JP7151697B2 - FC system module and fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、FCシステムモジュール及び燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、モータジェネレータ、燃料電池及び二次電池を備え、かつ、燃料電池用DCDCコンバータ及び二次電池用DCDCコンバータを備えていない燃料電池システムを実現することが可能なFCシステムモジュール、並びに、このようなFCシステムモジュールを備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to an FC system module and a fuel cell system, and more particularly, a fuel cell system that includes a motor generator, a fuel cell, and a secondary battery, and does not include a DCDC converter for the fuel cell and a DCDC converter for the secondary battery. and a fuel cell system equipped with such an FC system module.

燃料電池を動力源とする車両は、一般に、
(a)電力を発生させる燃料電池(FC)と、
(b)FCで発生させた電力若しくは回生された電力を一時的に貯蔵し、又は貯蔵された電力を電力消費源に供給するための二次電池(BAT)と、
(c)FC又はBATから供給される電力を用いて回転軸を駆動し、又は、回転軸にかかる負荷を電力として回生するためのモータジェネレータ(MG)と、
(d)FCから供給される直流電力を昇圧する燃料電池用DCDCコンバータと、
(e)BATから供給される直流電力を昇圧するBAT用DCDCコンバータと、
(f)燃料電池用DCDCコンバータ及び/又はBAT用DCDCコンバータで昇圧された直流電力を交流電力に変換し、MGに供給するインバータ(INV)と
を備えている(例えば、特許文献1参照)。
Vehicles powered by fuel cells generally
(a) a fuel cell (FC) for generating electrical power;
(b) a secondary battery (BAT) for temporarily storing power generated or regenerated by the FC or supplying the stored power to power consumption sources;
(c) a motor generator (MG) for driving the rotating shaft using power supplied from the FC or BAT, or for regenerating the load applied to the rotating shaft as power;
(d) a DCDC converter for a fuel cell that boosts the DC power supplied from the FC;
(e) a DCDC converter for BAT that boosts DC power supplied from BAT;
(f) an inverter (INV) that converts the DC power boosted by the DCDC converter for the fuel cell and/or the DCDC converter for the BAT into AC power and supplies it to the MG (see, for example, Patent Document 1).

FC、MG、及びBATを備えた燃料電池システムにおいて、従来、DCDCコンバータは必要不可欠と考えられていた。BAT用DCDCコンバータが必要不可欠であるのは、BATの電圧VBATに対して、INVの電圧VHをMGにとって効率の良い電圧に制御するためである。また、FC用DCDCコンバータが必要不可欠であるのは、FCのスタック枚数を減らし、低コスト化するためである。VFCはスタック枚数に比例し、枚数が少ないとVFCが低くなるが、VFCが低くてもDCDCコンバータにより昇圧すれば、MGへの電力供給が可能となる。しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、DCDCコンバータの設置がシステムの体格増とコスト増の要因になっている。 Conventionally, a DCDC converter was considered essential in a fuel cell system with FC, MG, and BAT. The reason why the BAT DCDC converter is essential is to control the INV voltage V H to a voltage that is efficient for MG with respect to the BAT voltage V BAT . Also, the DCDC converter for FC is essential in order to reduce the number of stacks of FC and to reduce the cost. VFC is proportional to the number of stacks, and if the number of stacks is small, VFC will be low. However, in the conventional fuel cell system, installation of a DCDC converter causes an increase in size and cost of the system.

一方、DCDCコンバータを省略すると、燃料電池システムの小型化及び低コスト化が期待される。しかしながら、実際には、従来のシステムにおいてDCDCコンバータを省略すると、燃料電池システムの動作に幾つか問題が生じる。その一つが、氷点下始動時の動作点制御の不成立化である。そのため、DCDCコンバータのない燃料電池システムが提案された例は、従来にはない。 On the other hand, omitting the DCDC converter is expected to reduce the size and cost of the fuel cell system. In practice, however, omitting the DCDC converter in the conventional system causes some problems in the operation of the fuel cell system. One of them is the ineffectiveness of the operating point control at sub-freezing start. Therefore, there is no conventional example of a proposed fuel cell system without a DCDC converter.

特開2017-225271号公報JP 2017-225271 A

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池、モータジェネレータ、及び二次電池を備えた燃料電池システムにおいて、氷点下始動を含む暖機運転時の動作に不具合を生じさせることなく、DCDCコンバータを省略することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このような燃料電池システムを実現可能なFCシステムモジュールを提供することにある。
The problem to be solved by the present invention is to omit a DCDC converter in a fuel cell system that includes a fuel cell, a motor generator, and a secondary battery, without causing problems during warm-up including starting below freezing. to do.
Another problem to be solved by the present invention is to provide an FC system module capable of realizing such a fuel cell system.

上記課題を解決するために本発明に係るFCシステムモジュールは、以下の構成を備えている。
(1)前記FCシステムモジュールは、
電力を発生させるための固体高分子形燃料電池(FC)と、
前記FCを作動させる際に用いられるFC用補機(AUX)と、
前記FCシステムモジュールとEVシステムとが並列に接続された時に、前記EVシステムから前記FCシステムモジュールに供給される電力が前記FC側に逆流するのを防ぐためのダイオードと、
前記FCで得られる電力を用いて、前記FCを加熱し、前記FC以外の周辺機器を加熱し、及び/又は、空調を行うためのヒータと、
前記FCと前記AUXとを接続する第1回路と
を備えている。
(2)前記第1回路は、
前記AUXと並列になるように前記ヒータを前記第1回路に接続するための第1プラス端子及び第1マイナス端子と、
前記ヒータと前記AUXとの間において、前記AUXと並列になるように前記EVシステムを前記第1回路に接続するための第2プラス端子及び第2マイナス端子と
を備え、
前記ヒータは、前記第1プラス端子及び前記第1マイナス端子を介して、前記AUXと並列になるように前記第1回路に接続されている。
(3)前記ダイオードは、前記第1プラス端子と前記第2プラス端子の間、又は、前記第2マイナス端子と前記第1マイナス端子の間のいずれかの位置において、前記第1回路に直列に接続されている。
In order to solve the above problems, the FC system module according to the present invention has the following configuration.
(1) The FC system module is
a polymer electrolyte fuel cell (FC) for generating electric power;
FC auxiliary equipment (AUX) used when operating the FC;
a diode for preventing reverse flow of power supplied from the EV system to the FC system module to the FC side when the FC system module and the EV system are connected in parallel;
A heater for heating the FC, heating peripheral devices other than the FC, and/or performing air conditioning using power obtained from the FC;
and a first circuit connecting the FC and the AUX.
(2) the first circuit,
a first positive terminal and a first negative terminal for connecting the heater to the first circuit in parallel with the AUX;
a second positive terminal and a second negative terminal for connecting the EV system to the first circuit in parallel with the AUX between the heater and the AUX;
The heater is connected to the first circuit in parallel with the AUX via the first plus terminal and the first minus terminal.
(3) the diode is in series with the first circuit either between the first positive terminal and the second positive terminal or between the second negative terminal and the first negative terminal; It is connected.

