JP2008091351A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell and power storage means connected in parallel to a load.
負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムとして、例えば下記特許文献1に開示される「燃料電池給電システム」がある。このような蓄電手段を備える燃料電池システムにおいては、燃料電池だけでは賄いきれない電力要求が負荷からあった場合に、その不足分を当該蓄電手段から供給する補助電力により補うことで、当該電力要求に応え得るようにしている。 As a fuel cell system including a fuel cell and a power storage unit connected in parallel to a load, for example, there is a “fuel cell power feeding system” disclosed in Patent Document 1 below. In a fuel cell system provided with such a power storage means, when a power request that cannot be covered by the fuel cell alone is received from the load, the shortage is supplemented by auxiliary power supplied from the power storage means, thereby To be able to respond.
即ち、下記特許文献1に開示される「燃料電池給電システム」では、第2電力変換器の出力電流、第1の電力変換器の入力電流(燃料電池から出力される直流電力)およびバッテリの出力電圧を入力としてこれらに基づき第2の電力変換器を制御することにより、バッテリを充放電させ、第1の電力変換器の入力電流を燃料電池の出力電流と第2の電力変換器の出力電流とによって分担させている。
しかしながら、上記特許文献1に開示される「燃料電池給電システム」のように構成される燃料電池システムによると、燃料電池から出力される直流電力を第1の電力変換器の入力電流(燃料電池の出力電流)としてこれに基づいて制御を行っている。そのため、次に挙げるような問題点がある。 However, according to the fuel cell system configured as the “fuel cell power feeding system” disclosed in Patent Document 1, the DC power output from the fuel cell is converted to the input current (of the fuel cell) of the first power converter. The output current is controlled based on this. Therefore, there are the following problems.
(1) 例えば、燃料電池温度が低い、イオン交換膜が乾いている、あるいは電池反応触媒が劣化している等の燃料電池の電極性能に悪影響を与え得るような条件下においては、良好な電極状態時に比べて発電能力が低下するため、燃料電池の出力電流を監視しているだけでは十分ではないという問題点がある。 (1) A good electrode under conditions that may adversely affect the electrode performance of the fuel cell, such as when the fuel cell temperature is low, the ion exchange membrane is dry, or the cell reaction catalyst is degraded. Since the power generation capacity is reduced as compared to the state, there is a problem that it is not sufficient to only monitor the output current of the fuel cell.
即ち、燃料電池の電極状態が良好な場合においては、燃料電池はその出力電流を十分に取り出せる特性、つまり図6に示すような特性曲線α(電流電圧特性)および特性曲線β(電流電力特性)を呈するような出力特性を持つが、一方、燃料電池の電極性能に悪影響を与え得るような条件下においては、燃料電池はその出力電流が十分に取り出すことのできない出力特性、図6に示す特性曲線α’(電流電圧特性)および特性曲線β’(電流電力特性)を呈するような出力特性を有するに至る。したがって、燃料電池の出力電流を監視しているだけでは、発電中の燃料電池が、現在、発電効率の高い領域(図6において出力電力(特性曲線β、β’)の最大値よりも出力電流の低い側)にあるのか、あるいは発電効率の低い領域(同最大値よりも出力電流の高い側)にあるのか、を検出することができないという問題がある。 That is, when the electrode state of the fuel cell is good, the fuel cell has characteristics that can sufficiently take out its output current, that is, a characteristic curve α (current voltage characteristic) and a characteristic curve β (current power characteristic) as shown in FIG. On the other hand, under conditions where the electrode performance of the fuel cell can be adversely affected, the fuel cell cannot output its output current sufficiently, the characteristics shown in FIG. The output characteristic exhibits a curve α ′ (current-voltage characteristic) and a characteristic curve β ′ (current-power characteristic). Therefore, if only the output current of the fuel cell is monitored, the fuel cell that is currently generating power will output an output current that is higher than the maximum value of the output power (characteristic curves β and β ′ in FIG. Or the region where the power generation efficiency is low (the side where the output current is higher than the maximum value) cannot be detected.
例えば図6に示す出力特性の例を参照して説明すると、出力監視電流を200Aに設定した場合には(同図中に示す一点鎖線)、比較的良好な燃料電池においては、特性曲線βから、その出力電力の最大値よりも出力電流の低い側、つまり発電効率の高い領域で、燃料電池による供給電力の不足分を蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替えることできる(同図中に示す点X)。ところが、出力監視電流の設定を変更することなく200Aのままでは劣化した燃料電池においては、特性曲線β’から、その出力電力の最大値よりも出力電流の高い側、つまり発電効率の低い領域内に移った後に、蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替えることになる(同図中に示す点X’)。 For example, referring to the example of the output characteristic shown in FIG. 6, when the output monitoring current is set to 200 A (a chain line shown in FIG. 6), in a relatively good fuel cell, the characteristic curve β In the region where the output current is lower than the maximum value of the output power, that is, in the region where the power generation efficiency is high, it is possible to switch to the control to supplement the shortage of the power supplied by the fuel cell with the auxiliary power from the power storage means (shown in the figure Point X). However, in a fuel cell that has deteriorated with 200 A without changing the setting of the output monitoring current, the characteristic curve β ′ indicates that the output current is higher than the maximum value of the output power, that is, in the region where the power generation efficiency is low. Then, the control is switched to the control supplemented by the auxiliary power by the power storage means (point X ′ shown in the figure).
