JP2006260987A - Fuel cell system - Google Patents

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知明 中島
Takeshi Tejima
剛 手嶋
Akira Akagawa
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system improved in both fuel efficiency by reducing reactive gas consumption and stability at a start. <P>SOLUTION: This fuel cell system comprises a fuel cell 20 receiving reactive gas supply for generation, a control part 50 controlling the reactive gas supply to the fuel cell 20 and power supply from the fuel cell 20 to loads 51, 52, M3 and M4 and a cell voltage monitor 11 measuring a cell voltage of the fuel cell 20. When it is detected that the cell voltage of the fuel cell 20 falles or in a situation to fall at the start, reactive gas is supplied to the fuel cell 20 while the power supply from the fuel cell 20 to the loads 51 and so on, and M4 is prohibited. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、起動時の制御に関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates power upon receiving a supply of a reaction gas, and more particularly to control at startup.

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とした燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムの制御に関して、例えば特許文献1には、起動後の暖機運転中に燃料電池の発電電圧が低下した場合には、燃料電池の温度又は電圧を回復させるように燃料ガス供給装置を制御する技術が開示されている。
特開2004−165058号公報
In recent years, a fuel cell system using a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas as an energy source has attracted attention. With respect to the control of such a fuel cell system, for example, in Patent Document 1, when the power generation voltage of the fuel cell decreases during the warm-up operation after startup, the fuel gas is recovered so as to recover the temperature or voltage of the fuel cell. Techniques for controlling the supply device are disclosed.
JP 2004-165058 A

しかしながら、この特許文献1に開示の技術は、起動時に燃料電池の発電電圧が低いと判断した場合に、燃料電池へのアノードガス供給量を増大するものであるから、発電電圧の低下を抑制してシステム起動時の安定性を向上させることはできても、アノードガス消費量の増大を招き、燃費が悪化する虞がある。   However, since the technique disclosed in Patent Document 1 increases the amount of anode gas supplied to the fuel cell when it is determined that the power generation voltage of the fuel cell is low at the time of startup, the reduction in the power generation voltage is suppressed. Even if the stability at the time of starting the system can be improved, the consumption of the anode gas is increased and the fuel consumption may be deteriorated.

そこで、本発明は、反応ガス消費量の低減による燃費の向上と、起動時の安定性向上とを両立させることのできる燃料電池システムの提供を目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of achieving both improvement in fuel efficiency by reducing the amount of reaction gas consumption and improvement in stability at startup.

本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池への反応ガス供給を制御するガス供給制御部と、前記燃料電池から負荷への電力供給を制御する電力供給制御部と、前記燃料電池の発電電圧(総電圧、セル電圧)が低下していることを検知する、または前記発電電圧が低下し得る状況にあることを検知する検知部とを含み、起動時に前記検知がなされた場合には、前記燃料電池から負荷への電力供給を禁止した状態で該燃料電池に反応ガスを供給する。   The fuel cell system of the present invention controls a fuel cell that generates power upon receiving a reaction gas supply, a gas supply control unit that controls the supply of the reaction gas to the fuel cell, and a power supply from the fuel cell to a load. A power supply control unit, and a detection unit that detects that the power generation voltage (total voltage, cell voltage) of the fuel cell is reduced, or that detects that the power generation voltage can be reduced, and When the detection is made at the time of start-up, the reaction gas is supplied to the fuel cell in a state where power supply from the fuel cell to the load is prohibited.

このような構成によれば、起動(システムダウン直後の再起動を含む)時のように、燃料電池の発電状態が未だ安定していない時に負荷要求(出力要求、電力供給要求)があったとしても、燃料電池から負荷への電力供給が行われることはないので、燃料電池への反応ガス供給量を増やさなくても、発電電圧の低下を抑制することが可能となる。   According to such a configuration, it is assumed that there is a load request (output request, power supply request) when the power generation state of the fuel cell is not yet stable, such as during startup (including restart immediately after system down). However, since power is not supplied from the fuel cell to the load, it is possible to suppress a decrease in the generated voltage without increasing the amount of reactant gas supplied to the fuel cell.

この燃料電池システムが例えば燃料電池車両に適用される場合、燃料電池からの電力供給が禁止される負荷には、駆動輪を駆動するトラクションモータ、補機、アクセサリ機器等がある。また、燃料電池からの電力を充電し該充電した電力を他の機器に供給する二次電池やキャパシタ等の蓄電装置も、その残容量(充電量)が所定量以下であるために充電の必要(充電要求)がある場合は、燃料電池に対する負荷となる。   When this fuel cell system is applied to, for example, a fuel cell vehicle, loads for which power supply from the fuel cell is prohibited include a traction motor that drives driving wheels, an auxiliary device, an accessory device, and the like. In addition, power storage devices such as secondary batteries and capacitors that charge power from the fuel cell and supply the charged power to other devices need to be charged because their remaining capacity (charged amount) is less than a predetermined amount. When there is a (charge request), it becomes a load on the fuel cell.