本発明に係る燃料電池システムは、以下の構成を備えている。
(1)前記燃料電池システムは、
本発明に係るFCシステムモジュールと、
EVシステムと、
前記FCシステムモジュールと前記EVシステムとを並列に接続する第3回路と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御装置と
を備えている。
(2)前記EVシステムは、
前記FCで発生させた電力若しくは回生時に得られる電力を一時的に貯蔵し、又は貯蔵された前記電力を電力消費源に供給するための二次電池(BAT)と、
前記FC又は前記BATから供給される電力を用いて回転軸を駆動し、又は、前記回転軸にかかる負荷を電力として回生するためのモータジェネレータ(MG)と、
前記FC又は前記BATから供給される直流電力を交流電力に変換して前記MGに供給し、又は、前記MGから供給される交流電力を直流電力に変換して前記BAT若しくは前記AUXに供給するための第2インバータ(第2INV)と、
前記BATと第2INVとを接続する第2回路と、
を備えている。
(3)前記第2回路は、前記FCシステムモジュールと前記EVシステムとを並列に接続するための第3プラス端子及び第3マイナス端子を備えている。
(4)前記第3回路は、前記第2プラス端子-前記第3プラス端子間、及び、前記第2マイナス端子-前記第3マイナス端子間をそれぞれ接続することによって、前記FCシステムモジュールと前記EVシステムとを並列に接続するものからなる。
A fuel cell system according to the present invention has the following configuration.
(1) The fuel cell system is
an FC system module according to the present invention;
an EV system;
a third circuit connecting the FC system module and the EV system in parallel;
and a control device for controlling the operation of the fuel cell system.
(2) The EV system
a secondary battery (BAT) for temporarily storing power generated by the FC or power obtained during regeneration, or for supplying the stored power to a power consumption source;
a motor generator (MG) for driving a rotating shaft using electric power supplied from the FC or the BAT, or for regenerating the load applied to the rotating shaft as electric power;
To convert the DC power supplied from the FC or the BAT into AC power and supply it to the MG, or convert the AC power supplied from the MG into DC power and supply it to the BAT or the AUX a second inverter (second INV) of
a second circuit connecting the BAT and the second INV;
It has
(3) The second circuit has a third positive terminal and a third negative terminal for connecting the FC system module and the EV system in parallel.
(4) The third circuit connects between the second plus terminal and the third plus terminal and between the second minus terminal and the third minus terminal, respectively, so that the FC system module and the EV It consists of connecting the system in parallel.

FCとAUXとを第1回路で接続したFCシステムモジュールにおいて、ヒータをAUXに対して並列に接続すると、FCで発生させた電力をヒータで消費させることができる。この時、ヒータとAUXとの間の適切な位置にダイオードを挿入すると、FCシステムモジュールにEVシステムが接続された場合であっても、EVシステムから供給される電力をFCに逆流させることなく、FCで発生させた電力をヒータで消費させ続けることができる。 In the FC system module in which the FC and the AUX are connected by the first circuit, if the heater is connected in parallel with the AUX, the electric power generated by the FC can be consumed by the heater. At this time, if a diode is inserted in an appropriate position between the heater and the AUX, even if the EV system is connected to the FC system module, the power supplied from the EV system will not flow back to the FC. The power generated by the FC can be continuously consumed by the heater.

このようなFCシステムモジュールを備え、かつ、DCDCコンバータを備えていない燃料電池システムにおいて、暖機運転(氷点下始動を含む)する際には、まず、BATを用いてAUXを起動させ、FCを低ストイキ比運転させる。これにより、FCが自己発熱する。この時、FCで生じた余剰電力はヒータに供給され、FCの加熱、FC以外の周辺機器の加熱、及び/又は、空調で消費される。そして、FCの自己発熱、及びヒータの熱によりFCの冷却水の温度TFCが上昇する毎に、TFC又はこれと相関があるパラメータに応じたストイキ比で運転する。その間、TFCの温度上昇に伴って、IV特性が暖機後のIV特性に近づいていく。 In a fuel cell system that includes such an FC system module and does not include a DCDC converter, when warming up (including starting below freezing), BAT is first used to start AUX and lower the FC. Operate at stoichiometric ratio. This causes the FC to self-heat. At this time, the surplus power generated by the FC is supplied to the heater and consumed for heating the FC, heating peripheral devices other than the FC, and/or air conditioning. Then, every time the temperature TFC of the cooling water of the FC rises due to the self-heating of the FC and the heat of the heater, the operation is performed at a stoichiometric ratio corresponding to TFC or a parameter correlated therewith. During that time, the IV characteristic approaches the IV characteristic after warm-up as the temperature of TFC rises.

所定時間経過後、TFCがしきい値を超えた時には、IV特性も上昇しており、BATの電圧VBATと、FCの電圧VFCとの差もしきい値以下になっている。さらに、VFCがVBATより高くなった時には、FCで発生した電力がダイオードを通ってAUX、BAT、及び/又は、MGに供給される。すなわち、ヒータの接続部とEVシステムの接続部との間にダイオードが挿入されたFCシステムモジュールを用いると、DCDCコンバータが無くても、暖機運転が可能となる。 When TFC exceeds the threshold after a predetermined period of time has passed, the IV characteristic has also increased, and the difference between the voltage V BAT of BAT and the voltage V FC of FC has become equal to or less than the threshold. Additionally, when VFC rises above VBAT, the power generated by FC is supplied through diodes to AUX, BAT , and/or MG. That is, by using an FC system module in which a diode is inserted between the connection part of the heater and the connection part of the EV system, warm-up operation becomes possible without a DCDC converter.

本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムの模式図である。1 is a schematic diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the invention; FIG. 暖機運転手段を実行するためのプログラムのフロー図である。FIG. 4 is a flowchart of a program for executing warm-up means; 通常運転モードの制御フロー図である。It is a control flow chart in normal operation mode. 本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムの模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the invention; 燃料電池のI-V特性の模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of IV characteristics of a fuel cell; 燃料電池の水温の上昇に応じてストイキ比を上昇させながら暖機運転を行う方法の模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of a method of performing warm-up operation while increasing the stoichiometric ratio in response to an increase in water temperature of the fuel cell.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 燃料電池システム(1)]
図1に、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムの模式図を示す。図1において、燃料電池システム10aは、
FCシステムモジュール20aと、
EVシステム40と、
FCシステムモジュール20aとEVシステム30とを並列に接続する第3回路60と、
燃料電池システム10aの動作を制御する制御装置(図示せず)と
を備えている。
An embodiment of the present invention will be described in detail below.
[1. Fuel cell system (1)]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the invention. In FIG. 1, the fuel cell system 10a includes:
FC system module 20a;
an EV system 40;
a third circuit 60 that connects the FC system module 20a and the EV system 30 in parallel;
and a control device (not shown) that controls the operation of the fuel cell system 10a.