(2) また(1) で説明したように、燃料電池の出力電流を監視しているだけでは劣化した燃料電池においては、発電効率の低い領域内に移った後に、蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替える。そのため、発電効率の低い領域においても燃料電池から出力電流を過剰に取り出す場合があり得るので、その場合には、燃料電池の発電能力を超えた電力供給を要求することになり、燃料電池内の熱バランスが崩れて発電の停止に至るおそれがあるという問題をも招く。またこのような状態が継続すると、燃料電池の電極損傷に至るという問題にも発展する。 (2) Also, as explained in (1), in the case of a fuel cell that has deteriorated simply by monitoring the output current of the fuel cell, it is supplemented with auxiliary power from the storage means after moving into a region where the power generation efficiency is low. Switch to control. Therefore, it is possible that the output current is excessively extracted from the fuel cell even in a region where the power generation efficiency is low. In this case, the power supply exceeding the power generation capability of the fuel cell is required, There is also a problem that heat balance may be lost and power generation may be stopped. Moreover, if such a state continues, the problem of leading to electrode damage of the fuel cell also develops.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is to generate power in a region where the power generation efficiency is high and to suppress power generation in the fuel cell in a region where the power generation efficiency is low. It is to provide a fuel cell system.
上記目的を達成するため、請求項1の燃料電池システムでは、負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムであって、前記負荷に対し電力供給する燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池の出力電圧が所定の電圧値を下回ると、前記負荷に対し前記蓄電手段から、前記燃料電池の出力電圧が前記所定の電圧値以上を保持し得る補助電力を供給する補助電力供給手段と、を備えることを技術的特徴とする。 To achieve the above object, the fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell system comprising a fuel cell and a power storage means connected in parallel to a load, respectively, and a fuel cell for supplying power to the load; Voltage detection means for detecting the output voltage of the fuel cell; and when the output voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means falls below a predetermined voltage value, from the power storage means to the load, A technical feature is provided with auxiliary power supply means for supplying auxiliary power whose output voltage can hold the predetermined voltage value or more.
また、請求項2の燃料電池システムでは、請求項1において、前記所定の電圧値は、前記燃料電池によって供給可能な最大電力を発電するときの電圧値に設定されていることを技術的特徴とする。
The fuel cell system according to
さらに、請求項3の燃料電池システムでは、請求項1において、前記所定の電圧値は、前記燃料電池によって供給可能な最大電力(100%)を発電するときの電圧値以上であって、当該最大電力の95%を発電するときの電圧値以下に設定されていることを技術的特徴とする。
Furthermore, in the fuel cell system of
また、請求項4の燃料電池システムでは、請求項1において、前記所定の電圧値は、前記燃料電池の出力電流に対する出力電圧特性における当該特性曲線の傾きが−0.4[V/A・cm2 ]のときの電圧値以下、前記燃料電池によって供給可能な最大電力を発電するときの電圧値以上の範囲内で設定されていることを技術的特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the fuel cell system according to the first aspect, wherein the predetermined voltage value has an inclination of the characteristic curve in an output voltage characteristic with respect to an output current of the fuel cell of −0.4 [V / A · cm. 2 ] or less, and within the range of the voltage value when generating the maximum electric power that can be supplied by the fuel cell.
さらに、請求項5の燃料電池システムでは、請求項1において、前記所定の電圧値は、前記燃料電池の開放電圧値を100%としたときの、その35%以上50%以下の電圧値に設定されていることを技術的特徴とする。 Furthermore, in the fuel cell system of claim 5, in claim 1, the predetermined voltage value is set to a voltage value of 35% or more and 50% or less when the open-circuit voltage value of the fuel cell is 100%. This is a technical feature.
請求項1の発明では、電圧検出手段により、負荷に対し電力供給する燃料電池の出力電圧を検出し、補助電力供給手段により、検出された燃料電池の出力電圧が所定の電圧値を下回ると、負荷に対し蓄電手段から、燃料電池の出力電圧が所定の電圧値以上を保持し得る補助電力を供給する。つまり、電圧検出手段により検出した燃料電池の出力電圧に基づいて、燃料電池の出力電圧が所定の電圧値以上を保持し得るように負荷に対して蓄電手段から補助電力を供給するので、燃料電池の出力電流に基づいた判断により負荷に補助電力を供給するものではない。これにより、燃料電池の発電効率の低い領域では、負荷に対して燃料電池による電力供給に加え、蓄電手段からも補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域にある燃料電池から過剰に電力を取り出すことを防止することができる。したがって、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。 In the invention of claim 1, when the output voltage of the fuel cell that supplies power to the load is detected by the voltage detection means, and the detected output voltage of the fuel cell is lower than the predetermined voltage value by the auxiliary power supply means, Auxiliary power capable of holding the output voltage of the fuel cell at a predetermined voltage value or higher is supplied from the power storage means to the load. That is, based on the output voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means, the auxiliary power is supplied from the power storage means to the load so that the output voltage of the fuel cell can maintain a predetermined voltage value or higher. The auxiliary power is not supplied to the load based on the determination based on the output current. As a result, in the region where the power generation efficiency of the fuel cell is low, auxiliary power is also supplied from the power storage means in addition to the power supply by the fuel cell to the load, so excessive power is supplied from the fuel cell in the region where the power generation efficiency is low. Can be prevented from being taken out. Therefore, there is an effect that the fuel cell can generate power in a region where the power generation efficiency is high and the power generation of the fuel cell can be suppressed in a region where the power generation efficiency is low.