本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの充電および負荷への放電が可能な蓄電装置と、該蓄電装置における充電量が所定量となるように前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を制御する充電制御部と、前記燃料電池の発電電圧(総電圧、セル電圧)が低下していることを検知する、または前記発電電圧が低下し得る状況にあることを検知する検知部とを含み、起動時に前記検知がなされた場合には、前記蓄電装置の充電量が前記所定量に達していなくとも、前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を禁止する。   The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates power upon receiving a supply of a reaction gas, a power storage device that can be charged from the fuel cell and discharged to a load, and a charge amount in the power storage device is a predetermined amount. As described above, a charge control unit that controls charging from the fuel cell to the power storage device, and detects that the power generation voltage (total voltage, cell voltage) of the fuel cell is decreased, or the power generation voltage decreases. A detection unit that detects that the current state is obtained, and when the detection is performed at the time of start-up, even if the charge amount of the power storage device does not reach the predetermined amount, the fuel cell to the power storage device Prohibit charging.

このような構成によれば、起動(システムダウン直後の再起動を含む)時のように、燃料電池の発電状態が未だ安定していない時に、蓄電装置の残容量(充電量)が少なく該蓄電装置への充電が必要な状況が生じていても、燃料電池から蓄電装置への充電(電力供給)が行われることはないので、燃料電池への反応ガス供給量を増やさなくても、発電電圧の低下を抑制することが可能となる。   According to such a configuration, when the power generation state of the fuel cell is not yet stable, such as at the time of start-up (including restart immediately after system down), the remaining capacity (charge amount) of the power storage device is small and the power storage Even if there is a situation where the device needs to be charged, charging (power supply) from the fuel cell to the power storage device is not performed, so the generated voltage can be generated without increasing the amount of reactant gas supplied to the fuel cell. Can be suppressed.

上記燃料電池システムにおいては、前回の駆動時に前記検知がなされたまま停止した場合に、前記発電電圧が低下し得る状況にあることが検知されるようにしてもよい。   In the fuel cell system, it may be detected that the power generation voltage can be lowered when the fuel cell system is stopped with the detection being performed during the previous drive.

このような構成によれば、燃料電池の発電状態が未だ安定していないにもかかわらず、発電電力を負荷(蓄電装置を含む)に供給してしまうことによって起動(再起動を含む)の度に起こり得るシステムダウンを未然に防止することが可能となる。   According to such a configuration, even when the power generation state of the fuel cell is not yet stable, the generated power is supplied to the load (including the power storage device) to start up (including restart). It is possible to prevent a system failure that may occur in the future.

上記燃料電池システムにおいて、発電電圧が低下し得る状況にあることの検知、つまり、発電電圧の低下の予測の判断には、発電電圧(総電圧、セル電圧)の時系列的な変化(例えば、低下や振動)を用いてもよい。また、発電電圧は、燃料電池内の水分量と相関があるため、燃料電池内の水分量に基づいて発電電圧の低下を予測しても良い。   In the above fuel cell system, in order to detect that the generated voltage can be reduced, that is, to determine whether to reduce the generated voltage, a time-series change in the generated voltage (total voltage, cell voltage) (for example, Decrease or vibration) may be used. Moreover, since the generated voltage has a correlation with the amount of water in the fuel cell, a decrease in the generated voltage may be predicted based on the amount of water in the fuel cell.

本発明によれば、起動時における燃料電池の発電電圧が低下しているとき、又は低下し得る状況にあるときは、たとえ負荷要求(充電要求を含む)があっても、負荷(蓄電装置を含む)への電力供給が禁止されるので、燃料電池への反応ガス供給量を増やさなくても、発電電圧の低下を抑制することが可能になる。よって、反応ガス消費量の低減による燃費の向上と、起動時の安定性向上とを両立させることができる。   According to the present invention, when the power generation voltage of the fuel cell at the time of start-up is in a state where it can be lowered, even if there is a load request (including a charge request), the load (the power storage device is Therefore, it is possible to suppress a decrease in the generated voltage without increasing the amount of reaction gas supplied to the fuel cell. Therefore, it is possible to achieve both improvement in fuel consumption by reducing the reaction gas consumption and improvement in stability at startup.

図1は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用が可能である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. This fuel cell system can be applied to an in-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle, and can be applied to, for example, a stationary power generation system.