[1.1. FCシステムモジュール]
FCシステムモジュール20aは、
電力を発生させるための固体高分子形燃料電池(FC)22と、
FC22を作動させる際に用いられるFC用補機(AUX)24と、
FCシステムモジュール20aとEVシステム40とが並列に接続された時に、EVシステム40からFCシステムモジュール20aに供給される電力がFC22側に逆流するのを防ぐためのダイオード26と、
FC22で得られる電力を用いて、FC22を加熱し、FC22以外の周辺機器を加熱し、及び/又は、空調を行うためのヒータ28と、
FC22とAUX24とを接続する第1回路30と
を備えている。
[1.1. FC system module]
The FC system module 20a is
a polymer electrolyte fuel cell (FC) 22 for generating electric power;
FC auxiliary equipment (AUX) 24 used when operating the FC 22;
a diode 26 for preventing the power supplied from the EV system 40 to the FC system module 20a from flowing back to the FC 22 side when the FC system module 20a and the EV system 40 are connected in parallel;
A heater 28 for heating the FC 22, heating peripheral devices other than the FC 22, and/or performing air conditioning using the power obtained from the FC 22;
A first circuit 30 connecting the FC 22 and the AUX 24 is provided.

[1.1.1. 固体高分子形燃料電池(FC)]
FC22は、燃料電池システム10aの主動力源であり、燃料電池システム10aを作動させるために必要な電力を発生させる。FC22の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。
[1.1.1. polymer electrolyte fuel cell (FC)]
The FC 22 is the main power source of the fuel cell system 10a and generates electric power required to operate the fuel cell system 10a. The structure of the FC22 is not particularly limited, and an optimum structure can be selected depending on the purpose.

[1.1.2. FC用補機(AUX)]
AUX24は、FC22を作動させる際に用いられる補助的な機器である。AUX24には、直流電力で駆動する機器が含まれていても良く、あるいは、交流電力で駆動する機器が含まれていても良い。AUX24が直流電力で駆動する機器を含む場合、当該機器は、直接、第1回路30に接続される。直流電力で駆動する機器としては、例えば、直流モータを用いたエアーコンプレッサ(ACP)、水素用コンプレッサ(HP)、冷却用ポンプ(WP)、空調用のエアコン(A/C)などがある。
[1.1.2. Auxiliary machine for FC (AUX)]
AUX 24 is auxiliary equipment used when operating FC 22 . The AUX 24 may include equipment driven by DC power, or equipment driven by AC power. If the AUX 24 includes equipment powered by DC power, the equipment is connected directly to the first circuit 30 . Devices driven by DC power include, for example, an air compressor (ACP) using a DC motor, a hydrogen compressor (HP), a cooling pump (WP), and an air conditioner (A/C).

一方、AUX24が交流電力で駆動する機器を含む場合、AUX24は、当該機器に加えて、直流電力を交流電力に変換し、当該機器に供給するための第1インバータ(第1INV)(図示せず)をさらに含む。交流電力で駆動する機器は、第1INVを介して第1回路30に接続される。 On the other hand, when the AUX 24 includes a device driven by AC power, the AUX 24 converts DC power into AC power in addition to the device and supplies a first inverter (first INV) (not shown) to the device. ) further includes. A device driven by AC power is connected to the first circuit 30 via the first INV.

交流電力により駆動する機器としては、例えば、
(a)FC22のカソードに空気を供給するためのエアーコンプレッサ(ACP)、
(b)FC22のアノードに水素を供給するための水素用コンプレッサ(HP)、
(c)FC22の冷却流路に冷却水を供給するための冷却用ポンプ(WP)、
(d)空調用のエアコン(A/C)、
などがある。
AUX24には、これらのいずれか1種が含まれていても良く、あるいは、2種以上が含まれていても良い。
Examples of equipment driven by AC power include:
(a) an air compressor (ACP) for supplying air to the cathode of the FC22;
(b) a hydrogen compressor (HP) for supplying hydrogen to the anode of the FC22;
(c) a cooling pump (WP) for supplying cooling water to the cooling channel of the FC 22;
(d) an air conditioner (A/C) for air conditioning;
and so on.
The AUX 24 may contain any one of these, or may contain two or more.

[1.1.3. ダイオード]
ダイオード26は、FCシステムモジュール20aとEVシステム40とが並列に接続された時に、EVシステム40からFCシステムモジュール20aに供給される電力がFC22側に逆流するのを防ぐためのものである。ダイオード26は、第1回路30に直列に接続されている。ダイオード26の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。
[1.1.3. diode]
The diode 26 prevents the power supplied from the EV system 40 to the FC system module 20a from flowing back to the FC 22 side when the FC system module 20a and the EV system 40 are connected in parallel. Diode 26 is connected in series with first circuit 30 . The structure of the diode 26 is not particularly limited, and an optimum structure can be selected depending on the purpose.

DCDCコンバータを備えた燃料電池システムの場合、DCDCコンバータは、電流の逆流を防止する機能も備えているので、ダイオードは不要である。一方、DCDCコンバータのない燃料電池システム10aの場合、ダイオード26を用いてFC22側への電流の逆流を防ぐ必要がある。
また、ダイオード26のみを用いてFC22側への電流の逆流を防止するためには、ダイオード26は、第1回路30上の特定の位置に接続されている必要がある。ダイオード26の接続位置については、後述する。
In the case of a fuel cell system with a DCDC converter, the DCDC converter also has a function to prevent reverse current flow, so no diode is required. On the other hand, in the case of the fuel cell system 10a without the DCDC converter, it is necessary to use the diode 26 to prevent the reverse current flow to the FC22 side.
Also, in order to prevent reverse current flow to the FC 22 side using only the diode 26 , the diode 26 must be connected to a specific position on the first circuit 30 . The connection position of the diode 26 will be described later.

[1.1.4. ヒータ]
ヒータ28は、FC22で得られる電力を用いて、FC22を加熱し、FC22以外の周辺機器を加熱し、及び/又は、空調を行うためのものである。ヒータ28の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。ヒータ28は、AUX24と並列になるように第1回路30に接続されている。
ヒータ28により加熱されるFC22以外の周辺機器としては、例えば、
(a)EVシステム40に備えられる二次電池(BAT)42、
(b)ACP、HP、FC22を加湿させる加湿器、WP、及びこれらを繋ぐ配管、
(c)空調用のエアコン(A/C)(暖房)、
などがある。
[1.1.4. heater]
The heater 28 uses power obtained from the FC 22 to heat the FC 22, heat peripheral devices other than the FC 22, and/or perform air conditioning. The structure of the heater 28 is not particularly limited, and an optimum structure can be selected according to the purpose. Heater 28 is connected to first circuit 30 in parallel with AUX 24 .
Peripheral devices other than the FC 22 heated by the heater 28 include, for example,
(a) a secondary battery (BAT) 42 provided in the EV system 40;
(b) Humidifier for humidifying ACP, HP, FC22, WP, and piping connecting these,
(c) Air conditioning (A/C) for air conditioning (heating),
and so on.

FC22を暖機モードで運転する場合、低ストイキ比運転(低効率運転)を行い、FC22を自己発熱させる。低ストイキ比運転を継続するためには、FC22から得られる余剰電力を消費し続ける必要がある。この余剰電力をEVシステム40のモータジェネレータ(MG)44で消費させることも考えられる。しかし、MG44の電力消費はドライバーの操作に依存するため、低ストイキ比運転を安定して継続させるのが難しい。これに対し、ヒータ28の電力消費は、通常、ドライバーの操作に依存しない。そのため、余剰電力をヒータ28で消費させると、低ストイキ比運転を安定して継続することができる。 When operating the FC 22 in the warm-up mode, low stoichiometric ratio operation (low efficiency operation) is performed to cause the FC 22 to self-heat. In order to continue the low stoichiometric ratio operation, it is necessary to continue consuming the surplus power obtained from the FC 22 . A motor generator (MG) 44 of the EV system 40 may consume this surplus power. However, since the power consumption of the MG44 depends on the driver's operation, it is difficult to stably continue low stoichiometric ratio operation. In contrast, heater 28 power consumption is typically independent of driver operation. Therefore, if the surplus power is consumed by the heater 28, the low stoichiometric ratio operation can be stably continued.