請求項2の発明では、所定の電圧値は、燃料電池によって供給可能な最大電力を発電するときの電圧値に設定されていることから、燃料電池の発電効率の最も高いところを基準に所定の電圧値が設定されている。これにより、燃料電池の出力電圧が当該所定の電圧値を下回るときには、燃料電池はその発電効率の最も高いところを超えて発電効率の低い領域で発電していることになるので、その場合には、負荷に対して燃料電池による電力供給に加え、蓄電手段からも補助電力を供給することができる。したがって、発電効率の低い領域にある燃料電池から過剰に電力を取り出すことを防止できるので、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。
In the invention of
請求項3の発明では、所定の電圧値は、燃料電池によって供給可能な最大電力(100%)を発電するときの電圧値以上であって、当該最大電力の95%を発電するときの電圧値以下に設定されている。これにより、燃料電池の出力電圧が当該所定の電圧値を下回るときには、燃料電池はその発電効率の高いところを超えて発電効率の低い領域で発電していることになるので、その場合には、負荷に対して燃料電池による電力供給に加え、蓄電手段からも補助電力を供給することができる。したがって、発電効率の低い領域にある燃料電池から過剰に電力を取り出すことを防止できるので、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。
In the invention of
請求項4の発明では、所定の電圧値は、燃料電池の出力電流に対する出力電圧特性における当該特性曲線の傾きが−0.4[V/A・cm2 ]のときの電圧値以下、燃料電池によって供給可能な最大電力を発電するときの電圧値以上の範囲内で設定されていることから、当該特性曲線の傾きが−0.4[V/A・cm2 ]のときの電圧値以下、燃料電池の発電効率の最も大きいところで発電するときの電圧値以上の間で所定の電圧値が設定されている。これにより、所定の電圧値にこのような、より具体的な設定幅を設けているので、燃料電池の特性および負荷の電力要求に即して所定の電圧値をより具体的に設定することができる。また、燃料電池の出力電圧が当該所定の電圧値の範囲を超えて下回るときには、燃料電池はその発電効率の高い所定範囲を超えて発電効率の低い領域で発電していることになるので、その場合には、負荷に対して燃料電池による電力供給に加え、蓄電手段からも補助電力を供給することができる。したがって、発電効率の低い領域にある燃料電池から過剰に電力を取り出すことを防止できるので、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。 In the invention of claim 4, the predetermined voltage value is equal to or lower than the voltage value when the slope of the characteristic curve in the output voltage characteristic with respect to the output current of the fuel cell is −0.4 [V / A · cm 2 ], Is set within a range that is equal to or higher than the voltage value when generating the maximum power that can be supplied by the power supply, so that the slope of the characteristic curve is −0.4 [V / A · cm 2 ] or less. A predetermined voltage value is set between the voltage value when generating power at the highest power generation efficiency of the fuel cell. As a result, since a more specific setting range is provided for the predetermined voltage value, it is possible to set the predetermined voltage value more specifically in accordance with the characteristics of the fuel cell and the power requirement of the load. it can. Further, when the output voltage of the fuel cell falls below the predetermined voltage value range, the fuel cell is generating power in a region where the power generation efficiency exceeds the predetermined range where the power generation efficiency is high. In this case, auxiliary power can be supplied from the power storage means in addition to power supply by the fuel cell to the load. Accordingly, since it is possible to prevent excessive power from being taken out from the fuel cell in the region where the power generation efficiency is low, the fuel cell can generate power in the region where the power generation efficiency is high, and the power generation of the fuel cell can be suppressed in the region where the power generation efficiency is low. There is.
請求項5の発明では、所定の電圧値は、燃料電池の開放電圧値を100%としたときの、その35%以上50%以下の電圧値に設定されていることから、燃料電池の開放電圧値の観点から、所定の電圧値を容易に設定することができる。また、開放電圧値の35%以上50%以下の電圧値といった設定幅を設けているので、負荷の電力要求に即して所定の電圧値を設定することができる。さらに、燃料電池の出力電圧が当該所定の電圧値の範囲を超えて下回るときには、燃料電池はその発電効率の高い所定範囲を超えて発電効率の低い領域で発電していることになるので、その場合には、負荷に対して燃料電池による電力供給に加え、蓄電手段からも補助電力を供給することができる。したがって、発電効率の低い領域にある燃料電池から過剰に電力を取り出すことを防止できるので、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。 In the invention of claim 5, since the predetermined voltage value is set to a voltage value of 35% or more and 50% or less when the open voltage value of the fuel cell is 100%, the open voltage of the fuel cell is set. From the viewpoint of the value, the predetermined voltage value can be easily set. In addition, since a setting range such as a voltage value of 35% or more and 50% or less of the open circuit voltage value is provided, a predetermined voltage value can be set according to the power demand of the load. Furthermore, when the output voltage of the fuel cell falls below the predetermined voltage value range, the fuel cell is generating power in a region where the power generation efficiency exceeds the predetermined range and the power generation efficiency is low. In this case, auxiliary power can be supplied from the power storage means in addition to power supply by the fuel cell to the load. Accordingly, since it is possible to prevent excessive power from being taken out from the fuel cell in the region where the power generation efficiency is low, the fuel cell can generate power in the region where the power generation efficiency is high, and the power generation of the fuel cell can be suppressed in the region where the power generation efficiency is low. There is.
