スタック１に交流電流を供給する。本実施形態では、コントローラ２００が、インピーダンス測定装置８を起動し、図２に示した正極側交流電源部８３及び負極側交流電源部８４から、それぞれ燃料電池スタック１の正極端子１Ａ及び負極端子１Ｂに交流電流Ｉ１及びＩ２を供給する。
In step S2, the
ステップＳ３においてインピーダンス測定装置８は、燃料電池スタック１に生じる電圧の交流成分である交流電圧を検出する。そしてインピーダンス測定装置８は、検出した交流電圧と、燃料電池スタック１に供給した交流電流とに基づいて、スタック交流抵抗を演算する。すなわち、インピーダンス測定装置８は、燃料電池スタック１に生じる電圧の交流成分に基づいて、燃料電池スタック１の交流抵抗であるスタック交流抵抗を計測する。
In step S3, the
本実施形態では、インピーダンス演算部８６が、正極側電圧測定センサ８１によって検出された正極側交流電位差Ｖ１を交流電流Ｉ１で除算して内部インピーダンスＺ１を算出し、負極側電圧測定センサ８２によって検出された負極側交流電位差Ｖ２を交流電流Ｉ２で除算して内部インピーダンスＺ２を算出する。インピーダンス演算部８６は、算出した内部インピーダンスＺ１及び内部インピーダンスＺ２の和をとることで、全インピーダンスＺをスタック交流抵抗として算出する。
In the present embodiment, the
ステップＳ４において通常制御部２１０は、スタック目標電流に基づいて燃料電池システム１００の発電状態を制御する。スタック目標電流は、燃料電池システム１００に接続された負荷である駆動モータ１２０の要求電力に基づいて算出される。
In step S4, the
本実施形態では、通常制御部２１０は、スタック目標電流に基づいて、コンプレッサ２２、カソード調圧弁２６、アノード調圧弁３３及びパージ弁３５の各動作を制御する。すなわち、通常制御部２１０は、燃料電池システム１００の負荷に基づいて通常制御を実行する。なお、ステップＳ４は、発電制御ステップに対応する。
In the present embodiment, the
ステップＳ５において制御切替部２４０は、ＩＳ判定情報に基づいて、アイドルストップ状態でＩＳ制御が実行可能であるか否かを判断する。ここにいうアイドルストップ状態とは、燃料電池スタック１から駆動モータ１２０への電力供給が停止されているシステム状態のことをいう。なお、アイドルストップ状態では、燃料電池スタック１から補機へ電力が供給されていてもよく、燃料電池スタック１から補機への電力供給が停止されていてもよい。
In step S5, the
例えば、制御切替部２４０は、アクセルペダルセンサ２０１からアクセルペダルの踏込み量をＩＳ判定情報として取得し、そのアクセルペダルの踏込み量がゼロ又は所定値以下である場合には、アイドルストップ状態においてＩＳ制御を実行可能であると判断する。一方、アクセルペダルの踏込み量がゼロ又は所定値よりも大きい場合には、制御切替部２４０は、ＩＳ制御を実行できないと判断する。
For example, the
ステップＳ９において制御切替部２４０は、ＩＳ制御を実行できないと判断した場合には、車両キー１０１がＯＦＦ状態になっているか否かを判断する。そして、車両キー１０１がＯＮ状態になっている場合には、燃料電池システム１００の制御方法における一連の処理手順が終了し、次の制御周期で通常制御が実行されることになる。
If the
ステップＳ１０において制御切替部２４０は、車両キー１０１がＯＦＦ状態になっている場合には、燃料電池システムの制御状態を停止制御に切り替える。これにより、停止制御部２３０は、燃料電池システム１００を停止させる停止制御を実行する。そして、燃料電池システム１００の制御方法における一連の処理手順が終了する。
In step S10, when the
ステップＳ５でＩＳ制御を実行可能であると判断された場合には、ステップＳ６の処理に進む。 If it is determined in step S5 that the IS control can be performed, the process proceeds to step S6.