同図に示すように、酸化ガス(反応ガス)としての例えば空気(外気)は、空気供給路71を介して燃料電池20のカソード入口側に供給される。空気供給路71には空気から微粒子を除去するエアフィルタA1、空気を加圧するエアコンプレッサA3、供給空気圧を検出する圧力センサP4及び空気に所要の水分を加える加湿器A21が設けられている。エアコンプレッサA3は、制御部(検知部)50に制御されるコンプレッサモータMによって駆動される。   As shown in the figure, for example, air (outside air) as an oxidizing gas (reactive gas) is supplied to the cathode inlet side of the fuel cell 20 via an air supply path 71. The air supply path 71 is provided with an air filter A1 that removes particulates from the air, an air compressor A3 that pressurizes the air, a pressure sensor P4 that detects the supply air pressure, and a humidifier A21 that adds required moisture to the air. The air compressor A3 is driven by a compressor motor M controlled by a control unit (detection unit) 50.

燃料電池20から排出される空気オフガスは排気路72を経て外部に放出される。排気路72には、排気圧を検出する圧力センサP1、圧力調整弁A4及び加湿器A21の熱交換器が設けられている。圧力センサP1は燃料電池20のカソード側出口近傍に設けられている。圧力調整弁A4は、燃料電池20のカソード出口側の圧力を調整することにより、燃料電池20への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。   The air off gas discharged from the fuel cell 20 is discharged to the outside through the exhaust path 72. The exhaust path 72 is provided with a pressure sensor P1 for detecting the exhaust pressure, a pressure regulating valve A4, and a heat exchanger for the humidifier A21. The pressure sensor P <b> 1 is provided near the cathode side outlet of the fuel cell 20. The pressure adjustment valve A4 functions as a pressure regulator that sets the supply air pressure to the fuel cell 20 by adjusting the pressure on the cathode outlet side of the fuel cell 20.

圧力センサP4及びP1の検出信号は制御部50に送られる。制御部50は、エアコンプレッサA3及び圧力調整弁A4を調整することによって燃料電池20への供給空気圧や供給空気流量を設定する。   The detection signals of the pressure sensors P4 and P1 are sent to the control unit 50. The control unit 50 sets the supply air pressure and the supply air flow rate to the fuel cell 20 by adjusting the air compressor A3 and the pressure adjustment valve A4.

燃料ガス(反応ガス)としての例えば水素ガスは、水素供給源30から燃料供給路74を介して燃料電池20のアノード入口側に供給される。水素供給源30は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。   For example, hydrogen gas as a fuel gas (reactive gas) is supplied from the hydrogen supply source 30 to the anode inlet side of the fuel cell 20 via the fuel supply path 74. The hydrogen supply source 30 corresponds to, for example, a high-pressure hydrogen tank, but may be a so-called fuel reformer, a hydrogen storage alloy, or the like.

燃料供給路74には、水素供給源30から水素を供給しあるいは供給を停止する水素供給バルブH100、その下流のガス圧力を検出する圧力センサP6、燃料電池20への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁H9、その下流のガス圧力を検出する圧力センサP9、燃料電池20のアノード側入口と燃料供給路74間を開閉するFC入口弁H21、及び燃料電池20のアノード入口側ガス圧力を検出する圧力センサP5が設けられている。圧力センサP5、P6及びP9の検出信号は制御部50に供給される。   In the fuel supply path 74, a hydrogen supply valve H100 that supplies or stops supplying hydrogen from the hydrogen supply source 30, a pressure sensor P6 that detects a gas pressure downstream of the hydrogen supply valve 74, and a hydrogen gas supply pressure to the fuel cell 20 are reduced. A hydrogen pressure regulating valve H9 that adjusts the pressure, a pressure sensor P9 that detects a gas pressure downstream of the hydrogen pressure regulating valve H9, an FC inlet valve H21 that opens and closes between the anode inlet of the fuel cell 20 and the fuel supply path 74, and an anode inlet side of the fuel cell 20 A pressure sensor P5 for detecting the gas pressure is provided. Detection signals from the pressure sensors P5, P6 and P9 are supplied to the control unit 50.

燃料電池20で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路75に排出され、燃料供給路74の調圧弁H9の下流側に戻される。水素循環路75には、水素オフガスの温度を検出する温度センサT31、燃料電池20と水素循環路75を連通/遮断するFC出口弁H22、水素オフガスから水分を回収する気液分離器H42、回収した生成水を水素循環路75外の図示しないタンク等に回収する排水弁H41、水素オフガスを加圧する水素ポンプH50及び逆止弁H52が設けられている。   The hydrogen gas that has not been consumed in the fuel cell 20 is discharged as hydrogen off-gas to the hydrogen circulation path 75 and returned to the downstream side of the pressure regulating valve H9 in the fuel supply path 74. The hydrogen circulation path 75 includes a temperature sensor T31 that detects the temperature of the hydrogen off-gas, an FC outlet valve H22 that communicates / blocks the fuel cell 20 and the hydrogen circulation path 75, a gas-liquid separator H42 that collects moisture from the hydrogen off-gas, and a recovery A drain valve H41 that collects the generated water in a tank (not shown) outside the hydrogen circulation path 75, a hydrogen pump H50 that pressurizes hydrogen offgas, and a check valve H52 are provided.