以下、本発明の燃料電池システムを、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源に適用した一実施形態を図1〜図5に基づいて説明する。
まず、図1を参照して燃料電池システム20の構成を説明する。なお、図1中に示す破線は、各機能ブロックあるいは機能部品間で授受される情報信号の流れを示している。
Hereinafter, an embodiment in which a fuel cell system of the present invention is applied to a power source for a vehicle such as a passenger car, a bus, and a truck will be described with reference to FIGS.
First, the configuration of the
図1に示すように、燃料電池システム20は、主に、燃料電池21、バッテリ31、スイッチング素子36、37、モータ駆動回路45、ハイブリッド回路コントローラ(以下「HBCコントローラ」という)51、燃料電池コントローラ(以下「FCコントローラ」という)53等により構成されており、モータ駆動回路45(負荷の一部)に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池21およびバッテリ31(蓄電手段)を備えるもので、燃料電池21の出力電圧(以下「FC電圧」という)Vfcが所定の下限電圧値VLを下回ると、モータ駆動回路45等に対しバッテリ31から、燃料電池21のFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL以上を保持し得る補助電力を供給するものである。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池21は、モータ駆動回路45(負荷の一部)に対し電力供給し得るもので、水素と酸素を反応させることにより電気エネルギを取り出し、モータで車輪を駆動する電気自動車のエネルギ源のひとつである。このため、燃料電池21には、水素および酸素(または空気)が供給されており、それらの供給量は、後述するFCコントローラ53により制御され、出力電力の制御が行われている。
The fuel cell 21 can supply electric power to a motor drive circuit 45 (a part of a load), takes out electric energy by reacting hydrogen and oxygen, and is one of energy sources of an electric vehicle that drives wheels by a motor. It is. For this reason, hydrogen and oxygen (or air) are supplied to the fuel cell 21, and the supply amounts thereof are controlled by an
なお、燃料電池21は、一般に、水素貯蔵や改質触媒等の方式によって種々の水素供給タイプに分類されるが、水素と酸素とを反応させて発電するものであれば、本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。例えば、固体高分子型燃料電池(PEMFC)を用いることが望ましいが、その他、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール型(DMFC)等のものがある。 The fuel cell 21 is generally classified into various hydrogen supply types depending on the system such as hydrogen storage or reforming catalyst, but the fuel according to the present invention can be used as long as it generates electricity by reacting hydrogen and oxygen. A battery system can be applied. For example, it is desirable to use a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), but in addition, alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), There are direct methanol type (DMFC) and the like.
燃料電池21の端子間には、そのFC電圧Vfcを検出し得る電圧センサ23が接続されている。即ち、燃料電池21の出力端子間に接続された電圧センサ23により燃料電池21のFC電圧Vfcが検出され、検出されたFC電圧VfcはFCコントローラ53に出力されている。これにより、FCコントローラ53によって燃料電池21のFC電圧Vfcを適宜監視することができるので、これに基づいた燃料電池21の出力制御を可能にしている。なお、この電圧センサ23は、特許請求の範囲に記載の「電圧検出手段」に相当する。
A
また、燃料電池21の出力端子の一方(例えば陽極側)には、燃料電池21の入出力電流を測定し得る電流センサ25が設けられている。そして、この電流センサ25により検出された燃料電池電流(以下「FC電流」という)Ifcは、FCコントローラ53に出力され、これにより燃料電池21の出力をFC電流Ifcの面から適宜監視することができる。そのため、FC電流Ifcに基づいた燃料電池21の出力制御を可能にしている。
Further, a
さらに、燃料電池21の出力端子の一方(例えば陽極側)には、燃料電池21から電流が流れ出る方向を順方向とするようにダイオード27が直列に接続されている。即ち、燃料電池21に対してアノード側、モータ駆動回路45に対してカソード側、がそれぞれ位置するようにダイオード27が接続されている。このダイオード27は、逆電流防止を目的とするもので、バッテリ31やモータ駆動回路45から燃料電池21に向けて駆動電流や回生電流が流れ込むことを抑制し、逆電流による燃料電池21の劣化を防止している。
Furthermore, a
バッテリ31は、充放電を繰り返すことができるいわゆる二次電池で、特許請求の範囲に記載の「蓄電手段」に相当するものである。即ち、バッテリ31は、燃料電池21のFC電圧Vfcが後述するように予め設定された所定の下限電圧値VLを下回ると、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該下限電圧値VL以上を保持し得るように、モータ駆動回路45等に対し補助電力を供給するものである。
The
具体的には、例えば、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が用いられるが、このほか通常仕様の鉛電池や、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等を用いても良い。 Specifically, for example, high-performance lead-acid batteries, lithium ion batteries, sodium-sulfur batteries, etc. used for electric vehicles etc. are used. In addition, normal specification lead batteries, nickel cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, lithium An ion battery, a sodium sulfur battery, or the like may be used.