ステップＳ６において制御切替部２４０は、燃料電池システム１００の制御状態を通常制御からＩＳ制御に切り替える。これにより、ＩＳ制御部２２０は、燃料電池システム１００に対してＩＳ制御を実行して、コンプレッサ２２の動作状態を制御する。
In step S6, the
例えば、ＩＳ制御部２２０は、コンプレッサ２２の回転速度を、通常制御部２１０によって算出される回転速度に比べて下げると共にパージ弁３５を閉じる。これにより、燃料電池システム１００からの水素の排出を抑制しつつ燃料電池システム１００の消費電力を低減することができる。本実施形態におけるＩＳ制御の処理内容については次図を参照して後述する。なお、ステップＳ６は、燃料電池システム１００の運転状態がアイドルストップ状態になったときに、燃料電池にカソードガス及びアノードガスを供給するガス供給装置の作動状態を制御する出力停止制御ステップに対応する。
For example, the
ステップＳ７において制御切替部２４０は、ＩＳ制御中においてインピーダンス測定装置８からスタック交流抵抗を取得し、ＩＳ制御から復帰すべきか否かを判定するために定められた復帰判定閾値に対して、スタック交流抵抗が超えたか否かを判断する。
In step S7, the
本実施形態では、復帰判定閾値として、図４（ａ）に示したＩＳ湿潤上限値ＲH及びＩＳ湿潤下限値ＲLがＩＳ制御部２２０に設定される。なお、ＩＳ制御の内容によってはＩＳ湿潤上限値ＲH及びＩＳ湿潤下限値ＲLのうち一方の閾値のみを設定するようにしてもよい。例えば、ＩＳ制御部２２０がアイドルストップ状態において燃料電池スタック１へのカソードガス流量を通常制御での流量よりも減量して供給を継続するような構成では、燃料電池スタック１の電解質膜の水分が減り続けるので、復帰判定閾値としてＩＳ湿潤上限値ＲHのみを設定すればよい。
In the present embodiment, the IS wet upper limit value RH and the IS wet lower limit value RL shown in FIG. Note that, depending on the content of the IS control, only one of the IS wet upper limit value RH and the IS wet lower limit value RL may be set. For example, in a configuration in which the
制御切替部２４０は、スタック交流抵抗がＩＳ湿潤上限値ＲH以下であり、かつ、ＩＳ湿潤下限値ＲL以上である場合には、ステップＳ６の処理に戻ってＩＳ制御を実行する。すなわち、制御切替部２４０は、燃料電池スタック１の交流抵抗が復帰判定閾値を超えていない場合には、ＩＳ制御を継続して実行する。
When the stack AC resistance is equal to or smaller than the IS wet upper limit value RH and equal to or larger than the IS wet lower limit value RL , the
ステップＳ８において制御切替部２４０は、スタック交流抵抗がＩＳ湿潤上限値ＲHよりも大きくなった場合、又はスタック交流抵抗がＩＳ湿潤下限値ＲLよりも小さくなった場合に、燃料電池システム１００の制御状態をＩＳ制御から通常制御に切り替える。すなわち、制御切替部２４０は、スタック交流抵抗が復帰判定閾値を超えた場合に燃料電池システム１００の制御状態をＩＳ制御から復帰させる。
In step S8, when the stack AC resistance becomes larger than the IS wet upper limit value RH , or when the stack AC resistance becomes smaller than the IS wet lower limit value RL , the
これにより、通常制御部２１０は、駆動モータ１２０の要求電力に基づいて燃料電池スタック１の発電状態を制御する。例えば、通常制御部２１０は、燃料電池スタック１の発電電力が駆動モータ１２０の要求電力となるように燃料電池スタック１の発電状態を維持しつつ、燃料電池スタック１の湿潤状態を目標状態に操作する湿潤制御を実行する。
Thereby, the
なお、ステップＳ８は、燃料電池のインピーダンスに基づいて燃料電池システム１００の制御状態をＩＳ制御から復帰させる切替ステップに対応する。ステップＳ８の処理が終了すると、燃料電池システム１００の制御方法におけるステップＳ１からＳ１０までの一連の処理手順が終了する。
Step S8 corresponds to a switching step of returning the control state of the
このようにステップＳ８ではスタック交流抵抗を用いて燃料電池システム１００の運転状態をアイドルストップ状態から強制的に復帰させることにより、ＩＳ制御中に燃料電池スタック１の電解質膜が湿り過ぎたり、乾き過ぎたりするのを回避することかできる。さらに、ＩＳ制御からの復帰後において燃料電池スタック１の状態をＩＳ制御に遷移する前の状態に戻すのに必要となる復帰時間が長くなり過ぎるのを抑制するこができる。
As described above, in step S8, the operating state of the
図６は、ステップＳ６で実行されるＩＳ制御についての処理手順の一例を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure for IS control performed in step S6.
ステップＳ５でＩＳ制御を実行可能であると判断された場合にステップＳ６の処理が実行される。 If it is determined in step S5 that the IS control can be performed, the process of step S6 is performed.