FC入口弁H21及びFC出口弁H22は燃料電池のアノード側を閉鎖する。温度センサT31の検出信号は制御部50に供給される。水素ポンプH50は、制御部50に制御される水素ポンプモータMによって駆動される。水素オフガスは燃料供給路74で水素ガスと合流し、燃料電池20に供給されて再利用される。逆止弁H52は燃料供給路74の水素ガスが水素循環路75側に逆流することを防止する。各種の弁H100、H21、H22は制御部50からの信号で駆動される。   The FC inlet valve H21 and the FC outlet valve H22 close the anode side of the fuel cell. The detection signal of the temperature sensor T31 is supplied to the control unit 50. The hydrogen pump H50 is driven by a hydrogen pump motor M controlled by the control unit 50. The hydrogen off gas merges with the hydrogen gas in the fuel supply path 74 and is supplied to the fuel cell 20 for reuse. The check valve H52 prevents the hydrogen gas in the fuel supply path 74 from flowing back to the hydrogen circulation path 75 side. Various valves H100, H21, and H22 are driven by signals from the controller 50.

水素循環路75は、パージ弁H51を介してパージ流路76によって排気路72に接続される。排出制御弁H51は電磁式の遮断弁であり、制御部50からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に排出(パージ)する。   The hydrogen circulation path 75 is connected to the exhaust path 72 by the purge flow path 76 via the purge valve H51. The discharge control valve H51 is an electromagnetic shut-off valve, and discharges (purges) hydrogen off-gas to the outside by operating according to a command from the control unit 50.

燃料電池20は、燃料ガスと酸化ガスが供給されて発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。セルは、MEA(膜−電極接合体)と、MEAを挟持する一対のセパレータとを備えて構成され、全体として積層形態を有している。MEAは、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜を両面から挟んだ一対の電極(アノードおよびカソード)とで構成されている。   The fuel cell 20 is configured as a fuel cell stack in which a required number of cells that are supplied with fuel gas and oxidizing gas to generate power are stacked. The cell includes an MEA (membrane-electrode assembly) and a pair of separators that sandwich the MEA, and has a laminated form as a whole. The MEA includes an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane made of a polymer material and a pair of electrodes (anode and cathode) sandwiching the electrolyte membrane from both sides.

燃料電池20には、セル毎又は所定数のセル群毎にセル電圧モニタ(検知部)11からの測定端子が接続されていて、各セル又はセル群毎にセル電圧(燃料電池の発電電圧)を測定できるようになっている。セル電圧モニタ11の検出信号は、制御部50に供給される。   The fuel cell 20 is connected to a measurement terminal from a cell voltage monitor (detection unit) 11 for each cell or for each predetermined number of cell groups, and a cell voltage (power generation voltage of the fuel cell) for each cell or cell group. Can be measured. The detection signal of the cell voltage monitor 11 is supplied to the control unit 50.

燃料電池20で発電された直流電力の一部はDC/DCコンバータ53によって降圧され、二次電池(蓄電装置)54に充電される。二次電池54は車両制動時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等で構成されている。   Part of the DC power generated by the fuel cell 20 is stepped down by the DC / DC converter 53 and charged to the secondary battery (power storage device) 54. The secondary battery 54 plays a role as a regenerative energy storage source at the time of vehicle braking, and an energy buffer at the time of load fluctuation accompanying acceleration or deceleration of the vehicle, and includes a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, and a lithium secondary battery. Etc.

燃料電池20から二次電池54への充電は、二次電池54の残容量(充電量)SOCが所定量以上となるように、後述する制御部50によって制御されるが、起動時に燃料電池20のセル電圧が所定の閾値以下に低下していることが予測あるいは検知された場合には、たとえ二次電池54の残容量SOCが所定量に達していなくとも、燃料電池20から二次電池54への電力供給、つまり充電は禁止される。   Charging from the fuel cell 20 to the secondary battery 54 is controlled by the control unit 50 described later so that the remaining capacity (charge amount) SOC of the secondary battery 54 is equal to or greater than a predetermined amount. Is predicted or detected to be below a predetermined threshold value, even if the remaining capacity SOC of the secondary battery 54 has not reached the predetermined amount, the fuel cell 20 to the secondary battery 54 Power supply to, that is, charging is prohibited.