[1.1.5. 第1回路]
第1回路30は、FC22とAUX24とを接続するためのものである。
第1回路30は、
(a)AUX24と並列になるようにヒータ28を第1回路30に接続するための第1プラス端子32a及び第1マイナス端子32bと、
(b)ヒータ28とAUX24との間において、AUX24と並列になるようにEVシステム40を第1回路30に接続するための第2プラス端子34a及び第2マイナス端子34bと
を備えている。
[1.1.5. First circuit]
A first circuit 30 is for connecting the FC 22 and the AUX 24 .
The first circuit 30 is
(a) a first positive terminal 32a and a first negative terminal 32b for connecting the heater 28 to the first circuit 30 in parallel with the AUX 24;
(b) a second positive terminal 34a and a second negative terminal 34b for connecting the EV system 40 to the first circuit 30 in parallel with the AUX 24 between the heater 28 and the AUX 24;

ヒータ28は、第1プラス端子32a及び第1マイナス端子32bを介して、AUX24と並列になるように第1回路30に接続されている。
さらに、本実施の形態において、ダイオード26は、第1プラス端子32aと第2プラス端子34aの間の位置において、第1回路30に直列に接続されている。ダイオード26は、FC22から供給される電流の方向が順方向となるように、第1回路30に直列に接続されている。
The heater 28 is connected to the first circuit 30 in parallel with the AUX 24 via a first positive terminal 32a and a first negative terminal 32b.
Furthermore, in this embodiment, the diode 26 is connected in series with the first circuit 30 at a location between the first positive terminal 32a and the second positive terminal 34a. The diode 26 is connected in series with the first circuit 30 so that the direction of current supplied from the FC 22 is forward.

[1.1.6. FCシステムモジュールの用途]
FCシステムモジュール20aは、初めから燃料電池システム10aの構成要素として組み込まれていても良い。
一方、本発明に係るシステムモジュール20aは、モジュール化されているので、既存のEVシステムにアドオンする形で使用することもできる。既存のEV車両に対し、必要な航続距離に合わせてFCシステムモジュール20aをアドオンすることで、従来の燃料電池車両に比べて開発コストを削減しつつ、長い航続距離を持った燃料電池車両を作製することができる。
[1.1.6. Use of FC system module]
The FC system module 20a may be incorporated as a component of the fuel cell system 10a from the beginning.
On the other hand, since the system module 20a according to the present invention is modularized, it can be used as an add-on to an existing EV system. By adding the FC system module 20a to an existing EV vehicle according to the required cruising distance, a fuel cell vehicle with a long cruising range can be produced while reducing development costs compared to conventional fuel cell vehicles. can do.

[1.2. EVシステム]
EVシステム40は、
FC22で発生させた電力若しくは回生時に得られる電力を一時的に貯蔵し、又は貯蔵された電力を電力消費源に供給するための二次電池(BAT)42と、
FC22又はBAT42から供給される電力を用いて回転軸を駆動し、又は、回転軸にかかる負荷を電力として回生するためのモータジェネレータ(MG)44と、
FC22又はBAT42から供給される直流電力を交流電力に変換してMG44に供給し、又は、MG44から供給される交流電力を直流電力に変換してBAT42若しくはAUX24に供給するための第2インバータ(第2INV)46と、
BAT42と第2INV46とを接続する第2回路48と、
を備えている。
[1.2. EV system]
The EV system 40 is
A secondary battery (BAT) 42 for temporarily storing the power generated by the FC 22 or the power obtained during regeneration, or for supplying the stored power to the power consumption source;
A motor generator (MG) 44 for driving the rotating shaft using power supplied from the FC 22 or BAT 42, or for regenerating the load applied to the rotating shaft as power;
A second inverter (second 2INV) 46;
a second circuit 48 connecting the BAT 42 and the second INV 46;
It has

[1.2.1. 二次電池(BAT)]
二次電池(BAT)42は、FC22で発生させた電力若しくは回生時に得られる電力を一時的に貯蔵し、又は貯蔵された電力を電力消費源に供給するためのものである。BAT42の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。図1に示す燃料電池システム10aにおいて、電力消費源は、MG44、AUX24、ヒータ28、図示しない制御装置などが該当する。
[1.2.1. Secondary battery (BAT)]
A secondary battery (BAT) 42 is for temporarily storing power generated by the FC 22 or power obtained during regeneration, or supplying the stored power to a power consumption source. The structure of BAT42 is not particularly limited, and an optimum structure can be selected according to the purpose. In the fuel cell system 10a shown in FIG. 1, power consumption sources correspond to the MG 44, the AUX 24, the heater 28, a control device (not shown), and the like.

[1.2.2. モータジェネレータ(MG)]
モータジェネレータ(MG)44は、FC22又はBAT42から供給される電力を用いて回転軸(図示せず)を駆動し、又は、回転軸にかかる負荷を電力として回生するためのものである。MG44の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。
[1.2.2. Motor generator (MG)]
A motor generator (MG) 44 drives a rotating shaft (not shown) using power supplied from the FC 22 or BAT 42, or regenerates a load applied to the rotating shaft as power. The structure of MG44 is not particularly limited, and an optimum structure can be selected depending on the purpose.

[1.2.3. 第2インバータ(第2INV)]
第2インバータ(第2INV)46は、FC22又はBAT42から供給される直流電力を交流電力に変換してMG44に供給し、又は、MG44から供給される交流電力を直流電力に変換してBAT42若しくはAUX24に供給するためのものである。第2INV46の構造は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な構造を選択することができる。
[1.2.3. Second inverter (second INV)]
A second inverter (second INV) 46 converts the DC power supplied from the FC 22 or BAT 42 into AC power and supplies it to the MG 44, or converts the AC power supplied from the MG 44 into DC power and converts it into the BAT 42 or AUX 24. It is intended to supply The structure of the second INV 46 is not particularly limited, and an optimum structure can be selected depending on the purpose.

[1.2.4. 第2回路]
第2回路48は、BAT42と第2INV46とを接続するためのものである。第2回路48は、FCシステムモジュール20aとEVシステム40とを並列に接続するための第3プラス端子50a及び第3マイナス端子50bを備えている。
[1.2.4. Second circuit]
A second circuit 48 is for connecting the BAT 42 and the second INV 46 . The second circuit 48 has a third positive terminal 50a and a third negative terminal 50b for connecting the FC system module 20a and the EV system 40 in parallel.