ステップＳ６１においてＩＳ制御部２２０は、コンプレッサ２２の作動状態を停止状態に切り替える。本実施形態ではＩＳ制御部２２０は、コンプレッサ２２の回転速度をゼロに設定する。このように、カソードガス給排装置２の作動状態を停止状態に切り替えることにより、アイドルストップ状態においてコンプレッサ２２の消費電力を低減することができる。
In step S61, the
ステップＳ６２においてＩＳ制御部２２０は、アイドルストップ状態において燃料電池システム１００から水素の排出を止めるためにパージ弁３５を閉じる。このとき、ＩＳ制御部２２０は、アノードガス目標圧力を、燃料電池スタック１の発電に必要となる圧力値に設定する。これにより、アノード調圧弁３３は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力が適切に調整される。
In step S62, the
ステップＳ６３においてＩＳ制御部２２０は、スタック電圧が所定の下限値ＶLよりも低いか否かを判断する。下限値ＶLは、ＩＳ制御から復帰した直後における燃料電池スタック１の応答性が確保されるように予め定められた閾値である。スタック電圧が下限値ＶL以上である場合には、アイドルストップ制御から復帰し、図５に示したステップＳ７の処理に進む。
In step S63, the
ステップＳ６４においてＩＳ制御部２２０は、ステック電圧が下限値ＶLよりも低くなった場合には、カソードガス目標流量を、燃料電池スタック１の電圧を確保するために定められた電圧確保要求流量に設定する。すなわち、ＩＳ制御部２２０は、カソードガス給排装置２の動作状態を供給状態に切り替える。
In step S64, when the stick voltage becomes lower than the lower limit value VL , the
これにより、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が電圧確保要求流量となるようにコンプレッサ２２が制御される。なお、車両の走行風などによってアノードガス流量が電圧確保要求流量を確保できる状況では、カソード調圧弁２６のみを制御してもよい。燃料電池スタック１にカソードガスが供給されると、燃料電池スタック１は発電するのでスタック圧力は上昇する。
Thereby, the compressor 22 is controlled such that the flow rate of the cathode gas supplied to the
ステップＳ６５においてＩＳ制御部２２０は、スタック電圧が上限値ＶHに達したか否かを判断する。上限値ＶHは、燃料電池の高電位劣化を抑制するために定められた閾値である。スタック電圧が上限値ＶHよりも低い場合には、ステップＳ６４に戻り、スタック電圧が上限値ＶHに達するまで繰り返し行われる。
It IS
ステップＳ６６においてＩＳ制御部２２０は、スタック電圧が上限値ＶHに達した場合には、コンプレッサ２２の動作状態を停止状態に切り替える。そして、アイドルストップ制御から復帰し、図５に示したステップＳ７の処理に進む。
It IS
このようにＩＳ制御では、コンプレッサ２２の消費電力及びアノードガスの消費量を抑制しつつスタック電圧が下がり過ぎないように、燃料電池スタック１を間欠的に発電させる。
As described above, in the IS control, the
本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１にアノードガス（燃料ガス）及びカソードガス（酸化剤ガス）を供給するアノードガス給排装置３及びカソードガス給排装置２を構成するガス供給装置を備える。さらに燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１から電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータ６と、燃料電池スタック１に交流電流を供給し、燃料電池スタック１に生じる電圧の交流成分に基づいて、燃料電池スタック１が有するインピーダンスを計測するインピーダンス測定装置８とを備える。
According to the first embodiment of the present invention, the
この燃料電池システム１００を制御するコントローラ２００は、駆動モータ１２０の要求電力に基づいて燃料電池スタック１の発電状態を制御する通常制御を実行する。燃料電池システム１００から駆動モータ１２０への電力供給が停止されたアイドルストップ（ＩＳ）状態になったときには、コントローラ２００は、ガス供給装置の作動状態を切り替えるＩＳ制御を実行し、インピーダンス測定装置８から出力される交流抵抗に基づいてＩＳ状態から復帰させる。
The
このように、燃料電池スタック１の交流抵抗を計測し、その交流抵抗に基づいて燃料電池システム１００の運転状態をＩＳ状態から強制的に復帰させることにより、燃料電池スタック１の湿潤状態が湿り過ぎたり、乾き過ぎたりするのを抑制することができる。すなわち、燃料電池スタック１のフラッディングによる発電性能の低下や、電解質膜の乾燥による発電性能の低下を抑制することができる。さらに、復帰後において燃料電池スタック１の湿潤状態を元の状態に戻すのに必要となる操作量を抑制することができる。
As described above, by measuring the AC resistance of the
また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、アイドルストップ状態において燃料電池スタック１の交流抵抗が所定の復帰判定閾値を超えた場合に、燃料電池システム１００の制御状態をＩＳ制御から通常制御へ切り替える。
Further, according to the present embodiment, when the AC resistance of the
このように、交流抵抗の復帰判定閾値を設定することにより、燃料電池スタック１の湿潤状態を操作するための湿潤制御に要する時間を短くすることが可能となる。また、ＩＳ制御からの復帰直後に車両を加速するためにアクセルペダルが踏み込まれた場合であっても、復帰直後の発電によってフラッディングを引き起こすことを回避することができる。
As described above, by setting the return determination threshold value of the AC resistance, it becomes possible to shorten the time required for the wet control for operating the wet state of the
復帰判定閾値は、燃料電池スタック１の発電性能を維持できる範囲内において湿潤状態が維持されるように設定される。本実施形態では、復帰判定閾値は、図４に示したＩＳ湿潤上限値ＲHやＩＳ湿潤下限値ＲLである。そして、コントローラ２００は、ＩＳ状態において、燃料電池スタック１の交流抵抗がＩＳ湿潤上限値ＲHよりも大きくなった場合には、燃料電池の電解質膜の水分を増やす制御を実行し、交流抵抗がＩＳ湿潤下限値ＲLよりも小さくなった場合には、電解質膜の水分を減らす制御を実行する。これにより、燃料電池スタック１の湿潤状態を早期に元の状態に戻すことができる。
