JP2004253220A - Control device of fuel cell vehicle - Google Patents

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JP2004253220A
JP2004253220A JP2003041316A JP2003041316A JP2004253220A JP 2004253220 A JP2004253220 A JP 2004253220A JP 2003041316 A JP2003041316 A JP 2003041316A JP 2003041316 A JP2003041316 A JP 2003041316A JP 2004253220 A JP2004253220 A JP 2004253220A
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Japan
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fuel cell
voltage
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battery
control
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JP2003041316A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuma Okura
一真 大蔵
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
日産自動車株式会社
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively utilize fuel gas remaining in a fuel cell without purging it by an inert gas when stopping the operation of a fuel cell system. <P>SOLUTION: When stopping the fuel cell system, electric power generated by using fuel gas and an oxidant gas remaining in the fuel cell 1 is charged to a secondary battery 17 by a DC/DC converter 16. The DC/CD converter 16 is operated in a voltage depression mode during the period when the voltage of the fuel cell 1 exceeds the voltage of the secondary battery 17, and operated in a boosting mode when the voltage of the fuel cell 1 becomes lower than the voltage of the secondary battery 17. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両の制御装置に係り、特に、燃料電池の運転停止時の残留燃料ガスを有効利用できる燃料電池車両の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。このような燃料電池を用いた発電は、発電効率が高いことに加え、有害な物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、発電プラントや家庭用発電機など定置型発電に適用されるばかりでなく、車両の駆動源として利用するなど燃料電池車両としても近年注目されている。
【0003】
また燃料電池システムを車両に適用する場合、燃料電池と並列に2次バッテリを搭載する構成が提案されている。これは、駆動力に応じて燃料電池システムを可変運転する際に、燃料電池システムの応答性の悪さをカバーするため、起動時に燃料電池システムの補機電力を供給するため、車両減速時の回生エネルギーで2次バッテリを充電して、加速時等のアシストにそのエネルギーを利用することにより燃料電池車両の効率を向上させるためなどであり、燃料電池から供給される発電電力と2次バッテリの充放電電力とが駆動モータへ供給されるいわゆるハイブリッド燃料電池車両である。
【0004】
しかしながら、上記利点を持つ燃料電池で有るが、燃料電池システムの停止時に水素ガスおよび酸化剤ガスとしての空気の供給を停止しても、燃料電池本体内部や燃料電池周辺の配管内に残留する水素および酸素により、燃料電池の各セルの水素極と酸素極には1〔V〕近い電位差が生じてしまう。
【0005】
この電位差により、電極触媒の劣化やカーボンセパレータなどの燃料電池構成部品の腐食等が発生するという問題点があった。
【0006】
この問題点を解決する従来技術として、例えば特許文献1記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池システムの停止時に、水素燃焼器で生成した不活性ガスを用いて燃料電池本体内部および燃料電池周辺の配管内部に残留するガスをパージして、水素極と酸素極の電位差を低下させることにより、上記問題点を解決しようとするものである。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−50372号公報(第3頁、図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池車両の停止時の制御方法では、燃料電池システム内の残留ガスを不活性ガスによってパージするという構成になっていたため、燃料である水素を無駄に排出してしまうという問題点があった。
【0009】
さらに、不活性ガスを生成するために水素を燃焼していたので、発電に寄与しない水素消費が生じ、燃費性能が低下するという問題点があった。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と充放電可能な2次バッテリとの双方から駆動モータへ電力供給可能な燃料電池車両の制御装置であって、前記燃料電池と前記2次バッテリとはDC/DCコンバータを介して接続され、前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池内部に残留した燃料ガスと酸化剤ガスによって発電した電力を前記DC/DCコンバータによって前記2次バッテリに充電することを要旨とする。