[1.3. 第3回路]
第3回路60は、FCシステムモジュール20aとEVシステム30とを並列に接続するためのものである。具体的には、第3回路60は、第2プラス端子34a-第3プラス端子50a間、及び、第2マイナス端子34b-第3マイナス端子50b間をそれぞれ接続することによって、FCシステムモジュール20aとEVシステム40とを並列に接続するものからなる。
[1.3. Third circuit]
The third circuit 60 is for connecting the FC system module 20a and the EV system 30 in parallel. Specifically, the third circuit 60 connects between the second plus terminal 34a and the third plus terminal 50a and between the second minus terminal 34b and the third minus terminal 50b, respectively, so that the FC system module 20a and the EV system 40 is connected in parallel.

[1.4. 制御装置]
制御装置(図示せず)は、燃料電池システム10aの動作を制御するためのものである。制御装置は、燃料電池システム10aの各部の一般的動作を制御する手段に加えて、暖機運転手段を備えているのが好ましい。
[1.4. Control device]
A controller (not shown) is for controlling the operation of the fuel cell system 10a. The control device preferably includes warming-up means in addition to means for controlling the general operation of each part of the fuel cell system 10a.

ここで、「暖機運転手段」とは、
(A)暖機運転突入条件を満たすか否かを判断する手段Aと、
(B)暖機運転突入条件を満たした時には、暖機運転解除条件を満たすまで、
(a)BAT42を用いてAUX24を駆動し、
(b)FC22の冷却水の温度TFCが高くなるほどストイキ比が大きくなるように、TFC、及び/又は、TFCと相関があるパラメータ応じたストイキ比でFC22を低ストイキ比運転することによりFC22を自己発熱させ、かつ、
(c)低ストイキ比運転で得られた余剰電力をヒータ28で消費させ、ヒータ28を用いて、FC22を加熱し、FC22以外の周辺機器(例えば、BAT42)を加熱し、及び/又は、空調を行う
手段Bと、
(C)暖機運転解除条件を満たしたときには、通常運転モードに移行する手段Cと
を備えている手段をいう。
暖機運転手段の詳細については、後述する。
Here, the "warm-up means" is
(A) Means A for determining whether or not a warm-up inrush condition is satisfied;
(B) When the warm-up inrush condition is satisfied, until the warm-up cancellation condition is met,
(a) driving AUX 24 using BAT 42;
(b) By operating the FC 22 at a low stoichiometric ratio at a stoichiometric ratio corresponding to TFC and/or a parameter correlated with TFC such that the higher the temperature TFC of the cooling water of the FC 22, the larger the stoichiometric ratio. self-heating the FC 22, and
(c) Consume the surplus power obtained by the low stoichiometric ratio operation with the heater 28, use the heater 28 to heat the FC 22, heat the peripheral equipment other than the FC 22 (for example, the BAT 42), and / or air conditioning a means B for performing
(C) Means C for shifting to the normal operation mode when the conditions for canceling the warm-up operation are satisfied.
The details of the warm-up means will be described later.

[2. 暖機運転手段]
図2に、暖機運転手段を実行するためのプログラムのフロー図を示す。
まず、ステップ1(以下、単に「S1」ともいう)において、暖機運転突入条件を満たすか否かが判断される(手順A)。
[2. warm-up means]
FIG. 2 shows a flow chart of a program for executing the warm-up means.
First, in step 1 (hereinafter also simply referred to as "S1"), it is determined whether or not conditions for entering warm-up operation are satisfied (procedure A).

ここで、「暖機運転突入条件」とは、暖機運転を実行するか否かを判断するための条件をいう。暖機運転に突入するか否かは、具体的には、燃料電池22の冷却水の温度TFC、及び/又は、TFCと相関があるパラメータ(以下、これらを総称して「パラメータ(A)」ともいう)が、暖機運転突入のためのしきい値を超えたか否かで判断される。
FCと相関があるパラメータとしては、例えば、
(a)外気温、
(b)FC22のインピーダンス、
(c)ACP、HP、WP、加湿器、及びこれらを繋ぐ配管の温度、
などがある。パラメータ(A)には、これらのいずれか1種を用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
Here, the "warm-up entry condition" refers to a condition for determining whether or not to execute the warm-up operation. Specifically, whether or not to enter the warm-up operation is determined by the temperature T FC of the cooling water of the fuel cell 22 and/or a parameter correlated with T FC (hereinafter collectively referred to as “parameter (A )”) has exceeded a threshold value for entering warm-up operation.
Parameters correlated with TFC include, for example,
(a) outside temperature;
(b) impedance of FC22;
(c) temperature of ACP, HP, WP, humidifier, and piping connecting them;
and so on. Any one of these may be used for the parameter (A), or two or more of them may be used in combination.

暖機運転突入条件を満たしていない場合(S1:NO)には、暖機運転を実行する必要がないことを意味する。この場合には、S4に進み、通常運転モードに移行する。一方、暖機運転突入条件を満たしている場合(例えば、TFCがしきい値Tcを下回った場合)(S1:YES)には、S2に進む。 If the warm-up rush condition is not satisfied (S1: NO), it means that there is no need to perform warm-up. In this case, the process proceeds to S4 and shifts to the normal operation mode. On the other hand, if the warm-up inrush condition is satisfied (for example, if TFC is below the threshold value Tc ) (S1: YES), the process proceeds to S2.

S2では、まず、BAT42を用いてAUX24を駆動する。
次いで、FC22の冷却水の温度TFCが高くなるほどストイキ比が大きくなるように、TFC、及び/又は、TFCと相関があるパラメータ応じたストイキ比でFC22を低ストイキ比運転する。これにより、FC22が自己発熱する。
さらに、低ストイキ比運転で得られた余剰電力をヒータ28で消費させ、ヒータ28を用いて、FC22を加熱し、FC22以外の周辺機器(例えば、BAT42)を加熱し、及び/又は、空調を行う。
In S2, first, AUX24 is driven using BAT42.
Then, the FC 22 is operated at a low stoichiometric ratio at a stoichiometric ratio corresponding to TFC and/or a parameter correlated with TFC such that the higher the cooling water temperature TFC of the FC 22, the larger the stoichiometric ratio. As a result, the FC 22 self-heats.
Furthermore, the surplus power obtained by the low stoichiometric ratio operation is consumed by the heater 28, the heater 28 is used to heat the FC 22, the peripheral equipment other than the FC 22 (for example, the BAT 42), and / or air conditioning conduct.

次に、S3に進む。S3では、暖機運転解除条件を満たすか否かが判断される。
ここで、「暖機運転解除条件」とは、暖機運転を終了するか否かを判断するための条件をいう。暖機運転を終了するか否かは、暖機運転を解除するか否かを判断するためのパラメータ(以下、これを「パラメータ(B)」ともいう)が暖機運転解除のためのしきい値を超えたか否かで判断される。
パラメータ(B)の種類は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択することができる。パラメータ(B)としては、例えば、
(a)FC22の電圧VFC
(b)外気温、
(c)FC22のインピーダンス、
(d)ACP、HP、WP、加湿器及びこれらを繋ぐ配管の温度、
(e)BAT42のSOC、
(f)BAT42の温度、
などがある。
Next, go to S3. In S3, it is determined whether or not a warm-up cancellation condition is satisfied.
Here, the "condition for canceling warm-up operation" refers to a condition for determining whether or not to end warm-up operation. Whether to terminate the warm-up operation is determined by a parameter for determining whether to terminate the warm-up operation (hereinafter also referred to as "parameter (B)"). It is determined whether or not the value has been exceeded.
The type of parameter (B) is not particularly limited, and an optimum one can be selected according to the purpose. As parameter (B), for example,
(a) Voltage VFC of FC22 ,
(b) outside temperature;
(c) impedance of FC22;
(d) temperature of ACP, HP, WP, humidifier and piping connecting them;
(e) the SOC of BAT42;
(f) temperature of BAT42;
and so on.