The return determination threshold is set so that the wet state is maintained within a range where the power generation performance of the
また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介してインバータ１１０及び駆動モータ１２０に接続されるバッテリ５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と燃料電池スタック１との間に配置され、燃料電池スタック１から駆動モータ１２０に向けて電流を流す逆流防止ダイオード７とを備えている。また、インピーダンス測定装置８は、図２に示したように、逆流防止ダイオード７と燃料電池スタック１との間に接続された電源回路８３及び８４を含む。
Further, according to the present embodiment, the
そして、コントローラ２００は、燃料電池システム１００から駆動モータ１２０に供給される電力が停止されるときには、電源回路８３及び８４から燃料電池スタック１に交流電流を供給し、燃料電池スタック１のインピーダンスであるスタック交流抵抗を計測する。
When the electric power supplied from the
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から燃料電池スタック１に交流電流を供給する構成に比べて、逆流防止ダイオード７によって交流電流の一部が遮断されることがないので、スタック交流抵抗を精度よく計測することができる。したがって、ＩＳ制御中において燃料電池スタック１の湿潤状態を的確に把握することが可能になるので、湿潤状態の変化が大きくなり過ぎないように、的確にＩＳ制御から復帰させることが可能になる。
As a result, part of the AC current is not interrupted by the
なお、ＩＳ制御から通常制御に復帰することなく停止制御が実行されることも想定される。このような場合には、燃料電池スタック１内の水蒸気が多くなるほど、パージ弁３５から排出される液水が増加するので、この液水によってパージ弁３５から窒素を排出しにくくなり、燃料電池スタック１から不純物を排出するのに要する時間が長くなってしまう。
It is assumed that the stop control is executed without returning to the normal control from the IS control. In such a case, as the amount of water vapor in the
図７は、ＩＳ制御から停止制御が行われたときの燃料電池スタック１の窒素積算量の変化を示すタイムチャートである。
FIG. 7 is a time chart showing a change in the integrated amount of nitrogen of the
図７（ａ）は、燃料電池スタック１におけるアノード極側の窒素積算量を示す図である。図７（ｂ）は、スタック交流抵抗を示す図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）の各図面の横軸は互いに共通の時間軸である。図７（ａ）及び図７（ｂ）では、燃料電池スタック１が湿っているときの停止制御が実線により示され、燃料電池スタック１が乾燥しているときの停止制御が破線により示されている。なお、便宜的に実線と破線とが重ならないようにずらしている。
FIG. 7A is a diagram showing the integrated amount of nitrogen on the anode electrode side in the
時刻ｔ２１において、車両キー１０１がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えられ、これに伴い燃料電池システム１００の停止制御が実行される。停止制御において、コントローラ２００は、図７（ｂ）に示すように、スタック交流抵抗が目標抵抗ＲTになるようにコンプレッサ２２から燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を大きくする。これと共にコントローラ２００は、図７（ａ）に示すように、パージ弁３５を開いて燃料電池スタック１から不純物を排出するＩＳ復帰制御を実行する。これにより、ＩＳ制御中に増加した電解質膜の含水量を減少が減少すると共に、ＩＳ制御中に燃料電池スタック１に蓄積した不純物が新たなアノードガスに置き換えられる。
At time t21, the
図７（ａ）に示すように、燃料電池スタック１が湿った状態では、燃料電池スタック１が乾いた状態に比べて、パージ弁３５から排出される液水が多くなるため、パージ弁３５から窒素ガスが排出されにくくなる。
As shown in FIG. 7A, when the
時刻ｔ２２において、燃料電池スタック１内の液水が減少し、これに伴ってパージ弁３５から窒素ガスが排出されやすくなり、図７（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の窒素積算量が、燃料電池スタック１が乾いた状態のときと同様に速やかに減少する。そして、燃料電池スタック１の窒素積算量が所定の閾値よりも小さくなった時点で停止制御中のパージ処理が完了する。
At time t22, the liquid water in the
このように、スタック交流抵抗がＩＳ湿潤下限値ＲLに達していない状態であっても、ＩＳ制御から停止制御に遷移した場合には、パージ弁３５から排出される液水が多くなり、燃料電池スタック１から窒素ガスを排出するのに要する時間が長くなってしまう。
As described above, even when the stack AC resistance has not reached the IS wet lower limit value RL , when the control is shifted from the IS control to the stop control, the liquid water discharged from the
（第２実施形態）
この対策として、本発明の第２実施形態の、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の窒素積算量に応じてＩＳ湿潤下限値ＲLを変更する。
(2nd Embodiment)
As a countermeasure, the
図８は、本発明の第２実施形態におけるコントローラ２００に備えられる窒素積算量推定部２６０の機能構成の一例を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing an example of a functional configuration of the integrated nitrogen