【0011】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池内の残留ガスを無用に排出せずに、その残留ガスを利用して発電した電力を2次バッテリへ充電する構成としたため、残留ガスの有効利用が可能となり、燃料電池自体の劣化を防止することはもちろん、燃料電池車両の燃費性能向上、すなわち航続距離向上が図れる。
【0012】
【発明の実施の形態】
〔第1実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池車両の制御装置の第1実施形態について、図1および図2を参照して詳細に説明する。図1は第1実施形態における燃料電池システムを示す構成図、図2は第1の実施形態における制御装置の制御フローチャートである。
【0013】
まず、図1について説明する。燃料電池1は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極1a、及び酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極1bを備えている。
【0014】
空気は、大気からコンプレッサ2で加圧され、空気加湿器3で図示しない純水で加湿された後、空気極1bへ供給される。燃料電池1で未使用の空気は、空気調圧弁6から大気へ排出される。燃料電池1の空気極1bへ供給される空気の流量と圧力は、コンプレッサ2の回転数および空気調圧弁6の開度により制御される。コンプレッサ2はモータ5により駆動され、燃料電池システム制御装置4はモータ回転センサ7を参照して、モータ5が目標の回転数となるようにモータ5を制御する。また、燃料電池システム制御装置4は空気圧力センサ8を参照し、燃料電池1の空気極1bへ供給される空気の圧力が目標の圧力となるように空気調圧弁6を制御する。
【0015】
一方水素は、高圧水素ボンベ9から水素調圧弁10、エゼクタ11を経由して、水素加湿器12で図示しない純水で加湿された後、燃料電池1の水素極1aへ供給される。燃料電池1で未使用の水素は、エゼクタ11によって燃料電池1の水素極1aへ循環される。燃料電池1の水素極1aへ供給される水素の圧力は、水素調圧弁10の開度で制御される。燃料電池システム制御装置4は水素圧力センサ13を参照し、燃料電池1の水素極1aへ供給する水素の圧力が目標の圧力となるように水素調圧弁10を制御する。水素パージ弁14は、燃料電池1の状態に応じて開閉することにより、燃料電池1内部の水つまりや、空気極1bから水素極1aへの空気のリークによる出力低下および効率低下を防止するために使用するものである。
【0016】
セル電圧センサ15は、燃料電池1内に直列に接続されたセルの各電極間の電圧を測定するものであり、燃料電池システム制御装置4に読み込まれる。燃料電池システム制御装置4は、セル電圧低下を検知して各種制御を行う。また、2次バッテリ17がDC/DCコンバータ16を介して燃料電池1に接続され、図示しない電気負荷が2次バッテリ17とDC/DCコンバータ16間、あるいは、燃料電池1とDC/DCコンバータ16間に接続される。
【0017】
DC/DCコンバータ16は、入力電圧を昇圧して出力する昇圧動作モードと、入力電圧を降圧して出力する降圧動作モードとを備えている。そして、燃料電池1の電圧が2次バッテリ17の電圧より高い場合には、降圧動作モードで燃料電池1の発電電力を2次バッテリ17へ充電し、燃料電池1の電圧が2次バッテリ17の電圧以下の場合には、昇圧動作モードで燃料電池1の発電電力を2次バッテリ17へ充電することができるようになっている。
【0018】
燃料電池システム制御装置4は、2次バッテリ17の電圧を電圧センサ18から読み込むことができる。電気負荷とは、燃料電池車両を駆動する駆動モータ等であり、燃料電池システム制御装置4によって制御される。燃料電池システム制御装置4は、DC/DCコンバータ16を制御することにより、燃料電池1および2次バッテリ17から電気負荷に供給する電力の配分を可変することができる。
【0019】
次に、燃料電池システム制御装置4における燃料電池システム停止時の処理について図2のフローチャートを参照して説明する。
【0020】
まず、ステップS1では、燃料電池システムを停止するために、コンプレッサ2を停止することにより燃料電池1への空気供給を停止するとともに、空気調圧弁6をオープンすることにより燃料電池1内の空気圧力を大気圧に下げる。また、水素調圧弁10をクローズすることにより燃料電池1への水素供給を停止するとともに、水素パージ弁14をオープンすることにより燃料電池1内の水素圧力を大気圧に下げる。
【0021】
ステップS2では、セル電圧センサ15からの各セル電圧の合計である燃料電池総電圧と電圧センサから読み込む2次バッテリ17の総電圧とを比較し、燃料電池総電圧が高ければステップS3へ、2次バッテリ総電圧が高ければステップS4へ処理を移行する。
【0022】
ステップS3では、燃料電池総電圧の方が高いので、DC/DCコンバータ16を燃料電池1から2次バッテリ17への降圧動作モードに制御することにより、燃料電池1内に残留する水素および空気により燃料電池を発電させ、その発電電力を2次バッテリ17へ充電させる。
【0023】
ステップS4では、2次バッテリ総電圧の方が高いので、DC/DCコンバータ16を燃料電池1から2次バッテリ17への昇圧動作モードに制御することにより、燃料電池1内に残留する水素および空気により発電させ、その発電電力を2次バッテリ17へ充電させる。
【0024】
ステップS5では、ステップS3あるいはステップS4での残留ガスによる発電処理の終了判定を行う。ここでは、燃料電池1の総電圧が所定電圧より低下したかどうかを判定する。この所定電圧(第1の所定値)は発電を継続することにより燃料電池1が劣化しない最低保証値の電圧であり、燃料電池の特性により決定される。
【0025】
また、燃料電池1を構成する各セル間でばらつきが顕著なる場合においては、総電圧ではなく各セル電圧又は所定数直列接続された各セル群の電圧の最低値が第2の所定値以下になったか否かで判定することが好ましい。
【0026】
この第2の所定値は、発電を継続することにより、セルまたはセル群が劣化しない最低保証値の電圧であり、第1の所定値と同様に燃料電池の特性により決定される。
【0027】