暖機運転解除条件を満たしていない場合(S3:NO)には、S2に戻り、暖機運転解除条件を満たすまで、上述したS2及びS3のステップが繰り返される(手順B)。
一方、暖機運転解除条件を満たした場合(例えば、FC22の電圧VFCとBAT42の電圧VBATの差の絶対値がしきい値ε未満になった場合)(S3:YES)には、S4に進み、通常運転モードに移行する(手順C)。
If the warm-up cancellation condition is not satisfied (S3: NO), the process returns to S2, and the above steps S2 and S3 are repeated until the warm-up cancellation condition is met (procedure B).
On the other hand, when the warm-up cancellation condition is satisfied (for example, when the absolute value of the difference between the voltage V FC of the FC 22 and the voltage V BAT of the BAT 42 is less than the threshold value ε) (S3: YES), S4 to the normal operation mode (procedure C).

図3に、通常運転モードの制御フロー図を示す。通常運転は、具体的には、以下のようにして行われる。すなわち、S4.1において、BAT42の充電率(SOC)をFC22の発電量で制御する。具体的には、MG44の消費電力や回生による電力変動をBAT42で吸収する。それに応じてSOCが変化するので、FC22でBAT42のSOCを制御する。例えば、SOCがほぼSOC中心に維持されるように、FC22の発電量を制御する。 FIG. 3 shows a control flow diagram of the normal operation mode. Specifically, normal operation is performed as follows. That is, in S4.1, the state of charge (SOC) of BAT42 is controlled by the power generation amount of FC22. Specifically, the BAT 42 absorbs the power consumption of the MG 44 and power fluctuations due to regeneration. Since the SOC changes accordingly, the FC22 controls the SOC of the BAT42. For example, the power generation amount of the FC 22 is controlled so that the SOC is maintained substantially at the SOC center.

次に、S4.2に進む。S4.2では、ヒータ28でFC22の冷却水の温度TFCをTc以上の所定の温度に制御する。これは、通常運転モードでも、外気温や負荷条件によってTFCが低下し、Tc未満になることを防止するためである。
次に、S4.3に進む。S4.3では、通常運転を継続するか否かが判断される。継続する場合(S4.3:YES)には、S4.1に戻り、上述したS4.1~S4.3の各ステップを繰り返す。一方、通常運転を停止させる場合(S4.3:NO)には、制御を終了させる。
Next, go to S4.2. In S4.2 , the heater 28 controls the temperature TFC of the cooling water of the FC 22 to a predetermined temperature equal to or higher than Tc. This is to prevent TFC from falling below Tc due to outside air temperature and load conditions even in the normal operation mode.
Next, go to S4.3. At S4.3, it is determined whether or not to continue normal operation. When continuing (S4.3: YES), the process returns to S4.1 and repeats the steps S4.1 to S4.3 described above. On the other hand, if the normal operation is to be stopped (S4.3: NO), the control is ended.

[2. 燃料電池システム(2)]
図4に、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムの模式図を示す。なお、図4において、図1と同一の構成要素には、図1と同一の参照番号が付されている。図4において、燃料電池システム10bは、
FCシステムモジュール20bと、
EVシステム40と、
FCシステムモジュール20bとEVシステム30とを並列に接続する第3回路60と、
燃料電池システム10bの動作を制御する制御装置(図示せず)と
を備えている。
[2. Fuel cell system (2)]
FIG. 4 shows a schematic diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the invention. 4, the same components as in FIG. 1 are given the same reference numerals as in FIG. In FIG. 4, the fuel cell system 10b
FC system module 20b;
an EV system 40;
a third circuit 60 that connects the FC system module 20b and the EV system 30 in parallel;
and a control device (not shown) that controls the operation of the fuel cell system 10b.

図4において、ダイオード26は、第2マイナス端子34bと第1マイナス端子32bの間において、第1回路30に直列に接続されている。ダイオード26は、FC22から供給される電流の方向が順方向となるように、第1回路30に直列に接続されている。この点が第1の実施の形態とは異なる。燃料電池システム10bに関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、詳細な説明を省略する。 In FIG. 4, diode 26 is connected in series with first circuit 30 between second negative terminal 34b and first negative terminal 32b. The diode 26 is connected in series with the first circuit 30 so that the direction of current supplied from the FC 22 is forward. This point is different from the first embodiment. Other points regarding the fuel cell system 10b are the same as those of the first embodiment, so detailed description thereof will be omitted.

[3. 作用]
図5に、燃料電池のI-V特性の模式図を示す。FC22の通常運転時には、効率が最も高くなるように(換言すれば、電圧Vと電流Iの積が最大となるように)、ストイキ比が最適化される。一方、ストイキ比を下げると効率が低下し、FC22が自己発熱する。暖機運転時にストイキ比を意図的に下げると、FC22の自己発熱によってFC22の冷却水の温度TFCが上昇するので、暖機に要する時間を短縮することができる。
[3. action]
FIG. 5 shows a schematic diagram of IV characteristics of the fuel cell. During normal operation of the FC 22, the stoichiometric ratio is optimized so as to maximize efficiency (in other words, maximize the product of voltage V and current I). On the other hand, when the stoichiometric ratio is lowered, the efficiency is lowered and the FC 22 self-heats. If the stoichiometric ratio is intentionally lowered during warm-up operation, the self-heating of the FC 22 increases the temperature TFC of the cooling water of the FC 22, so that the time required for warm-up can be shortened.

しかしながら、低ストイキ比運転時においても、電力が発生する。この電力を何等かの方法で消費しないと、暖機に適した低ストイキ比運転を継続することができない。この場合、MG44を用いて余剰電力を消費することも考えられる。しかしながら、MG44の電力消費はドライバーの操作に依存するので、暖機に適した低ストイキ比運転を継続するのが難しい。
さらに、低ストイキ比運転をすると、FC22の電圧VFCがBAT42の電圧VBATより低くなるが、DCDCコンバータのない燃料電池システムでは、FC22の電圧VFCを、FC22と並列接続したBAT42の電圧VBATに対して独立に制御できなくなる。そのため、氷点下始動時の動作点制御の不成立化が生じる。
However, electric power is generated even during low stoichiometric ratio operation. Unless this power is consumed in some way, the low stoichiometric ratio operation suitable for warming up cannot be continued. In this case, it is conceivable to consume surplus power using MG44. However, since the power consumption of the MG44 depends on the driver's operation, it is difficult to continue low stoichiometric ratio operation suitable for warming up.
Furthermore, when operating at a low stoichiometric ratio, the voltage VFC of FC22 becomes lower than the voltage VBAT of BAT42 . Independent control over BAT is no longer possible. As a result, the operating point control becomes ineffective when starting below freezing.