窒素積算量推定部２６０は、燃料電池スタック１のアノード極に蓄積される窒素ガスの窒素積算量を推定する。窒素積算量推定部２６０は、窒素流入量演算部２６１と、膜透過度演算部２６２と、窒素補正量演算部２６３と、アノード窒素積算量演算部２６４とを含む。
The nitrogen integrated
窒素流入量演算部２６１は、スタック目標電流に基づいて、燃料電池スタック１の発電に伴って燃料電池スタック１のアノード極に流入する単位時間あたりの窒素流入量を演算する。例えば、窒素流入量演算部２６１は、発電に伴い発生する不純物の割合に基づいて予め定められた定数をスタック目標電流に乗算することにより、単位時間あたりの窒素流入量を算出する。
The
膜透過度演算部２６２は、燃料電池スタック１の温度に基づいて、燃料電池スタック１における電解質膜の透過度を演算する。例えば、電解質膜の温度と透過度との関係を示す透過度テーブルが膜透過度演算部２６２に予め記録され、膜透過度演算部２６２は、燃料電池スタック１の温度を取得すると、透過度テーブルを参照し、取得した温度に関係付けられた透過度を算出する。燃料電池スタック１の温度としては、例えば、入口水温センサ４４によって検出されるスタック入口水温と、出口水温センサ４５によって検出されるスタック出口水温とを平均した値が用いられる。
The
窒素補正量演算部２６３は、膜透過度演算部２６２によって算出された電解質膜の透過度と、圧力センサ２４によって検出されるカソードガス圧力とに基づいて、燃料電池スタック１のカソード極からアノード極に流入する窒素ガスの補正量を演算する。例えば、窒素補正量演算部２６３は、電解質膜の透過度にカソードガス圧力を乗算することにより、補正量を算出する。なお、電解質膜の透過度は電解質膜の湿潤状態に応じて変化する。そのため、窒素補正量演算部２６３は、スタック交流抵抗に応じて補正量を補正するものであってもよい。
The nitrogen correction
アノード窒素積算量演算部２６４は、窒素流入量演算部２５１からの窒素流入量と、窒素補正量演算部２６３からの補正量とを加算し、加算した値を積算することにより、燃料電池スタック１の窒素積算量を演算する。アノード窒素積算量演算部２５４は、演算した窒素積算量を制御切替部２４０に出力する。
The anode nitrogen integrated
制御切替部２４０は、燃料電池スタック１の窒素積算量を取得すると、その窒素積算量に応じてＩＳ湿潤下限値ＲLを変更する。本実施形態では、制御切替部２４０は、窒素積算量が大きくなるほど、ＩＳ湿潤下限値ＲLを段階的に大きくする。
When acquiring the integrated amount of nitrogen of the
なお、本実施形態では燃料電池スタック１の窒素積算量を算出したが、燃料電池スタック１に窒素濃度を検出するセンサを設け、そのセンサの検出値を用いてＩＳ湿潤下限値ＲLを変更するようにしてもよい。
In the present embodiment, the integrated nitrogen amount of the
図９は、燃料電池スタック１の窒素積算量に応じてＩＳ湿潤下限値ＲLを大きくした場合においてＩＳ復帰制御に遷移したときの燃料電池スタック１の状態変化を示すタイムチャートである。
FIG. 9 is a time chart showing a change in the state of the
図９（ａ）及び図９（ｂ）には、変更後のＩＳ湿潤下限値ＲL_cに達した場合においてＩＳ復帰制御を実行したときの燃料電池スタック１の状態が実線により示されている。また、図７（ａ）及び図７（ｂ）の実線で示した燃料電池スタック１の状態が破線により示されている。
FIG. 9 (a) and FIG. 9 (b), the state of the
時刻ｔ３１において、図９（ｂ）に示すように、スタック交流抵抗が変更後のＩＳ湿潤下限値ＲL_cに達すると共に、車両キー１０１がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えられ、ＩＳ復帰制御が実行される。
At time t31, as shown in FIG. 9 (b), together with the stack AC resistance reaches IS wetting lower limit R L _ c after the change, the
本実施形態では、燃料電池スタック１の窒素積算量が大きくなるほど、ＩＳ湿潤下限値ＲLが大きくなる。これにより、図９（ａ）に示すように、ＩＳ制御からＩＳ復帰制御に遷移した場合に、燃料電池スタック１内の窒素ガスをアノードガスに置き換えるのに要する時間を短縮できる。
In this embodiment, as the integrated amount of nitrogen in the
例えば、燃料電池スタック１の窒素積算量に応じてＩＳ湿潤下限値ＲLを大きくすることにより、停止制御を開始してから完了するまでの停止時間を、ＩＳ湿潤下限値ＲLを固定したときの停止時間に比べて１／２以下の時間まで短縮することができる。
For example, by increasing the IS wet lower limit value RL in accordance with the integrated amount of nitrogen of the
図１０は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法についての処理手順例を示すフローチャートである。
FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure for a control method of the
本実施形態では、図５に示した各処理に加えて、ステップＳ１１及びＳ１２の処理が新たに実行される。また図５に示したステップＳ７の処理に代えてステップＳ７ａの処理が実行される。ここでは、ステップＳ７ａ、Ｓ１１、及びＳ１２の各処理についてのみ説明し、他の処理については、図５に示した処理と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。 In the present embodiment, the processes of steps S11 and S12 are newly executed in addition to the processes shown in FIG. Further, the processing of step S7a is executed instead of the processing of step S7 shown in FIG. Here, only the processing of steps S7a, S11, and S12 will be described, and the other processing is the same as the processing shown in FIG.