図3は、このように燃料電池システム制御装置4で制御した結果の燃料電池1と2次バッテリ17の電圧変化の様子を表したものである。停止時の処理の開始時は、燃料電池1の総電圧が2次バッテリ17の総電圧より高くなっているが、DC/DCコンバータ16を降圧動作させて、燃料電池の電力を2次バッテリへ充電することにより燃料電池1内の残留ガスが消費され、燃料電池の総電圧が低下する。
【0028】
燃料電池1の総電圧が2次バッテリ17の総電圧より低下すると(図中A点)、DC/DCコンバータ16を昇圧動作に切り換えることにより、燃料電池1の発電を継続させ、引き続き残留ガスを消費しながら2次バッテリへの充電を継続する。さらに燃料電池1の総電圧が低下し、停止処理終了電圧に達すると(図中B点)、DC/DCコンバータ16を停止し、停止処理を終了する。
【0029】
このように制御することにより、燃料電池システム停止時に、燃料電池1内の残留ガスを発電により消費することができるので、燃料電池1の水素極と酸素極の電位差を低下させることが可能となり、燃料電池1の劣化を防止することができる。しかも、発電電力を2次バッテリ17へ充電することができるので、燃料電池車両の航続距離向上が図れる。
【0030】
〔第2実施形態〕
本発明の第2の実施形態は、DC/DCコンバータの制御方法を改善することにより、燃料電池内の残留ガスによる発電を効率的に行うものである。以下、図4、5を用いて説明する。
【0031】
図4は、燃料電池1の残留ガス濃度による電流−電圧特性を示すものである。ここで、残留ガス濃度大とは、通常運転時と同様、燃料電池1の水素極と空気極に、それぞれ水素、空気が供給されつづけている状態であり、残留ガス濃度小とは、燃料電池1の水素極と空気極へのガス供給が停止している中で発電を継続し、水素極で水素が、空気極で酸素がそれぞれ消費されていく状態である。
【0032】
つまり、本発明の第1の実施形態で説明した停止処理中には、残留ガス濃度大から残留ガス濃度小の状態に変化することになる。この場合、図4に示すように、残留ガス濃度小の状態で大きな発電を行うと、燃料電池1の総電圧、すなわち各セル電圧が低下してしまい、発電を継続することができなくなることを意味する。
【0033】
このことを考慮した燃料電池システム制御装置4の停止処理フローを図5に示す。なお、このフローは、本発明の第1の実施形態における燃料電池システム制御装置4の停止処理フローのうち、ステップS3のDC/DCコンバータ16の降圧動作の処理内容を示したものである。ステップS4のDC/DCコンバータ16の昇圧動作の処理内容も基本的に同じものとなるため、ここでは説明を省略する。
【0034】
ステップS31では、燃料電池1の総電圧を読み込む。総電圧は、セル電圧センサ15の検出結果から総和演算により求めてもよいし、別に総電圧を測定するための電圧センサを接続してもよい。ステップS32では、燃料電池1の総電圧と所定電圧を比較し、総電圧が高ければステップS33へ、総電圧が低ければステップS34へそれぞれ移行する。
【0035】
ここで、所定電圧とは、図4におけるC点、D点、E点を結ぶ電圧であり、燃料電池1が劣化しない最低電圧など燃料電池の特性により決定される。また、燃料電池1を構成する各セル間でばらつきがある場合、総電圧ではなく各セル電圧または所定数直列接続された各セル群の電圧の最低値で判定することが好ましい。
【0036】
ステップS33では、発電電流が増加するようにDC/DCコンバータ16を制御する。ステップS34では、発電電流が減少するようにDC/DCコンバータ16を制御する。ステップS33およびステップS34における電流増加幅、減少幅は、制御周期やDC/DCコンバータ16の応答性などを考慮して決定される。ステップS33、ステップS34の処理を終了すると、DC/DCコンバータの降圧動作処理を終了する。
【0037】
ここで説明したようにDC/DCコンバータ16を制御することにより、残留ガスによる発電中に、燃料電池1の総電圧が所定値より低下することを防止することができるため、燃料電池1が劣化することなく発電状態を継続することが可能となり、残留ガスを有効に発電によって処理できるという効果がある。
【0038】
また、所定電圧を燃料電池1の特性で決定することとしたが、DC/DCコンバータ16の特性や2次バッテリ17の電圧状態を考慮して決定することも可能である。例えば、所定電圧をあまり低く設定しすぎると、2次バッテリ17との電圧差が大きくなり、昇圧率が大きくなるためDC/DCコンバータ16の効率が低下することが考えられる。
【0039】
また、昇圧率が大きすぎるとDC/DCコンバータ16の入力電流が大きくなり、DC/DCコンバータ16の定格を超えることも起こりえる。したがって、燃料電池1の特性だけでなく、DC/DCコンバータの効率等を考慮することにより、さらに残留ガスによる発電を効率よく行うことができる。
【0040】
〔第3実施形態〕
図6は本発明の第3の実施形態における燃料電池システムを示す構成図であり、図1に放電抵抗19を付加したものである。放電抵抗19は、燃料電池1の正極と負極の間に設置される。第1の実施形態および第2の実施形態では、燃料電池1の総電圧が所定値を下回るまで残留ガスによる発電を行い、その電力を2次バッテリ17に充電することにより残留ガスを消費し、燃料電池1の電圧を低下させるというものであった。第3の実施形態では、さらに以下の点で改良したものである。
【0041】
まず第1に、残留ガスを消費して、燃料電池1の電圧を低下させた場合、燃料電池1内の電解質膜付近の残留ガスのみが消費されている恐れがある。その場合、停止処理を終了した後に、燃料電池システム内の残留ガスの拡散により、電解質膜付近の残留ガス濃度が再び上昇することがあり、したがって、燃料電池1の電圧も再上昇することが懸念される。
【0042】
本実施形態では放電抵抗19を設置することにより、放電抵抗を流れる電流で残留ガスを消費することができるため、燃料電池1の劣化を防止することができる。放電抵抗は、拡散による残留ガスを消費するだけの容量があれば良く、したがって、定常出力時の負荷に比べて比較的抵抗値が高く電力容量の小さい小型の抵抗を使用することができる。また、通常動作時のリーク電流も小さくて済む。
【0043】
第2に、DC/DCコンバータ16や2次バッテリ17の故障が発生した状態で燃料電池システムを停止しなければならない場合、残留ガスを消費するための停止処理を行うことができない。したがって、燃料電池1内の残留ガスのため、燃料電池1の電圧が高いまま放置せざるを得なく、燃料電池1の劣化が起きてしまう。放電抵抗19を設置することにより、上記故障が生じた場合にも放電抵抗を流れる電流で残留ガスを消費することができるため、燃料電池1の劣化を防止することができる。