トラクションインバータ(負荷)51及び補機インバータ(負荷)52は、燃料電池20と二次電池54の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ(負荷)M3と補機モータ(負荷)M4のそれぞれに交流電力を供給する。補機モータM4は、後述の水素ポンプH50を駆動する水素ポンプモータMやエアコンプレッサA3を駆動するコンプレッサモータM等を総称している。   A traction inverter (load) 51 and an auxiliary inverter (load) 52 convert DC power supplied from either or both of the fuel cell 20 and the secondary battery 54 into AC power, and a traction motor (load) M3. AC power is supplied to each auxiliary motor (load) M4. The auxiliary motor M4 is a generic term for a hydrogen pump motor M that drives a hydrogen pump H50, which will be described later, a compressor motor M that drives an air compressor A3, and the like.

制御部50は、CPU、ROM、RAM、HDD、入出力インタフェース及びディスプレイなどの制御コンピュータシステムによって構成され、図外のアクセルセンサが検出したアクセル開度、図外の車速センサが検出した車速等に基づいてシステム要求電力(車両走行電力と補機電力との総和)を求め、これに二次電池54の残容量SOCを勘案した燃料電池20の出力電力が目標電力に一致するように、燃料電池システムを制御する。   The control unit 50 is configured by a control computer system such as a CPU, ROM, RAM, HDD, input / output interface, and display, and controls the accelerator opening detected by an unillustrated accelerator sensor, the vehicle speed detected by an unillustrated vehicle speed sensor, and the like. Based on the system required power (the sum of the vehicle running power and the auxiliary power), the fuel cell 20 takes into account the remaining capacity SOC of the secondary battery 54 so that the output power of the fuel cell 20 matches the target power. Control the system.

具体的には、制御部50はエアコンプレッサA3を駆動するコンプレッサモータMの回転数を調整して酸化ガス供給量を調整するとともに、水素ポンプH50を駆動する水素ポンプモータMの回転数を調整して燃料ガス供給量を調整する。更に、制御部50はDC/DCコンバータ53を制御して燃料電池20の運転ポイント(出力電圧、出力電流)を調整し、燃料電池20の出力電力が目標電力に一致するように調整する。   Specifically, the control unit 50 adjusts the rotation speed of the compressor motor M that drives the air compressor A3 to adjust the supply amount of the oxidizing gas, and adjusts the rotation speed of the hydrogen pump motor M that drives the hydrogen pump H50. Adjust the fuel gas supply. Further, the control unit 50 controls the DC / DC converter 53 to adjust the operation point (output voltage, output current) of the fuel cell 20 and adjust the output power of the fuel cell 20 to match the target power.

ただし、制御部50は、起動時に測定された燃料電池20のセル電圧が所定の閾値以下に低下していることが予測あるいは検知(発電電圧が低下していること又は低下し得る状況にあることを検知)された場合には、燃料電池20を例えばインバータ51,52、モータM3,M4、車両のアクセサリ機器、充電要求のある二次電池54等の負荷に接続することなく、言い換えれば、これら負荷への電力供給を禁止した状態で、燃料電池20に反応ガスを供給する、   However, the control unit 50 predicts or detects that the cell voltage of the fuel cell 20 measured at the time of start-up has fallen below a predetermined threshold (the power generation voltage is in a state where it can be lowered or can be lowered). For example, inverters 51 and 52, motors M3 and M4, vehicle accessory devices, secondary batteries 54 requiring charging, etc., in other words, Supplying reaction gas to the fuel cell 20 in a state where power supply to the load is prohibited;

起動時とは、例えば駐停車後の起動時のように、システム停止後、所定時間経過した後の起動時を含む他、起動中あるいは駆動中に生じたシステムダウンの直後に実施される再起動時も含まれる。また、人為的な操作に基づく手動的な起動に限らず、制御プラグラムにおいて所定のエベント発生時等に実行される自動的な起動も含まれる。   Start-up includes, for example, start-up after a certain period of time has elapsed since the system was stopped, such as start-up after parking and stopping, and restart that is performed immediately after a system down during start-up or driving Time is also included. Further, not only manual activation based on human operation but also automatic activation executed when a predetermined event occurs in the control program is included.

以上より、本実施形態の制御部50は、燃料電池20への反応ガス供給を制御するガス供給制御部として、また、燃料電池20から負荷への電力供給を制御する電力供給制御部として、さらには、二次電池54の残容量SOCが所定量となるように燃料電池20から二次電池54への充電を制御する充電制御部としての機能を兼ね備える。さらに、制御部50はセル電圧モニタ11と共に検知部を構成する。   As described above, the control unit 50 of the present embodiment is further provided as a gas supply control unit that controls the supply of the reaction gas to the fuel cell 20 and as a power supply control unit that controls the power supply from the fuel cell 20 to the load. Has a function as a charge control unit that controls charging from the fuel cell 20 to the secondary battery 54 so that the remaining capacity SOC of the secondary battery 54 becomes a predetermined amount. Further, the control unit 50 constitutes a detection unit together with the cell voltage monitor 11.