ステップＳ１１において窒素積算量推定部２６０は、図８で述べたように、スタック目標電流に基づいて、燃料電池スタック１の窒素積算量を推定する。そして、制御切替部２４０は、窒素積算量推定部２６０から窒素積算量を取得する。
In step S11, the nitrogen integrated
ステップＳ１２において制御切替部２４０は、推定された窒素積算量に応じてＩＳ湿潤下限値ＲLを変更する。例えば、制御切替部２４０は、燃料電池スタック１の窒素積算量が所定の値よりも大きくなった場合には、ＩＳ湿潤下限値ＲLを大きくする。
In step S12, the
ステップＳ７ａにおいて制御切替部２４０は、スタック交流抵抗が変更後のＩＳ湿潤範囲内にあるか否かを判断する。そして、スタック交流抵抗が、変更後のＩＳ湿潤下限値ＲL_c以上であり、かつ、ＩＳ湿潤上限値ＲH以下である場合には、ステップＳ６の処理に戻り、スタック交流抵抗が変更後のＩＳ湿潤下限値ＲL_cよりも小さい場合、又は、スタック交流抵抗がＩＳ湿潤上限値ＲHよりも大きい場合には、ステップＳ８の処理に進む。
In step S7a, the
本発明の第２実施形態によれば、コントローラ２００は、ステップＳ１１において燃料電池スタック１の窒素積算量を取得し、ステップＳ１２においてその窒素積算量に応じて復帰判定閾値であるＩＳ湿潤下限値ＲLを変更する。コントローラ２００の制御切替部２４０は、燃料電池スタック１の窒素積算量が大きいときには、燃料電池スタック１の窒素積算量が小さいときに比べて、ＩＳ湿潤下限値ＲLを大きくする。
According to the second embodiment of the present invention, the
これにより、ＩＳ制御から停止制御に遷移した場合において、ＩＳ制御中に燃料電池スタック１に蓄積された窒素ガスをアノードガスに置き換えるのに要する時間を短縮することができる。さらに、燃料電池スタック１の湿潤状態を停止時の目標状態に操作するのに要する時間についても短縮することができる。
This makes it possible to reduce the time required for replacing the nitrogen gas accumulated in the
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態における制御方法についての処理手順例を示すフローチャートである。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a flowchart illustrating an example of a processing procedure for a control method according to the third embodiment of the present invention.
本実施形態では、図１０に示した各処理に加えて、ステップＳ１３の処理が新たに実行される。ここでは、ステップＳ１３の処理についてのみ説明し、他の処理については図１１に示した各処理と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。 In the present embodiment, the process of step S13 is newly performed in addition to the processes illustrated in FIG. Here, only the processing in step S13 will be described, and the other processing is the same as each processing shown in FIG.
ステップＳ５でＩＳ制御が実行可能であると判断された場合には、ステップＳ１３の処理に進む。 If it is determined in step S5 that the IS control can be performed, the process proceeds to step S13.
ステップＳ１３において制御切替部２４０は、スタック交流抵抗がＩＳ移行許可範囲にあるか否かを判断する。ＩＳ移行許可範囲は、ＩＳ制御への移行を許可するか否かを判定するための特定の閾値であり、通常制御からＩＳ制御に遷移した直後にスタック交流抵抗がＩＳ湿潤範囲を超えないように予め設定される。なお、ＩＳ移行許可範囲は、ＩＳ湿潤範囲と同じ範囲でもよいが、ＩＳ湿潤範囲と異なる範囲であってもよい。
In step S13, the
制御切替部２４０は、スタック交流抵抗がＩＳ移行許可範囲内にある場合には、燃料電池システム１００の制御状態を通常制御からＩＳ制御に切り替える。一方、スタック交流抵抗がＩＳ移行許可範囲外にある場合には、制御切替部２４０は、ＩＳ制御に切り替えずに、ステップＳ９の処理に進む。すなわち、制御切替部２４０は、スタック交流抵抗がＩＳ移行許可範囲を超えている場合には、ＩＳ制御への切替えを禁止（停止）する。
The
このように、通常制御からＩＳ制御に切り替える前にスタック交流抵抗を確認することにより、ＩＳ制御を開始して直ぐにＩＳ制御から復帰するような事態を回避することができる。また、ＩＳ移行許可範囲を設定することにより、ＩＳ制御への切替え後にスタック交流抵抗をＩＳ湿潤範囲に維持することが容易になる。 As described above, by checking the stack AC resistance before switching from the normal control to the IS control, it is possible to avoid a situation in which the IS control is started and the control is immediately returned to the IS control. Also, by setting the IS shift permission range, it becomes easy to maintain the stack AC resistance in the IS wet range after switching to IS control.
なお、図１１ではステップＳ５の処理後にステップＳ１３の処理を実行したが、ステップＳ５の処理前であってステップＳ４の処理後にステップＳ１３の処理を実行するようにしてもよい。また、ステップＳ１１及びＳ１２の各処理を省略してもよい。 In FIG. 11, the process of step S13 is performed after the process of step S5. However, the process of step S13 may be performed before the process of step S5 and after the process of step S4. Further, each processing of steps S11 and S12 may be omitted.
図１２は、本実施形態における通常制御からＩＳ制御への切替え手法を示すタイムチャートである。 FIG. 12 is a time chart showing a method of switching from the normal control to the IS control in the present embodiment.
図１２（ａ）から図１２（ｄ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸であり、各図面の縦軸は、図４（ａ）から図４（ｄ）までの各図面の縦軸と同じである。 The horizontal axis of each drawing from FIG. 12 (a) to FIG. 12 (d) is a time axis common to each other, and the vertical axis of each drawing is each drawing from FIG. 4 (a) to FIG. 4 (d). Is the same as the vertical axis.