【0044】
また、図6では、放電抵抗19を直接、燃料電池1の正極と負極の間に設置したが、もちろん、リレーを介して接続することも可能である。その場合、停止時にリレーへの電源供給が停止した際にオンする、いわゆるノーマルクローズのリレーを選択するべきである。燃料電池システム制御装置4は、通常発電時にのみ本リレーをオープンに制御することにより、通常動作時に放電抵抗への通電を抑制し効率低下を防止することができる。
【0045】
加えて、通常動作時の効率低下を考慮しないでよいため、リレーを用いない場合に比べて比較的抵抗値が低く電力容量の大きい放電抵抗を設置することが可能となり、DC/DCコンバータ16や2次バッテリ17の故障時にも、速やかに燃料電池1の電圧を低下させることができ、一層、燃料電池1の劣化を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【図2】第1の実施形態における燃料電池システム制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図3】第1の実施形態における燃料電池システム制御装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図4】第2の実施形態における燃料電池の電流−電圧特性を示す特性図である。
【図5】第2の実施形態における燃料電池システム制御装置の一部の動作を示すフローチャートである。
【図6】第3の実施形態における燃料電池システムを示す構成図である。
【符号の説明】
1:燃料電池
1a:水素極
1b:空気極
2:コンプレッサ
3:空気加湿器
4:燃料電池システム制御装置
5:モータ
6:空気調圧弁
7:モータ回転センサ
8:空気圧力センサ
9:高圧水素ボンベ
10:水素調圧弁
11:エゼクタ
12:水素加湿器
13:水素圧力センサ
14:水素パージ弁
15:セル電圧センサ
16:DC/DCコンバータ
17:2次バッテリ
18:電圧センサ
19:放電抵抗
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a fuel cell vehicle, and more particularly to a control device for a fuel cell vehicle that can effectively use residual fuel gas when the operation of the fuel cell is stopped.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a fuel cell, a fuel gas such as a hydrogen gas and an oxidizing gas having oxygen are electrochemically reacted via an electrolyte to directly extract electric energy from between electrodes. Power generation using such a fuel cell has the advantages of high power generation efficiency and extremely low emission of harmful substances, so it is only applied to stationary power generation such as power plants and household generators. In recent years, fuel cell vehicles have attracted attention as a driving source for vehicles.
[0003]
When a fuel cell system is applied to a vehicle, a configuration has been proposed in which a secondary battery is mounted in parallel with the fuel cell. This is because when the fuel cell system is variably operated in accordance with the driving force, in order to cover the poor response of the fuel cell system, the auxiliary power of the fuel cell system is supplied at the time of start-up, so that the regeneration at the time of vehicle deceleration is performed. This is to improve the efficiency of the fuel cell vehicle by charging the secondary battery with energy and using the energy to assist during acceleration or the like. This is a so-called hybrid fuel cell vehicle in which discharge power is supplied to a drive motor.
[0004]
However, although the fuel cell has the above advantages, even if the supply of air as the hydrogen gas and the oxidizing gas is stopped when the fuel cell system is stopped, the hydrogen remaining in the fuel cell main body and the piping around the fuel cell remains. Due to the oxygen and oxygen, a potential difference close to 1 [V] is generated between the hydrogen electrode and the oxygen electrode of each cell of the fuel cell.