図2は、起動時における充電制御の内容を記述したフローチャートである。このフローチャートに示すルーチンは、制御部50が実行する主制御プログラムにおいて、所定のイベント発生時、例えばイグニッションONであることが検知された時に呼び出される。以下、燃料電池20には既に反応ガスが供給されているものとして説明する。   FIG. 2 is a flowchart describing the contents of charge control at the time of activation. The routine shown in this flowchart is called when a predetermined event occurs in the main control program executed by the control unit 50, for example, when it is detected that the ignition is ON. In the following description, it is assumed that the reaction gas has already been supplied to the fuel cell 20.

まず、二次電池54の残容量SOC(充電量)が所定の閾値(例えば、50〜80%)以上であるか否かの判定を行い(ステップS1)、二次電池54の残容量SOCが所定の閾値以上である場合(ステップS1:YES)、つまり、二次電池54への充電が必要ない場合は、以後の処理をスキップし、本ルーチンの読み出し元のルーチンに復帰する。   First, it is determined whether or not the remaining capacity SOC (charge amount) of the secondary battery 54 is equal to or greater than a predetermined threshold (for example, 50 to 80%) (step S1), and the remaining capacity SOC of the secondary battery 54 is determined. If it is equal to or greater than the predetermined threshold (step S1: YES), that is, if charging of the secondary battery 54 is not necessary, the subsequent processing is skipped and the routine returns to the routine from which this routine is read.

一方、二次電池54の残容量SOCが所定の閾値未満である場合(ステップS1:NO)は、通常条件下で二次電池54への充電を開始する(ステップS3)。しかる後、セル電圧モニタ11にて測定されたセル電圧が所定の閾値以上であるか否かの判定を行う(ステップS5)。この判定に用いられるセル電圧は、例えば、測定したセル電圧の平均値や最低値等である。   On the other hand, when the remaining capacity SOC of the secondary battery 54 is less than the predetermined threshold (step S1: NO), charging of the secondary battery 54 is started under normal conditions (step S3). Thereafter, it is determined whether or not the cell voltage measured by the cell voltage monitor 11 is equal to or higher than a predetermined threshold (step S5). The cell voltage used for this determination is, for example, an average value or a minimum value of the measured cell voltages.

セル電圧が所定の閾値以上である場合(ステップS5:YES)、つまり、そのときの発電状態で二次電池54への通常充電を継続しても、燃料電池システムがダウン(セル落ちとも呼ばれる)してしまう虞のない場合は、以後の処理をスキップし、本ルーチンの読み出し元のルーチンに復帰する。つまり、二次電池54への通常充電がそのまま継続される。   When the cell voltage is equal to or higher than a predetermined threshold (step S5: YES), that is, even if normal charging to the secondary battery 54 is continued in the power generation state at that time, the fuel cell system is down (also called cell dropping). If there is no risk of this, the subsequent processing is skipped and the routine returns to the routine from which this routine is read. That is, normal charging to the secondary battery 54 is continued as it is.

一方、セル電圧が所定の閾値未満である場合(ステップS5:NO)は、燃料電池システムがダウンしてしまうので(ステップS7)、同システムを再起動し(ステップS9)、例えば単位時間あたりの充電量に上限を設ける等して、二次電池54への制限付充電を開始する(ステップS11)。   On the other hand, when the cell voltage is less than the predetermined threshold value (step S5: NO), the fuel cell system goes down (step S7), so the system is restarted (step S9). For example, per unit time Charging with limitation to the secondary battery 54 is started by setting an upper limit to the charge amount (step S11).

しかる後、セル電圧モニタ11にて測定されたセル電圧が所定の閾値以上であるか否かの判定を行う(ステップS13)。この判定に用いられるセル電圧も、例えば、測定したセル電圧の平均値や最低値等である。   Thereafter, it is determined whether or not the cell voltage measured by the cell voltage monitor 11 is equal to or higher than a predetermined threshold (step S13). The cell voltage used for this determination is, for example, an average value or a minimum value of the measured cell voltages.

セル電圧が所定の閾値以上である場合(ステップS13:YES)、つまり、そのときの発電状態で二次電池54への制限付充電を継続しても、燃料電池システムがダウンしてしまう虞のない場合は、以後の処理をスキップし、本ルーチンの読み出し元のルーチンに復帰する。つまり、二次電池54への制限付充電がそのまま継続される。   If the cell voltage is equal to or higher than the predetermined threshold (step S13: YES), that is, there is a possibility that the fuel cell system will be down even if the limited charging to the secondary battery 54 is continued in the power generation state at that time. If not, the subsequent processing is skipped and the routine returns to the routine from which this routine is read. That is, the limited charging to the secondary battery 54 is continued as it is.