このバッテリ31は、その端子間電圧(以下「BT電圧」という)Vbtを電圧センサ33によって検出されている。即ち、バッテリ31の出力端子間には、電圧センサ33が接続されており、この電圧センサ33により検出されたBT電圧VbtはHBCコントローラ51に出力されている。これにより、HBCコントローラ51によってバッテリ31の出力電圧(BT電圧Vbt)を適宜監視することができるので、これに基づいて後述する昇圧制御や充電制御を可能にしている。
The
なお、本実施形態では、蓄電手段としてバッテリ31を用いたが、本発明ではこれに限られることはなく、電荷を蓄えてそれを放出できる機能を有するものであれば、例えばコンデンサ(例えば電気二重層コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等、あるいはこれらを組み合わせたもの等であっても良い。
In the present embodiment, the
バッテリ31の出力端子の一方(例えば陽極側)には、200A程度の電流を許容するリアクトル35が直列に接続されている。このリアクトル35は、次に説明するスイッチング素子36とともに昇圧回路を構成するもので、所定の電気エネルギを蓄え得るものである。
A
スイッチング素子36は、電力用の半導体スイッチング素子であり、直列接続されたバッテリ31およびリアクトル35に対して、入出力端子が並列に接続されている。本実施形態では、例えば、IGBT(insulated gate bipolar transistor ;絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ)にフライホイールダイオードを組み合わせたものが用いられており、そのベース端子あるいはゲート端子は、HBCコントローラ51に接続されている。これにより、HBCコントローラ51からスイッチング素子36に対し、所定周期(例えば20kHz)のスイッチング信号が出力されると、当該周期でスイッチング素子36をDUTY制御できる。
The switching
即ち、スイッチング素子36がオン状態のときにはその入出力端子間が導通するので、バッテリ31から出力された直流電流がリアクトル35に流れ込んで電気エネルギが蓄積される。一方、スイッチング素子36がオフ状態のときにはその入出力端子間が遮断されるので、それまで流れていた電流とは逆方向に電流が流れ、つまりリアクトル35から電気エネルギが放出され、バッテリ31の出力電圧に加算されて昇圧される。なお、昇圧されたバッテリ31のBT電圧Vbtは、前述のスイッチング信号によって適宜調節することができるが、おおよそ燃料電池21のFC電圧Vfcよりわずかに高い程度の電圧に調節される。なおこのスイッチング素子36は、特許請求の範囲に記載の「補助電力供給手段」に相当するものである。
That is, when the switching
また、リアクトル35とスイッチング素子36とからなる昇圧回路の出力側には、スイッチング素子37が直列に接続されている。このスイッチング素子37は、前述した前記スイッチング素子36と同様、電力用の半導体スイッチング素子で、モータ駆動回路45による回生電力や燃料電池21による余剰電力をバッテリ31に供給し充電する場合にオン状態に制御される充電制御回路を構成するものである。即ち、スイッチング素子37のベース端子あるいはゲート端子に接続されたHBCコントローラ51によって、電圧センサ33により検出されたBT電圧Vbtに基づいてバッテリ31の残存容量を監視しているので、バッテリ31の残存容量が所定の充電容量まで低下すると、スイッチング素子37をオン状態に制御することで、モータ駆動回路45や燃料電池21から供給される電力によりバッテリ31を充電するようにしている。
A switching
なお、このスイッチング素子37の入出力端子間には、当該昇圧回路の出力方向を順方向とするようにダイオードが接続されている。これにより、スイッチング素子37のオンオフ状態にかかわらず、当該昇圧回路からモータ駆動回路45に電力供給することができるように構成されている。また、このスイッチング素子37の出力側(コレクタ側)には、電流センサ39が接続されているので、バッテリ31等による昇圧回路からモータ駆動回路45に供給される出力電流Ibtを検出し、HBCコントローラ51に出力することもできる。
A diode is connected between the input / output terminals of the switching
このように、昇圧回路を構成するスイッチング素子36と充電制御回路を構成するスイッチング素子37とにより、HBCコントローラ51は、燃料電池21のFC電圧Vfcに基づいて、両スイッチング素子を次のように制御している。
Thus, the switching
(1) 燃料電池21のFC電圧Vfcが後述する所定の下限電圧値VL以上である場合(Vfc≧VL)には、スイッチング素子36をオフ状態に制御することにより昇圧回路による補助電力の発生を停止させる。またスイッチング素子37は、モータ駆動回路45による回生電力や燃料電池21による余剰電力によってバッテリ31を充電する必要がある場合にはオン状態に制御し、そのような充電の必要がない場合にはオフ状態に制御する。
(1) When the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 is equal to or higher than a predetermined lower limit voltage value VL described later (Vfc ≧ VL), generation of auxiliary power by the booster circuit is controlled by controlling the switching
(2) 燃料電池21のFC電圧Vfcが、所定の下限電圧値VLを下回る場合には(Vfc<VL)、後述する理由により、モータ駆動回路45等に対し補助電力を供給する必要があるので、スイッチング素子36をオン状態に制御することにより昇圧回路を動作させ、バッテリ31等による昇圧回路により補助電力の供給を開始、継続する。なお、このときスイッチング素子37はオフ状態に制御されているので、補助電力の供給は、スイッチング素子37の入出力端子間に接続されているダイオードを介して行われる。
(2) When the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 is lower than the predetermined lower limit voltage value VL (Vfc <VL), it is necessary to supply auxiliary power to the
モータ駆動回路45は、燃料電池21やバッテリ31に対して並列に接続される負荷の一部を構成するもので、例えば車両用の交流モータMを駆動するインバータ回路が挙げられる。なお、負荷としては、モータ駆動回路45に駆動される車両用の交流モータM(例えば60kW相当)のほかに、燃料電池21に水素や酸素(空気)を供給する図示しないポンプやファン、その他、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用され電気を消費する補機類も含まれ得る。なおこのモータ駆動回路45と並列に電圧センサ41が接続されているため、この電圧センサ41によって検出された電圧は、HBCコントローラ51に出力される。
The
HBCコントローラ51は、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等から構成される制御装置で、FCコントローラ53に接続されているとともに、前述した電圧センサ33、電流センサ39、電圧センサ41等の各センサやスイッチング素子36、37等にも接続されている。そして、このうちのメモリには、後述する補助電力供給処理(図2参照)を実行可能な補助電力供給プログラムや一連の基本処理を実行可能なシステムプログラム等が格納されている。これにより、FCコントローラ53に対し所定情報の受け渡しをすることができるほか、電圧センサ33から入力されるバッテリ31のBT電圧Vbtの情報や電圧センサ41から入力されるモータ駆動回路45に対する印加電圧VRLの情報あるいは電流センサ39から入力されるバッテリ31の出力電流Ibtの情報等に基づいて、後述する補助電力供給処理を実行することができる。