[0005]
Due to this potential difference, there has been a problem that deterioration of the electrode catalyst and corrosion of fuel cell components such as a carbon separator occur.
[0006]
As a conventional technique for solving this problem, for example, a technique described in Patent Document 1 is known. According to this technique, when the fuel cell system is stopped, the gas remaining in the fuel cell body and the piping around the fuel cell is purged using an inert gas generated in the hydrogen combustor, and the hydrogen electrode and the oxygen electrode are purged. The above problem is intended to be solved by reducing the potential difference of the above.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-50372 (page 3, FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional control method for stopping the fuel cell vehicle described above, since the residual gas in the fuel cell system is purged by the inert gas, there is a problem that hydrogen as fuel is wastefully discharged. There was a point.
[0009]
Further, since hydrogen is burned to generate an inert gas, there is a problem that hydrogen consumption not contributing to power generation occurs and fuel efficiency is reduced.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above problems by providing a fuel cell vehicle that can supply power to a drive motor from both a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas and a chargeable / dischargeable secondary battery. The fuel cell and the secondary battery are connected via a DC / DC converter, and after the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell is stopped, the fuel cell and the secondary battery remain inside the fuel cell. The point is that the secondary battery is charged with the electric power generated by the fuel gas and the oxidizing gas thus generated by the DC / DC converter.
[0011]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the power generated by using the residual gas is charged to the secondary battery without unnecessarily discharging the residual gas in the fuel cell, the residual gas can be effectively used, It is possible not only to prevent the deterioration of the fuel cell itself, but also to improve the fuel efficiency of the fuel cell vehicle, that is, to improve the cruising distance.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
Next, a first embodiment of a control device for a fuel cell vehicle according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system according to the first embodiment, and FIG. 2 is a control flowchart of a control device according to the first embodiment.
[0013]
First, FIG. 1 will be described. The fuel cell 1 includes a hydrogen electrode 1a to which hydrogen as a fuel gas is supplied, and an air electrode 1b to which air as an oxidizing gas is supplied.
[0014]
The air is pressurized by the compressor 2 from the atmosphere, humidified by pure water (not shown) by the air humidifier 3, and then supplied to the air electrode 1b. Air unused in the fuel cell 1 is discharged from the air pressure regulating valve 6 to the atmosphere. The flow rate and pressure of the air supplied to the air electrode 1b of the fuel cell 1 are controlled by the rotation speed of the compressor 2 and the opening of the air pressure regulating valve 6. The compressor 2 is driven by a motor 5, and the fuel cell system control device 4 controls the motor 5 with reference to the motor rotation sensor 7 so that the motor 5 has a target rotation speed. Further, the fuel cell system controller 4 refers to the air pressure sensor 8 and controls the air pressure regulating valve 6 so that the pressure of the air supplied to the air electrode 1b of the fuel cell 1 becomes a target pressure.
[0015]
On the other hand, hydrogen is humidified by pure water (not shown) by a hydrogen humidifier 12 from a high-pressure hydrogen cylinder 9 via a hydrogen pressure regulating valve 10 and an ejector 11, and then supplied to a hydrogen electrode 1a of the fuel cell 1. Hydrogen unused in the fuel cell 1 is circulated by the ejector 11 to the hydrogen electrode 1a of the fuel cell 1. The pressure of hydrogen supplied to the hydrogen electrode 1 a of the fuel cell 1 is controlled by the opening of the hydrogen pressure regulating valve 10. The fuel cell system control device 4 refers to the hydrogen pressure sensor 13 and controls the hydrogen pressure regulating valve 10 so that the pressure of hydrogen supplied to the hydrogen electrode 1a of the fuel cell 1 becomes a target pressure. The hydrogen purge valve 14 is opened and closed in accordance with the state of the fuel cell 1 to prevent a decrease in output and a decrease in efficiency due to water inside the fuel cell 1 or leakage of air from the air electrode 1b to the hydrogen electrode 1a. It is used for
[0016]
The cell voltage sensor 15 measures the voltage between the electrodes of the cells connected in series in the fuel cell 1 and is read by the fuel cell system controller 4. The fuel cell system control device 4 detects the cell voltage drop and performs various controls. A secondary battery 17 is connected to the fuel cell 1 via a DC / DC converter 16, and an electric load (not shown) is applied between the secondary battery 17 and the DC / DC converter 16 or between the fuel cell 1 and the DC / DC converter 16. Connected between them.
[0017]
The DC / DC converter 16 has a step-up operation mode in which an input voltage is stepped up and output, and a step-down operation mode in which the input voltage is stepped down and output. When the voltage of the fuel cell 1 is higher than the voltage of the secondary battery 17, the power generated by the fuel cell 1 is charged to the secondary battery 17 in the step-down operation mode, and the voltage of the fuel cell 1 is reduced. When the voltage is equal to or lower than the voltage, the secondary battery 17 can be charged with the power generated by the fuel cell 1 in the boost operation mode.