一方、セル電圧が所定の閾値未満である場合(ステップS13:NO)は、燃料電池システムがダウンしてしまうので(ステップS15)、同システムを再起動し(ステップS17)、燃料電池20から二次電池54への充電を(停止)禁止する(ステップS19)。このとき、燃料電池20からみた全ての負荷、例えば、インバータ51,52、モータM3,M4、車両のアクセサリ機器等への電力供給も禁止する。   On the other hand, when the cell voltage is less than the predetermined threshold value (step S13: NO), the fuel cell system is down (step S15), so the system is restarted (step S17). Charging the secondary battery 54 is prohibited (stopped) (step S19). At this time, power supply to all loads viewed from the fuel cell 20, for example, the inverters 51 and 52, the motors M3 and M4, the accessory devices of the vehicle, and the like is also prohibited.

具体的には、燃料電池20と、二次電池54を含む全ての負荷との接続を電気的に遮断し、一時的にオープンサーキットの状態を作る。この状態で燃料電池20に反応ガスが供給されていると、燃料電池20内には電位差が生じる。しかる後、所定の充電許可(電力供給許可)条件を満足したら(ステップS21:YES)、二次電池54への充電を許可(開始)する(ステップS23)。このとき、負荷への電力供給を許可(開始)してもよい。   Specifically, the connection between the fuel cell 20 and all the loads including the secondary battery 54 is electrically cut off to temporarily create an open circuit state. When the reaction gas is supplied to the fuel cell 20 in this state, a potential difference is generated in the fuel cell 20. Thereafter, when a predetermined charging permission (power supply permission) condition is satisfied (step S21: YES), charging to the secondary battery 54 is permitted (started) (step S23). At this time, power supply to the load may be permitted (started).

ステップS21での充電許可条件は、例えば、燃料電池20の温度が所定温度(例えば、60℃)以上である場合や、ステップS17の再起動を実施してからの経過時間が所定時間以上である場合等である。燃料電池20は、反応ガス供給に伴い生ずる化学反応による発熱と、燃料電池20を冷却する冷媒とエアコンプレッサA3や水素ポンプH50等の補機モータMを冷却するための冷媒とが共用されていることによる補機からの吸熱とにより、徐々に暖機されてセル電圧が安定することに基づく。   The charging permission conditions in step S21 are, for example, when the temperature of the fuel cell 20 is equal to or higher than a predetermined temperature (for example, 60 ° C.), or the elapsed time since the restart in step S17 is equal to or longer than a predetermined time. This is the case. In the fuel cell 20, heat generated by a chemical reaction caused by supply of the reaction gas, a refrigerant for cooling the fuel cell 20, and a refrigerant for cooling the auxiliary motor M such as the air compressor A3 and the hydrogen pump H50 are shared. This is based on the fact that the cell voltage is gradually warmed by the endothermic heat from the auxiliary machine and the cell voltage is stabilized.

なお、二次電池54への充電中にセル電圧が所定の閾値以下になった場合は、エアストイキ比を高めるべく、エアコンプレッサA3を駆動するコンプレッサモータMの回転数を上昇させる等してエア流量を増加させてもよい。   If the cell voltage falls below a predetermined threshold during charging of the secondary battery 54, the air flow rate is increased by increasing the rotation speed of the compressor motor M that drives the air compressor A3 in order to increase the air stoichiometric ratio. May be increased.

以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムは、システムダウン後の再起動を含むシステム起動時に、例えば燃料電池20の発電状態が未だ安定してない等の理由により、セル電圧が所定の閾値以下である場合は、二次電池54への充電禁止はもとより、燃料電池20からみた全ての負荷に接続することなく、反応ガスが燃料電池20に供給されるように構成されている。   As described above, the fuel cell system according to the present embodiment has a cell voltage of a predetermined threshold at the time of system start-up including restart after system down because, for example, the power generation state of the fuel cell 20 is not yet stable. In the following cases, the reaction gas is supplied to the fuel cell 20 without being connected to all loads viewed from the fuel cell 20 as well as prohibiting charging of the secondary battery 54.

したがって、この燃料電池システムによれば、たとえシステム起動時に二次電池54の残容量SOCが低下していて当該二次電池54への充電を要する状況が生じていても、あるいは、システム起動時の発電状態が不安定なときに燃料電池20への負荷要求があっても、燃料電池20への反応ガス供給量を増大させずにセル電圧の低下を抑制することができるので、反応ガス消費量の低減による燃費の向上と、起動時の安定性向上とを両立させることが可能である。
<他の実施形態>
Therefore, according to this fuel cell system, even when the remaining capacity SOC of the secondary battery 54 is reduced at the time of starting the system and the secondary battery 54 needs to be charged, Even if there is a load demand on the fuel cell 20 when the power generation state is unstable, the decrease in cell voltage can be suppressed without increasing the amount of reaction gas supplied to the fuel cell 20, so that the amount of reaction gas consumption It is possible to improve both fuel efficiency by reducing the amount of fuel consumption and stability at startup.
<Other embodiments>

上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、二次電池54の代わりにキャパシタを蓄電装置として用いてもよい。   The above-described embodiment is an example for explaining the present invention, and the present invention is not limited to this. Various components can be appropriately designed without departing from the gist thereof. For example, a capacitor may be used as a power storage device instead of the secondary battery 54.