The HBC controller 51 is a control device including a microprocessor, a memory, an input / output interface, and the like (not shown), and is connected to the
FC/Mコントローラ53も、HBCコントローラ51と同様に、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等からなる制御装置で、HBCコントローラ51や、燃料電池21、電圧センサ23、電流センサ25等にそれぞれ接続されている。そしてこのメモリには、燃料電池制御処理を実行可能な燃料電池制御プログラムが格納されている。これにより、HBCコントローラ51に対し所定情報の受け渡しや、FC電圧Vfcの情報やFC電流Ifcの情報に基づいて燃料電池21に供給される水素等の供給量の制御をすることができる。
Similarly to the HBC controller 51, the FC /
次に、上述した燃料電池システム20を制御するHBCコントローラ51による補助電力供給処理の流れを図2に基づいて説明する。なお、この補助電力供給処理は、図示しないメインプログラムによるタイマ割り込み処理等によって所定周期ごとに起動されるもので、HBCコントローラ51のメモリに格納される補助電力供給プログラムにより実行されるものである。
Next, the flow of auxiliary power supply processing by the HBC controller 51 that controls the
図2に示すように、補助電力供給処理は、所定の初期化処理の後、まずステップS101により、燃料電池21のFC電圧Vfcを電圧センサ23から読み込む処理を行う。これにより、HBCコントローラ51では、取得したFC電圧Vfcから、燃料電池21の現在の発電状態を把握する。
As shown in FIG. 2, in the auxiliary power supply process, after a predetermined initialization process, first, a process of reading the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 from the
続くステップS103では、ステップS101で取得したFC電圧Vfcが、後述するように予め設定された所定の下限電圧値VL以上であるか否か、換言すればFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回らないか否か、を判断する処理を行う。そして、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL以上である場合(FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回らない場合)には(ステップS103でYes)、後述する理由から、バッテリ31による補助電力をモータ駆動回路45に補う必要がないので、次ステップS105に処理を移行してスイッチング素子36のDUTY制御を停止する処理を行う。
In the subsequent step S103, it is determined whether or not the FC voltage Vfc acquired in step S101 is equal to or higher than a predetermined lower limit voltage value VL set in advance as described later, in other words, the FC voltage Vfc becomes equal to the predetermined lower limit voltage value VL. A process is performed to determine whether or not it falls below. When the FC voltage Vfc is equal to or higher than the predetermined lower limit voltage value VL (when the FC voltage Vfc does not fall below the predetermined lower limit voltage value VL) (Yes in step S103), the
一方、ステップS103の判断により、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLよりも高いことを判断できない場合(FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回る場合)には(ステップS103でNo)、後述する理由から、バッテリ31による補助電力をモータ駆動回路45に補う必要があるので、次ステップS107に処理を移行してスイッチング素子36のDUTY制御を開始する処理を行う。
On the other hand, when the determination in step S103 cannot determine that the FC voltage Vfc is higher than the predetermined lower limit voltage value VL (when the FC voltage Vfc is lower than the predetermined lower limit voltage value VL) (No in step S103), For reasons that will be described later, it is necessary to supplement the
ステップS105では、昇圧回路を構成するスイッチング素子36のベース端子あるいはゲート端子に印加する所定周期のスイッチング信号を中止する処理を行うことにより、スイッチング素子36による所定のDUTY制御が停止され、バッテリ31等による昇圧回路から補助電力の供給が行われないように制御される。これにより、燃料電池21が発電効率の高い領域にある場合には、バッテリ31等から過剰なエネルギ供給を防ぐことができる。
In step S105, the predetermined duty control by the switching
一方、ステップS107では、スイッチング素子36のベース端子あるいはゲート端子に所定周期のスイッチング信号を印加する処理を行うことにより、昇圧回路を構成するスイッチング素子36のオンオフ制御が当該スイッチング信号による所定のDUTY制御によって行われるので、昇圧回路から所定の補助電力がモータ駆動回路45に供給されるように制御する。これにより、燃料電池21の発電効率の低い領域では、モータ駆動回路45に対しバッテリ31等から補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域にある燃料電池21から過剰に電力を取り出すことを防止することができる。
On the other hand, in step S107, by performing a process of applying a switching signal of a predetermined period to the base terminal or the gate terminal of the switching