[0018]
The fuel cell system control device 4 can read the voltage of the secondary battery 17 from the voltage sensor 18. The electric load is a drive motor or the like for driving the fuel cell vehicle, and is controlled by the fuel cell system control device 4. By controlling the DC / DC converter 16, the fuel cell system control device 4 can vary the distribution of power supplied from the fuel cell 1 and the secondary battery 17 to the electric load.
[0019]
Next, processing when the fuel cell system controller 4 stops the fuel cell system will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0020]
First, in step S1, in order to stop the fuel cell system, air supply to the fuel cell 1 is stopped by stopping the compressor 2 and air pressure in the fuel cell 1 is opened by opening the air pressure regulating valve 6. To atmospheric pressure. The hydrogen supply to the fuel cell 1 is stopped by closing the hydrogen pressure regulating valve 10, and the hydrogen pressure in the fuel cell 1 is reduced to the atmospheric pressure by opening the hydrogen purge valve 14.
[0021]
In step S2, the total voltage of the fuel cell, which is the sum of the cell voltages from the cell voltage sensor 15, is compared with the total voltage of the secondary battery 17 read from the voltage sensor. If the next battery total voltage is high, the process proceeds to step S4.
[0022]
In step S3, since the total voltage of the fuel cell is higher, the DC / DC converter 16 is controlled to the step-down operation mode from the fuel cell 1 to the secondary battery 17, so that the hydrogen and air remaining in the fuel cell 1 The fuel cell is caused to generate power, and the generated power is charged to the secondary battery 17.
[0023]
In step S4, since the total voltage of the secondary battery is higher, the DC / DC converter 16 is controlled to the step-up operation mode from the fuel cell 1 to the secondary battery 17, whereby hydrogen and air remaining in the fuel cell 1 are controlled. And the generated power is charged in the secondary battery 17.
[0024]
In step S5, it is determined whether the power generation process using the residual gas in step S3 or step S4 is completed. Here, it is determined whether or not the total voltage of the fuel cell 1 has dropped below a predetermined voltage. This predetermined voltage (first predetermined value) is a minimum guaranteed voltage at which the fuel cell 1 does not deteriorate due to continued power generation, and is determined by the characteristics of the fuel cell.
[0025]
When the variation among the cells constituting the fuel cell 1 is remarkable, the minimum value of each cell voltage or the predetermined number of cell groups connected in series, instead of the total voltage, becomes equal to or less than the second predetermined value. It is preferable to make a determination based on whether or not this has occurred.
[0026]
The second predetermined value is a voltage of a minimum guaranteed value at which the cell or the cell group is not deteriorated by continuing the power generation, and is determined based on the characteristics of the fuel cell similarly to the first predetermined value.
[0027]
FIG. 3 shows how the voltage of the fuel cell 1 and the voltage of the secondary battery 17 change as a result of the control by the fuel cell system control device 4 as described above. At the start of the stop process, the total voltage of the fuel cell 1 is higher than the total voltage of the secondary battery 17, but the DC / DC converter 16 is stepped down to transfer the power of the fuel cell to the secondary battery. By charging, the residual gas in the fuel cell 1 is consumed, and the total voltage of the fuel cell decreases.
[0028]
When the total voltage of the fuel cell 1 becomes lower than the total voltage of the secondary battery 17 (point A in the figure), the DC / DC converter 16 is switched to the step-up operation, thereby continuing the power generation of the fuel cell 1 and continuously removing the residual gas. Continue charging the secondary battery while consuming. When the total voltage of the fuel cell 1 further decreases and reaches the stop processing end voltage (point B in the figure), the DC / DC converter 16 is stopped, and the stop processing ends.
[0029]
By performing such control, when the fuel cell system is stopped, the residual gas in the fuel cell 1 can be consumed by power generation, so that the potential difference between the hydrogen electrode and the oxygen electrode of the fuel cell 1 can be reduced, The deterioration of the fuel cell 1 can be prevented. In addition, since the generated power can be charged into the secondary battery 17, the cruising distance of the fuel cell vehicle can be improved.
[0030]
[Second embodiment]
The second embodiment of the present invention improves the control method of the DC / DC converter to efficiently generate electric power by using residual gas in the fuel cell. This will be described below with reference to FIGS.
[0031]
FIG. 4 shows current-voltage characteristics depending on the residual gas concentration of the fuel cell 1. Here, the high residual gas concentration refers to a state in which hydrogen and air are continuously supplied to the hydrogen electrode and the air electrode of the fuel cell 1, respectively, as in the normal operation. In this state, power generation is continued while gas supply to the hydrogen electrode and the air electrode is stopped, and hydrogen is consumed at the hydrogen electrode and oxygen is consumed at the air electrode.