これに対し、ヒータ28の電力消費は、基本的にはドライバーの操作に依存しない。そのため、余剰電力をヒータ28で消費させると、暖機に適した低ストイキ比運転を継続するのが容易化する。また、FC22とBAT42が並列接続されたシステム内の所定の位置にダイオード26を挿入すると、FC22の電圧VFCと、BAT42の電圧VBATとを独立に制御することができ、氷点下始動時の動作点制御を成立させることができる。 In contrast, the power consumption of the heater 28 basically does not depend on the operation of the driver. Therefore, if the surplus electric power is consumed by the heater 28, it becomes easier to continue the low stoichiometric ratio operation suitable for warming up. Also, by inserting a diode 26 at a predetermined position in the system in which the FC 22 and the BAT 42 are connected in parallel, the voltage V FC of the FC 22 and the voltage V BAT of the BAT 42 can be independently controlled, and the operation at below-freezing temperature start-up is possible. Point control can be established.

具体的には、FC22とAUX24とを第1回路30で接続したFCシステムモジュール20a、20bにおいて、ヒータ28をAUX24に対して並列に接続すると、FC22で発生させた電力をヒータ28で消費させることができる。この時、ヒータ28とAUX24との間の適切な位置にダイオード26を挿入すると、FCシステムモジュール20a、20bにEVシステム40が接続された場合であっても、EVシステム40から供給される電力をFC22に逆流させることなく、FC22で発生させた電力をヒータ28で消費させ続けることができる。 Specifically, in the FC system modules 20a and 20b in which the FC 22 and the AUX 24 are connected by the first circuit 30, when the heater 28 is connected in parallel to the AUX 24, the electric power generated by the FC 22 is consumed by the heater 28. can be done. At this time, if the diode 26 is inserted in an appropriate position between the heater 28 and the AUX 24, even if the EV system 40 is connected to the FC system modules 20a and 20b, the electric power supplied from the EV system 40 will be reduced. The power generated by the FC 22 can continue to be consumed by the heater 28 without backflow to the FC 22 .

このようなFCシステムモジュール20a、20bを備え、かつ、DCDCコンバータを備えていない燃料電池システム10a、10bにおいて、暖機運転(氷点下始動を含む)する際には、まず、BAT42を用いてAUX24を起動させ、FC22を低ストイキ比運転させる。これにより、FC22が自己発熱する。この時、FC22で生じた余剰電力はヒータ28に供給され、FC22の加熱、FC22以外の周辺機器の加熱、及び/又は、空調で消費される。
そして、図6に示すように、FC22の自己発熱、及びヒータ28の熱によりFC22の冷却水の温度TFCが上昇する毎に、TFC又はこれに対応するパラメータに応じたストイキ比で運転する。その間、TFCの上昇に伴って、IV特性が暖機後のIV特性に近づいていく。
In the fuel cell systems 10a, 10b having such FC system modules 20a, 20b and not having a DCDC converter, when performing warm-up operation (including starting below freezing point), first, AUX 24 is turned off using BAT 42. Start and operate the FC 22 at a low stoichiometric ratio. As a result, the FC 22 self-heats. At this time, the surplus power generated in the FC 22 is supplied to the heater 28 and consumed for heating the FC 22, heating peripheral devices other than the FC 22, and/or air conditioning.
Then, as shown in FIG. 6, every time the temperature TFC of the cooling water of the FC 22 rises due to the self-heating of the FC 22 and the heat of the heater 28, the engine is operated at a stoichiometric ratio corresponding to TFC or a parameter corresponding thereto. . During this time, the IV characteristic approaches the IV characteristic after warm-up as TFC increases.

所定時間経過後、TFCがしきい値を超えた時には、IV特性も上昇しており、BAT42の電圧VBATと、FC22の電圧VFCとの差もしきい値以下になっている。さらに、VFCがVBATより高くなった時には、FC22で発生した電力がダイオード26を通ってAUX24、BAT42、及び/又は、MG44に供給される。すなわち、ヒータ28の接続部とEVシステム40の接続部との間にダイオード26が挿入されたFCシステムモジュール20を用いると、DCDCコンバータが無くても、暖機運転が可能となる。 When TFC exceeds the threshold value after the lapse of a predetermined time, the IV characteristic has also increased, and the difference between the voltage V BAT of BAT 42 and the voltage V FC of FC 22 is below the threshold value. Additionally, power generated by FC 22 is supplied through diode 26 to AUX 24, BAT 42, and/or MG 44 when VFC rises above VBAT. That is, by using the FC system module 20 in which the diode 26 is inserted between the connecting portion of the heater 28 and the connecting portion of the EV system 40, warm-up operation becomes possible without a DCDC converter.

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is by no means limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を備えたハイブリッド車両の動力源に用いることができる。
また、本発明に係るFCシステムモジュールは、既存のEV車両にアドオンする形で使用することができる。
A fuel cell system according to the present invention can be used as a power source for a hybrid vehicle equipped with a fuel cell.
Also, the FC system module according to the present invention can be used as an add-on to an existing EV vehicle.

10a、10b 燃料電池システム
20a、20b FCシステムモジュール
22 固体高分子形燃料電池(FC)
24 FC用補機(AUX)
26 ダイオード
28 ヒータ
30 第1回路
40 EVシステム
42 二次電池(BAT)
44 モータジェネレータ(MG)
46 第2インバータ(第2INV)
48 第2回路
60 第3回路
10a, 10b fuel cell system 20a, 20b FC system module 22 polymer electrolyte fuel cell (FC)
24 FC auxiliary machine (AUX)
26 diode 28 heater 30 first circuit 40 EV system 42 secondary battery (BAT)
44 motor generator (MG)
46 second inverter (second INV)
48 Second circuit 60 Third circuit

Claims (4)