図１２（ａ）に示すように、ＩＳ制御に移行する時刻ｔ１よりも前において、ＩＳ移行許可範囲の下限値ＲL_in及び上限値ＲH_inが設定されている。この例では、時刻ｔ１から時刻ｔ４までのＩＳ制御中にスタック交流抵抗が小さくなるため、ＩＳ移行許可範囲はＩＳ湿潤範囲よりも若干高く設定されている。制御切替部２４０は、スタック交流抵抗がＩＳ移行許可範囲内に収まっていることを確認する。
As shown in FIG. 12 (a), before time t1 to shift to IS control, the lower limit R L _ in and the upper limit value R H _ in the IS migration permission range is set. In this example, since the stack AC resistance decreases during the IS control from time t1 to time t4, the IS transition permission range is set slightly higher than the IS wet range. The
このようにＩＳ移行許可範囲を設定することにより、ＩＳ制御に遷移する直前で既にスタック交流抵抗がＩＳ湿潤下限値ＲLよりも小さいときにはＩＳ制御への切替えを禁止することが可能になる。これにより、通常制御からＩＳ制御に切り替えてから直ぐにＩＳ制御から通常制御に復帰させるような無駄な切替え処理を削減することができる。 By setting the IS transition permission range in this way, it is possible to prohibit switching to the IS control when the stack AC resistance is already smaller than the IS wet lower limit RL immediately before the transition to the IS control. Thus, it is possible to reduce unnecessary switching processing such as returning from the IS control to the normal control immediately after switching from the normal control to the IS control.
本発明の第３実施形態によれば、制御切替部２４０は、燃料電池システム１００の運転状態がアイドルストップ状態になる前において、スタック交流抵抗がＩＳ移行許可範囲を超えている場合には、ＩＳ制御への切替えを禁止する。これにより、ＩＳ制御への無駄な切替えを抑制することができると共に、ＩＳ制御中にスタック交流抵抗をＩＳ湿潤範囲内に維持しやすくなる。
According to the third embodiment of the present invention, before the operating state of 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。 As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, the above embodiments are only some of the application examples of the present invention, and are not intended to limit the technical scope of the present invention to the specific configurations of the above embodiments. Absent.
例えば、ＩＳ制御部２２０は、アイドルストップ状態において燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を継続するものであってもよい。この場合には、制御切替部２４０は、スタック交流抵抗がＩＳ湿潤上限値ＲHよりも大きくなったときにアイドルストップ状態から復帰させる。このような場合であっても、アイドルストップ状態から燃料電池スタック１の湿潤状態を目標状態に復帰させるのに要する時間を短くすることができる。なお、この場合にはアノード調圧弁３３は閉じられてもよく開かれてもよい。
For example, the
なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせ可能である。 The above embodiments can be combined as appropriate.
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
２ カソードガス給排装置（ガス供給装置）
３ アノードガス給排装置（ガス供給装置）
５ バッテリ（二次電池）
６ ＤＣ／ＤＣコンバータ（電力制御器）
７ 逆流防止ダイオード（ダイオード）
８ インピーダンス測定装置（計測回路）
８３、８４ 交流電源部（電源回路）
２００ コントローラ
２１０ 通常制御部（発電制御部）
２２０ ＩＳ制御部（出力停止制御部）
２４０ 制御切替部（切替部）
Ｓ４ 発電制御ステップ
Ｓ６ 出力停止制御ステップ
Ｓ８ 切替ステップ
Ｓ１１ 取得ステップ
Ｓ１２ 設定ステップ
Ｓ１３ 切替ステップ
1 fuel cell stack (fuel cell)
2 Cathode gas supply / discharge device (gas supply device)
3 Anode gas supply / discharge device (gas supply device)
5 Battery (rechargeable battery)
6 DC / DC converter (power controller)
7 Backflow prevention diode (diode)
8 Impedance measurement device (measurement circuit)
83, 84 AC power supply (power supply circuit)
200
220 IS control unit (output stop control unit)
240 Control switching unit (switching unit)
S4 Power generation control step S6 Output stop control step S8 Switching step S11 Acquisition step S12 Setting step S13 Switching step
Claims (7)
前記燃料電池から電力を取り出す電力制御器と、
前記燃料電池に交流電流を供給し、前記燃料電池に生じる電圧の交流成分に基づいて、前記燃料電池のインピーダンスを計測する計測回路と、を備える燃料電池システムの制御
方法であって、
前記燃料電池システムに対して接続される負荷に基づいて、前記燃料電池の発電状態を制御する発電制御ステップと、
前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給が停止されたシステム状態になったときに、前記ガス供給装置の作動状態を制御する出力停止制御ステップと、
前記計測回路により計測されるインピーダンスに基づいて、前記システム状態から復帰させる切替ステップと、
を含む燃料電池システムの制御方法。 A gas supply device for supplying a fuel gas and an oxidizing gas to the fuel cell;
A power controller for extracting power from the fuel cell;
A measurement circuit that supplies an alternating current to the fuel cell and measures the impedance of the fuel cell based on an alternating current component of a voltage generated in the fuel cell, a control method of a fuel cell system comprising:
A power generation control step of controlling a power generation state of the fuel cell based on a load connected to the fuel cell system;
An output stop control step of controlling an operation state of the gas supply device when a system state in which power supply from the fuel cell system to the load is stopped is provided;
A switching step of returning from the system state based on the impedance measured by the measurement circuit;
A control method for a fuel cell system including:
前記燃料電池システムは、 The fuel cell system,
前記電力制御器を介して前記負荷に接続される二次電池と、 A secondary battery connected to the load via the power controller,
前記電力制御器と前記燃料電池との間に配置され、前記燃料電池から前記負荷に向けて電流を流すダイオードと、を備え、 A diode that is disposed between the power controller and the fuel cell and that allows current to flow from the fuel cell toward the load.