[0032]
That is, during the stop processing described in the first embodiment of the present invention, the state changes from a high residual gas concentration to a low residual gas concentration. In this case, as shown in FIG. 4, if large power generation is performed in a state where the residual gas concentration is low, the total voltage of the fuel cell 1, that is, each cell voltage decreases, and it is impossible to continue power generation. means.
[0033]
FIG. 5 shows a flow of the stop processing of the fuel cell system control device 4 in consideration of this. This flow shows the details of the step-down operation of the DC / DC converter 16 in step S3 in the stop processing flow of the fuel cell system control device 4 in the first embodiment of the present invention. Since the processing content of the step-up operation of the DC / DC converter 16 in step S4 is basically the same, the description is omitted here.
[0034]
In step S31, the total voltage of the fuel cell 1 is read. The total voltage may be obtained by the sum calculation from the detection result of the cell voltage sensor 15, or a voltage sensor for measuring the total voltage may be separately connected. In step S32, the total voltage of the fuel cell 1 is compared with a predetermined voltage. If the total voltage is high, the process proceeds to step S33, and if the total voltage is low, the process proceeds to step S34.
[0035]
Here, the predetermined voltage is a voltage connecting points C, D, and E in FIG. 4, and is determined by characteristics of the fuel cell such as a minimum voltage at which the fuel cell 1 does not deteriorate. Further, when there is a variation among the cells constituting the fuel cell 1, it is preferable to make the determination based on the minimum value of each cell voltage or the voltage of each cell group connected in series by a predetermined number instead of the total voltage.
[0036]
In step S33, the DC / DC converter 16 is controlled so that the generated current increases. In step S34, the DC / DC converter 16 is controlled so that the generated current decreases. The current increase width and the current decrease width in steps S33 and S34 are determined in consideration of the control cycle, the responsiveness of the DC / DC converter 16, and the like. When the processing of steps S33 and S34 is completed, the step-down operation processing of the DC / DC converter is completed.
[0037]
By controlling the DC / DC converter 16 as described above, it is possible to prevent the total voltage of the fuel cell 1 from dropping below a predetermined value during power generation by the residual gas. This makes it possible to continue the power generation state without performing the operation, and there is an effect that the residual gas can be effectively treated by the power generation.
[0038]
Further, although the predetermined voltage is determined based on the characteristics of the fuel cell 1, the predetermined voltage may be determined in consideration of the characteristics of the DC / DC converter 16 and the voltage state of the secondary battery 17. For example, if the predetermined voltage is set too low, the voltage difference between the secondary battery 17 and the secondary battery 17 increases, and the boosting rate increases, so that the efficiency of the DC / DC converter 16 may decrease.
[0039]
If the step-up ratio is too large, the input current of the DC / DC converter 16 increases, and the rating of the DC / DC converter 16 may be exceeded. Therefore, by considering not only the characteristics of the fuel cell 1 but also the efficiency of the DC / DC converter and the like, it is possible to more efficiently generate electric power using residual gas.
[0040]
[Third embodiment]
FIG. 6 is a configuration diagram showing a fuel cell system according to the third embodiment of the present invention, in which a discharge resistor 19 is added to FIG. The discharge resistor 19 is provided between the positive electrode and the negative electrode of the fuel cell 1. In the first embodiment and the second embodiment, the residual gas is generated until the total voltage of the fuel cell 1 falls below a predetermined value, and the electric power is charged into the secondary battery 17 to consume the residual gas. That is, the voltage of the fuel cell 1 is reduced. The third embodiment is further improved in the following points.
[0041]
First, when the residual gas is consumed and the voltage of the fuel cell 1 is reduced, only the residual gas near the electrolyte membrane in the fuel cell 1 may be consumed. In this case, after the termination process, the residual gas concentration in the vicinity of the electrolyte membrane may increase again due to the diffusion of the residual gas in the fuel cell system, and therefore, the voltage of the fuel cell 1 may increase again. Is done.
[0042]
In the present embodiment, by installing the discharge resistor 19, the residual gas can be consumed by the current flowing through the discharge resistor, so that the deterioration of the fuel cell 1 can be prevented. The discharge resistor only needs to have a capacity enough to consume the residual gas due to diffusion. Therefore, a small resistor having a relatively high resistance value and a small power capacity can be used as compared with a load at the time of steady output. Also, the leakage current during normal operation can be reduced.
[0043]
Second, when the fuel cell system must be stopped in a state where the DC / DC converter 16 and the secondary battery 17 have failed, a stop process for consuming the residual gas cannot be performed. Therefore, because of the residual gas in the fuel cell 1, the fuel cell 1 must be left with a high voltage, and the fuel cell 1 is deteriorated. By installing the discharge resistor 19, the residual gas can be consumed by the current flowing through the discharge resistor even when the above-mentioned failure occurs, so that deterioration of the fuel cell 1 can be prevented.