以下の構成を備えたFCシステムモジュール。
(1)前記FCシステムモジュールは、
電力を発生させるための固体高分子形燃料電池(FC)と、
前記FCを作動させる際に用いられるFC用補機(AUX)と、
前記FCシステムモジュールとEVシステムとが並列に接続された時に、前記EVシステムから前記FCシステムモジュールに供給される電力が前記FC側に逆流するのを防ぐためのダイオードと、
前記FCの暖機運転(氷点下始動を含む)時に前記FCで得られる電力を用いて、前記FCを加熱し、前記FC以外の周辺機器を加熱し、及び/又は、空調を行うためのヒータと、
前記FCと前記AUXとを接続する第1回路と
を備えている。
(2)前記第1回路は、
前記AUXと並列になるように前記ヒータを前記第1回路に接続するための第1プラス端子及び第1マイナス端子と、
前記ヒータと前記AUXとの間において、前記AUXと並列になるように前記EVシステムを前記第1回路に接続するための第2プラス端子及び第2マイナス端子と
を備え、
前記ヒータは、前記第1プラス端子及び前記第1マイナス端子を介して、前記AUXと並列になるように前記第1回路に接続されている。
(3)前記ダイオードは、前記第1プラス端子と前記第2プラス端子の間、又は、前記第2マイナス端子と前記第1マイナス端子の間のいずれかの位置において、前記第1回路に直列に接続されている。
(4)前記FCシステムモジュールは、DCDCコンバータを備えていない。
FC system module with the following configuration.
(1) The FC system module is
a polymer electrolyte fuel cell (FC) for generating electric power;
FC auxiliary equipment (AUX) used when operating the FC;
a diode for preventing reverse flow of power supplied from the EV system to the FC system module to the FC side when the FC system module and the EV system are connected in parallel;
A heater for heating the FC, heating peripheral equipment other than the FC, and/or performing air conditioning using the power obtained from the FC during warm-up operation (including sub-zero start) of the FC. ,
and a first circuit connecting the FC and the AUX.
(2) the first circuit,
a first positive terminal and a first negative terminal for connecting the heater to the first circuit in parallel with the AUX;
a second positive terminal and a second negative terminal for connecting the EV system to the first circuit in parallel with the AUX between the heater and the AUX;
The heater is connected to the first circuit in parallel with the AUX via the first plus terminal and the first minus terminal.
(3) the diode is in series with the first circuit either between the first positive terminal and the second positive terminal or between the second negative terminal and the first negative terminal; It is connected.
(4) The FC system module does not have a DCDC converter.
前記AUXは、
直流電力を交流電力に変換するための第1インバータ(第1INV)と、
前記第1INVから供給される交流電力により駆動するエアーコンプレッサ(ACP)、水素用コンプレッサ(HP)、及び/又は、冷却用ポンプ(WP)と
を備えている請求項1に記載のFCシステムモジュール。
The AUX is
a first inverter (first INV) for converting DC power to AC power;
2. The FC system module according to claim 1, comprising an air compressor (ACP), a hydrogen compressor (HP), and/or a cooling pump (WP) driven by AC power supplied from the first INV.
以下の構成を備えた燃料電池システム。
(1)前記燃料電池システムは、
請求項1又は2に記載のFCシステムモジュールと、
EVシステムと、
前記FCシステムモジュールと前記EVシステムとを並列に接続する第3回路と、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御装置と
を備えている。
(2)前記EVシステムは、
前記FCで発生させた電力若しくは回生時に得られる電力を一時的に貯蔵し、又は貯蔵された前記電力を電力消費源に供給するための二次電池(BAT)と、
前記FC又は前記BATから供給される電力を用いて回転軸を駆動し、又は、前記回転軸にかかる負荷を電力として回生するためのモータジェネレータ(MG)と、
前記FC又は前記BATから供給される直流電力を交流電力に変換して前記MGに供給し、又は、前記MGから供給される交流電力を直流電力に変換して前記BAT若しくは前記AUXに供給するための第2インバータ(第2INV)と、
前記BATと第2INVとを接続する第2回路と、
を備えている。
(3)前記第2回路は、前記FCシステムモジュールと前記EVシステムとを並列に接続するための第3プラス端子及び第3マイナス端子を備えている。
(4)前記第3回路は、前記第2プラス端子-前記第3プラス端子間、及び、前記第2マイナス端子-前記第3マイナス端子間をそれぞれ接続することによって、前記FCシステムモジュールと前記EVシステムとを並列に接続するものからなる。
(5)前記燃料電池システムは、DCDCコンバータを備えていない。
A fuel cell system with the following configuration.
(1) The fuel cell system is
The FC system module according to claim 1 or 2;
an EV system;
a third circuit connecting the FC system module and the EV system in parallel;
and a control device for controlling the operation of the fuel cell system.
(2) The EV system
a secondary battery (BAT) for temporarily storing power generated by the FC or power obtained during regeneration, or for supplying the stored power to a power consumption source;
a motor generator (MG) for driving a rotating shaft using electric power supplied from the FC or the BAT, or for regenerating the load applied to the rotating shaft as electric power;
To convert the DC power supplied from the FC or the BAT into AC power and supply it to the MG, or convert the AC power supplied from the MG into DC power and supply it to the BAT or the AUX a second inverter (second INV) of
a second circuit connecting the BAT and the second INV;
It has
(3) The second circuit has a third positive terminal and a third negative terminal for connecting the FC system module and the EV system in parallel.
(4) The third circuit connects between the second plus terminal and the third plus terminal and between the second minus terminal and the third minus terminal, respectively, so that the FC system module and the EV It consists of connecting the system in parallel.
(5) The fuel cell system does not have a DCDC converter.
前記制御装置は、暖機運転手段を備え、
前記暖機運転手段は、
(A)暖機運転突入条件を満たすか否かを判断する手段Aと、
(B)前記暖機運転突入条件を満たした時には、暖機運転解除条件を満たすまで、
(a)前記BATを用いて前記AUXを駆動し、
(b)前記FCの冷却水の温度TFCが高くなるほどストイキ比が大きくなるように、前記TFC、及び/又は、前記TFCと相関があるパラメータ応じた前記ストイキ比で前記FCを低ストイキ比運転することにより前記FCを自己発熱させ、かつ、
(c)前記低ストイキ比運転で得られた余剰電力を前記ヒータで消費させ、前記ヒータを用いて、前記FCを加熱し、前記FC以外の周辺機器を加熱し、及び/又は、空調を行う
手段Bと、
(C)前記暖機運転解除条件を満たしたときには、通常運転モードに移行する手段Cと
を備えている請求項3に記載の燃料電池システム。
The control device comprises warm-up means,
The warm-up means is
(A) Means A for determining whether or not a warm-up inrush condition is satisfied;
(B) When the warm-up entry condition is met, until the warm-up cancellation condition is met,
(a) using the BAT to drive the AUX;
(b) reduce the stoichiometric ratio of the FC at a low stoichiometric ratio corresponding to the T FC and/or a parameter correlated with the T FC so that the higher the temperature T FC of the cooling water of the FC, the larger the stoichiometric ratio; Self-heating the FC by operating at a constant rate, and
(c) The surplus power obtained by the low stoichiometric ratio operation is consumed by the heater, and the heater is used to heat the FC, heat peripheral equipment other than the FC, and/or perform air conditioning. means B;
4. The fuel cell system according to claim 3, further comprising: (C) means C for shifting to a normal operation mode when the condition for canceling the warm-up operation is satisfied.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002324562A (en) 2001-04-27 2002-11-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell power-generating system and operating method therefor
JP2007042375A (en) 2005-08-02 2007-02-15 Denso Corp Fuel cell system
JP2008123980A (en) 2006-10-20 2008-05-29 Toyota Motor Corp Fuel cell system, and starting method of fuel cell
JP2010135098A (en) 2008-12-02 2010-06-17 Toyota Motor Corp Fuel cell system and vehicle
JP2017091682A (en) 2015-11-05 2017-05-25 日産自動車株式会社 Fuel battery system control method and fuel battery system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002324562A (en) 2001-04-27 2002-11-08 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell power-generating system and operating method therefor
JP2007042375A (en) 2005-08-02 2007-02-15 Denso Corp Fuel cell system
JP2008123980A (en) 2006-10-20 2008-05-29 Toyota Motor Corp Fuel cell system, and starting method of fuel cell
JP2010135098A (en) 2008-12-02 2010-06-17 Toyota Motor Corp Fuel cell system and vehicle
JP2017091682A (en) 2015-11-05 2017-05-25 日産自動車株式会社 Fuel battery system control method and fuel battery system

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