また、上記実施形態の制御部50は、起動時にセル電圧が所定の閾値以下に低下していることを検知したときに、燃料電池20から二次電池54を含む全ての負荷への電力供給を禁止しているが、前回の駆動時に燃料電池20のセル電圧が所定の閾値以下に低下したまま停止した場合、つまり、ステップS7,15のシステムダウンが起きた場合、次の再起動時は改めてセル電圧を測定するまでもなくセル電圧が所定の閾値以下に低下しているものと予測して、ステップS5,13のような判定を行わずに、直ちに燃料電池20からの電力供給を禁止してもよい。   In addition, the control unit 50 of the above embodiment supplies power from the fuel cell 20 to all loads including the secondary battery 54 when detecting that the cell voltage has dropped below a predetermined threshold at the time of startup. Although it is prohibited, if the cell voltage of the fuel cell 20 has been lowered below the predetermined threshold during the previous drive, that is, if the system goes down in steps S7 and S15, the next restart will restart. It is predicted that the cell voltage has fallen below the predetermined threshold without measuring the cell voltage, and the power supply from the fuel cell 20 is immediately prohibited without performing the determination in steps S5 and S13. May be.

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図。1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell system according to the present invention. 起動時の処理の内容を示すフローチャート。The flowchart which shows the content of the process at the time of starting.

符号の説明Explanation of symbols

11…セル電圧モニタ(検知部)、20…燃料電池、50…制御部(ガス供給制御部、電力供給制御部、充電制御部、検知部)、51…トラクションインバータ(負荷)、52…補機インバータ(負荷)、54…二次電池(蓄電装置)、M…コンプレッサモータ、M…水素ポンプモータ(負荷)、M3…トラクションモータ(負荷)、M4…補機モータ(負荷)   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Cell voltage monitor (detection part), 20 ... Fuel cell, 50 ... Control part (gas supply control part, electric power supply control part, charge control part, detection part), 51 ... Traction inverter (load), 52 ... Auxiliary machine Inverter (load), 54 ... Secondary battery (power storage device), M ... Compressor motor, M ... Hydrogen pump motor (load), M3 ... Traction motor (load), M4 ... Auxiliary motor (load)

Claims (3)

反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池への反応ガス供給を制御するガス供給制御部と、前記燃料電池から負荷への電力供給を制御する電力供給制御部と、前記燃料電池の発電電圧が低下していることを検知する、または前記発電電圧が低下し得る状況にあることを検知する検知部とを含み、
起動時に前記検知がなされた場合には、前記燃料電池から負荷への電力供給を禁止した状態で該燃料電池に反応ガスを供給する、燃料電池システム。
A fuel cell that generates power upon receiving a supply of a reaction gas, a gas supply control unit that controls supply of the reaction gas to the fuel cell, a power supply control unit that controls power supply from the fuel cell to a load, and the fuel Detecting that the power generation voltage of the battery is reduced, or detecting that the power generation voltage can be reduced,
A fuel cell system that supplies a reactive gas to the fuel cell in a state where power supply from the fuel cell to a load is prohibited when the detection is made at the time of startup.
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池からの充電および負荷への放電が可能な蓄電装置と、該蓄電装置における充電量が所定量となるように前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を制御する充電制御部と、前記燃料電池の発電電圧が低下していることを検知する、または前記発電電圧が低下し得る状況にあることを検知する検知部とを含み、
起動時に前記検知がなされた場合には、前記蓄電装置の充電量が前記所定量に達していなくとも、前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を禁止する、燃料電池システム。
A fuel cell that generates electric power upon supply of a reaction gas, a power storage device that can be charged from the fuel cell and discharged to a load, and the power storage from the fuel cell so that a charge amount in the power storage device is a predetermined amount A charge control unit that controls charging of the device, and a detection unit that detects that the power generation voltage of the fuel cell is reduced, or detects that the power generation voltage can be reduced,
A fuel cell system that prohibits charging from the fuel cell to the power storage device even when the charge amount of the power storage device has not reached the predetermined amount when the detection is made at the time of startup.
前回の駆動時に前記検知がなされたまま停止した場合に、前記発電電圧が低下し得る状況にあることが検知される、請求項1又は2に記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein it is detected that the generated voltage can be lowered when the detection is stopped with the detection being performed at the previous drive.
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