[0044]
Further, in FIG. 6, the discharge resistor 19 is directly installed between the positive electrode and the negative electrode of the fuel cell 1, but may be connected via a relay. In that case, a so-called normally closed relay that is turned on when the power supply to the relay is stopped at the time of stopping should be selected. The fuel cell system control device 4 controls the relay to be open only during normal power generation, thereby suppressing power supply to the discharge resistor during normal operation and preventing a decrease in efficiency.
[0045]
In addition, since there is no need to consider the decrease in efficiency during normal operation, it is possible to install a discharge resistor having a relatively low resistance value and a large power capacity as compared with a case where a relay is not used. Even when the secondary battery 17 fails, the voltage of the fuel cell 1 can be quickly reduced, and the deterioration of the fuel cell 1 can be further prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a flowchart illustrating an operation of the fuel cell system control device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a timing chart showing an operation of the fuel cell system control device according to the first embodiment.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing current-voltage characteristics of the fuel cell according to the second embodiment.
FIG. 5 is a flowchart illustrating an operation of a part of the fuel cell system control device according to the second embodiment.
FIG. 6 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system according to a third embodiment.
[Explanation of symbols]
1: fuel cell 1a: hydrogen electrode 1b: air electrode 2: compressor 3: air humidifier 4: fuel cell system controller 5: motor 6: air pressure regulating valve 7: motor rotation sensor 8: air pressure sensor 9: high-pressure hydrogen cylinder 10: Hydrogen pressure regulating valve 11: Ejector 12: Hydrogen humidifier 13: Hydrogen pressure sensor 14: Hydrogen purge valve 15: Cell voltage sensor 16: DC / DC converter 17: Secondary battery 18: Voltage sensor 19: Discharge resistance

Claims (6)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と充放電可能な2次バッテリとの双方から駆動モータへ電力供給可能な燃料電池車両の制御装置であって、
    前記燃料電池と前記2次バッテリとはDC/DCコンバータを介して接続され、
    前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止した後に、前記燃料電池内部に残留した燃料ガスと酸化剤ガスによって発電した電力を前記DC/DCコンバータによって前記2次バッテリに充電することを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
    A control device for a fuel cell vehicle capable of supplying power to a drive motor from both a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas and a rechargeable secondary battery,
    The fuel cell and the secondary battery are connected via a DC / DC converter,
    After the supply of the fuel gas and the oxidizing gas to the fuel cell is stopped, charging the electric power generated by the fuel gas and the oxidizing gas remaining in the fuel cell to the secondary battery by the DC / DC converter. A control device for a fuel cell vehicle.
  2. 前記DC/DCコンバータによって前記2次バッテリに充電する際に、燃料電池の電圧が2次バッテリの電圧を超えている場合には、DC/DCコンバータは降圧動作モードで動作し、燃料電池の電圧が2次バッテリの電圧以下になるとDC/DCコンバータは昇圧動作モードで動作することを特徴とする請求項1記載の燃料電池車両の制御装置。When charging the secondary battery with the DC / DC converter, if the voltage of the fuel cell exceeds the voltage of the secondary battery, the DC / DC converter operates in the step-down operation mode, and the voltage of the fuel cell is reduced. 2. The control device for a fuel cell vehicle according to claim 1, wherein the DC / DC converter operates in a step-up operation mode when the voltage falls below the voltage of the secondary battery.
  3. 前記燃料電池の総電圧値が第1の所定値以下になったときに、前記DC/DCコンバータによる取り出し電流を減少、または前記DC/DCコンバータを停止することを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料電池車両の制御装置。2. The method according to claim 1, wherein when the total voltage value of the fuel cell becomes equal to or less than a first predetermined value, a current taken out by the DC / DC converter is reduced or the DC / DC converter is stopped. Item 3. The control device for a fuel cell vehicle according to Item 2.
  4. 前記燃料電池の各セルの電圧値又は所定数直列接続された各セル群の電圧値の最低値が第2の所定値以下になったときに、前記DC/DCコンバータによる取り出し電流を減少、または前記DC/DCコンバータを停止することを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料電池車両の制御装置。When the minimum value of the voltage value of each cell of the fuel cell or the voltage value of each predetermined number of cell groups connected in series is equal to or less than a second predetermined value, the current taken out by the DC / DC converter is reduced, or 3. The control device for a fuel cell vehicle according to claim 1, wherein the DC / DC converter is stopped.
  5. 前記燃料電池の電極間には、放電抵抗を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池車両の制御装置。The control device for a fuel cell vehicle according to any one of claims 1 to 4, wherein a discharge resistor is provided between the electrodes of the fuel cell.
  6. 前記放電抵抗は、前記燃料電池システムの停止後に導通するリレーを介して前記燃料電池の電極に接続されることを特徴とする請求項5の燃料電池車両の制御装置。6. The control device for a fuel cell vehicle according to claim 5, wherein the discharge resistance is connected to an electrode of the fuel cell via a relay that conducts after the fuel cell system is stopped.
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