ここで、図3および図4を参照して、上述した所定の下限電圧値VLがどのように決定され設定されているかについて説明する。なお、図3は、単セル当たりの燃料電池21の出力特性を示す特性図で、横軸に燃料電池21の出力電流密度[A/cm2 ]、左縦軸に燃料電池21のFC電圧[V]、右縦軸に燃料電池21の出力電力密度[W/cm2 ]をとったもので、電流密度に対する電圧の特性(以下「I-V 特性」という)を示す曲線Aおよび電流密度に対する電力密度の特性(以下「I-P 特性」という)を示す曲線Bがそれぞれ表されている。 Here, how the predetermined lower limit voltage value VL is determined and set will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the output characteristics of the fuel cell 21 per unit cell. The horizontal axis represents the output current density [A / cm 2 ] of the fuel cell 21, and the left vertical axis represents the FC voltage [of the fuel cell 21]. V], the right vertical axis represents the output power density [W / cm 2 ] of the fuel cell 21, and the curve A showing the voltage characteristics with respect to the current density (hereinafter referred to as “IV characteristics”) and the power density with respect to the current density. Curves B showing the characteristics (hereinafter referred to as “IP characteristics”) are shown.
また、図4は、単セル当たりの燃料電池21の出力特性を示す特性図で、横軸に燃料電池21の出力電流密度[A/cm2 ]、左縦軸に燃料電池21のFC電圧[V]および出力電力密度[W/cm2 ]、右縦軸に燃料電池21の電圧効率[%]をとったもので、図3と同様のI-V 特性を示す曲線A、図3と同様のI-P 特性を示す曲線Bおよび電流密度に対する電圧効率の特性(以下「Vef特性」という)を示す曲線Cがそれぞれ表されている。この特性図は、燃料電池21の開放電圧値に対するFC電圧Vfcの比率を示す曲線CをVef特性として表すことにより、同特性図上に表されている曲線A(I-V 特性)と曲線B(I-P 特性)との関係を明確にしたものである。なお曲線Aおよび曲線は、両者の特性上、互いに重複して描かれているため、図4では1本の曲線に見えることに留意されたい。 FIG. 4 is a characteristic diagram showing the output characteristics of the fuel cell 21 per unit cell. The horizontal axis represents the output current density [A / cm 2 ] of the fuel cell 21, and the left vertical axis represents the FC voltage [of the fuel cell 21]. V] and output power density [W / cm 2 ], and the right vertical axis represents the voltage efficiency [%] of the fuel cell 21. Curve A showing the same IV characteristics as FIG. 3 and IP similar to FIG. A curve B indicating characteristics and a curve C indicating characteristics of voltage efficiency with respect to current density (hereinafter referred to as “Vef characteristics”) are respectively shown. In this characteristic diagram, a curve C indicating the ratio of the FC voltage Vfc to the open circuit voltage value of the fuel cell 21 is expressed as a Vef characteristic, whereby a curve A (IV characteristic) and a curve B (IP The relationship with the characteristics is clarified. It should be noted that the curve A and the curve are drawn to overlap each other due to the characteristics of both, and thus appear as one curve in FIG.
なお、図3および図4に示す各特性曲線は、燃料電池21には必要な量の燃料としての水素ガスおよび酸化剤としての空気が十分に供給され、燃料電池21の水素極および空気極のイオン交換膜には十分な水分が含まれており、燃料電池21の温度は十分に高く作動温度範囲内にあり、燃料電池21を構成する部材の経時劣化はほとんどないものとする。 3 and FIG. 4, the characteristic curves shown in FIG. 3 and FIG. 4 indicate that the fuel cell 21 is sufficiently supplied with a necessary amount of hydrogen gas as the fuel and air as the oxidant. It is assumed that the ion exchange membrane contains sufficient moisture, the temperature of the fuel cell 21 is sufficiently high and within the operating temperature range, and the members constituting the fuel cell 21 hardly deteriorate with time.
(1) 図3に示すように、上述した所定の下限電圧値VLは、燃料電池21によって供給可能な最大電力WP を発電するときの電圧値VP に設定される。
即ち、図3に示す単セルのI-P 特性を示す曲線Bのピーク点(最大電力点)P、つまり燃料電池21の最も大きい電力(最大電力)WP (0.575W/cm2 )を発電するときの電圧値VP を、同図に示す単セルのI-V 特性を示す曲線Aから求め(電圧値VP =0.50V)、これを所定の下限電圧値VLに設定している。
(1) As shown in FIG. 3, a predetermined lower limit voltage VL described above, it is set to a voltage value V P at the time of generating the maximum power W P can be supplied by the fuel cell 21.