前記計測回路は、前記ダイオードと前記燃料電池との間に接続される電源回路を含み、 The measurement circuit includes a power supply circuit connected between the diode and the fuel cell,
前記切替ステップは、前記燃料電池システムから前記負荷又は前記二次電池への電力供給が停止されるときには、前記電源回路から前記燃料電池に交流電流を供給し、前記インピーダンスを計測する、 When the power supply from the fuel cell system to the load or the secondary battery is stopped, the switching step supplies an alternating current to the fuel cell from the power supply circuit and measures the impedance.
燃料電池システムの制御方法。A control method for a fuel cell system.
前記切替ステップは、前記システム状態において前記計測回路により計測されるインピーダンスが所定の閾値を超えた場合には、前記出力停止制御ステップによる制御から前記発電制御ステップによる制御へ切り替える、
燃料電池システムの制御方法。 It is a control method of the fuel cell system of Claim 1 or 2 , Comprising:
The switching step, when the impedance measured by the measurement circuit in the system state exceeds a predetermined threshold, to switch from control by the output stop control step to control by the power generation control step,
A control method for a fuel cell system.
前記所定の閾値は、前記燃料電池の湿潤状態を維持するための上限閾値及び下限閾値を含み、
前記切替ステップは、前記システム状態において、前記インピーダンスが前記上限閾値よりも大きくなった場合には、前記燃料電池の電解質膜の水分を増やす制御を実行し、前記インピーダンスが前記下限閾値よりも小さくなった場合には、前記電解質膜の水分を減らす制御を実行する、
燃料電池システムの制御方法。 It is a control method of the fuel cell system of Claim 3 , Comprising:
The predetermined threshold includes an upper threshold and a lower threshold for maintaining the fuel cell in a wet state,
In the switching step, in the system state, when the impedance is higher than the upper threshold, control is performed to increase the water content of the electrolyte membrane of the fuel cell, and the impedance is lower than the lower threshold. In the case of executing the control to reduce the water content of the electrolyte membrane,
A control method for a fuel cell system.
前記切替ステップは、前記システム状態になる前に、前記インピーダンスが前記所定の閾値とは異なる特定の閾値を超えている場合には、前記発電制御ステップから前記出力停止制御ステップへの切替えを停止する、
燃料電池システムの制御方法。 It is a control method of the fuel cell system of Claim 3 , Comprising:
The switching step stops the switching from the power generation control step to the output stop control step when the impedance exceeds a specific threshold different from the predetermined threshold before the system state is set. ,
A control method for a fuel cell system.
前記燃料電池の燃料極における窒素の量を取得する取得ステップと、
前記取得ステップにより取得される窒素の量に応じて、前記所定の閾値を変更する設定ステップと、
を備える燃料電池システムの制御方法。 A method for controlling a fuel cell system according to any one of claims 3 to 5, wherein
An obtaining step of obtaining an amount of nitrogen in a fuel electrode of the fuel cell;
A setting step of changing the predetermined threshold value according to the amount of nitrogen obtained in the obtaining step;
A control method for a fuel cell system comprising:
前記燃料電池から電力を取り出す電力制御器と、
前記燃料電池に交流電流を供給し、前記燃料電池に生じる電圧の交流成分に基づいて、
前記燃料電池のインピーダンスを計測する計測回路と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムに対して接続される負荷に基づいて、前記燃料電池の発電状態を
制御する発電制御部と、
前記燃料電池システムから前記負荷への電力供給が停止されたシステム状態になったと
きに、前記ガス供給装置の作動状態を制御する出力停止制御部と、
前記計測回路により計測されるインピーダンスに基づいて、前記システム状態から復帰
させる切替部と、
を含む燃料電池システム。 A gas supply device for supplying a fuel gas and an oxidizing gas to the fuel cell;
A power controller for extracting power from the fuel cell;
An AC current is supplied to the fuel cell, and based on an AC component of a voltage generated in the fuel cell,
A measurement circuit for measuring the impedance of the fuel cell, and a fuel cell system comprising:
A power generation control unit that controls a power generation state of the fuel cell based on a load connected to the fuel cell system;
When a system state in which power supply from the fuel cell system to the load is stopped, an output stop control unit that controls an operation state of the gas supply device,
A switching unit that returns from the system state based on the impedance measured by the measurement circuit;
A fuel cell system including:
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