That is, the peak point (maximum power point) P of the curve B indicating the IP characteristics of the single cell shown in FIG. 3, that is, the highest power (maximum power) W P (0.575 W / cm 2 ) of the fuel cell 21 is generated. and to set the voltage value V P, determined from the curve a showing the IV characteristics of a single cell shown in FIG. (voltage value V P = 0.50V), into a predetermined lower limit voltage value VL of time.
これにより、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該電圧値VP (所定の下限電圧値VL)を下回るときには、燃料電池21は曲線Bのピーク点Pを超えて同点P右側の出力電力の低下した領域(発電効率の低い領域)で発電していることになる。このような理由から、図2を参照して説明した補助電力供給処理では、ステップS103において、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL(電圧値VP )を下回らないか否かを判断し、スイッチング素子36のDUTY制御を開始または停止させている。
As a result, when the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 is lower than the voltage value V P (predetermined lower limit voltage value VL), the fuel cell 21 exceeds the peak point P of the curve B and the output power on the right side of the same point P decreases. It means that power is generated in the area (area where power generation efficiency is low). For this reason, in the auxiliary power supply process described with reference to FIG. 2, it is determined in step S103 whether or not the FC voltage Vfc is below a predetermined lower limit voltage value VL (voltage value V P ). The duty control of the switching
(2) また、図3に示すように、当該所定の下限電圧値VLは、燃料電池21によって供給可能な最大電力WP を発電するときの電圧値VP 以上であって、当該最大電力WP の95%を発電するときの電圧値VQ 以下に設定されても良い。
即ち、図3に示す単セルのI-P 特性を示す曲線Bのピーク点(最大電力点)P、つまり燃料電池21の最も大きい電力(最大電力)WP (0.575W/cm2 )を発電するときの電圧値VP を同図に示す単セルのI-V 特性を示す曲線Aから求め(電圧値VP =0.50V)、この電圧値VP 以上で、その95%の点Qにおける電力WQ (0.575×0.95=0.546W/cm2 )を発電するときの曲線Aから求めた電圧値VQ (0.56V)以下に所定の下限電圧値VLが設定されている。
(2) Further, as shown in FIG. 3, the predetermined lower limit voltage VL is a the voltage V P or more when generating the maximum power W P can be supplied by the fuel cell 21, the maximum power W It may be set to a voltage value VQ or less when generating 95% of P.
That is, the peak point (maximum power point) P of the curve B indicating the IP characteristics of the single cell shown in FIG. 3, that is, the highest power (maximum power) W P (0.575 W / cm 2 ) of the fuel cell 21 is generated. voltage V P of the determined from the curve a showing the IV characteristics of a single cell shown in FIG. (voltage value V P = 0.50 V), this voltage value V P above, the power W in the point Q of 95% when The predetermined lower limit voltage value VL is set below the voltage value V Q (0.56 V) obtained from the curve A when generating Q (0.575 × 0.95 = 0.546 W / cm 2 ).
これにより、所定の下限電圧値VLにこのような設定幅(VP ≦VL≦VQ )を設けているので、モータ駆動回路45(負荷の一部)の電力要求に即して所定の下限電圧値VLを設定することができる。また、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該設定幅(VP ≦VL≦VQ )の中で予め設定された下限電圧値VLを超えて下回るときには、燃料電池21は曲線Bの点Qから点Pの範囲を超えて点P右側の出力電力の低下した領域(発電効率の低い領域)で発電していることになる。このような理由から、補助電力供給処理のステップS103において、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL(VP ≦VL≦VQ )を下回らないか否かを判断し、スイッチング素子36のDUTY制御を開始または停止するようにしても良い。
Thus, since such a setting range (V P ≦ VL ≦ V Q ) is provided for the predetermined lower limit voltage value VL, the predetermined lower limit is set in accordance with the power demand of the motor drive circuit 45 (part of the load). The voltage value VL can be set. Further, when the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 falls below the preset lower limit voltage value VL within the set range (V P ≦ VL ≦ V Q ), the fuel cell 21 changes from the point Q of the curve B to the point Q. The power is generated in the region where the output power is reduced on the right side of the point P beyond the range of P (region where the power generation efficiency is low). For this reason, in step S103 of the auxiliary power supply process, it is determined whether or not the FC voltage Vfc falls below a predetermined lower limit voltage value VL (V P ≦ VL ≦ V Q ), and the duty control of the switching
(3) さらに、図3に示すように、当該所定の下限電圧値VLは、燃料電池21のI-V 特性曲線の傾きが−0.4[V/A・cm2 ]の点のFC電圧値Vfc以上、燃料電池21によって供給可能な最大電力WP を発電するときの電圧値VP 以下の範囲内で設定されても良い。
例えば、図3に示すI-P 特性を示す曲線Bのピーク点Pの前後における所定範囲(例えば電流密度0.1A/cm2 ;図3に示すV1(1.15〜1.25)、V2(1.05〜1.15)の範囲)の曲線Bの傾き(図3に示すΔV1(−0.047V/0.1A・cm2 )、ΔV2(−0.032V/0.1A・cm2 ))を得ることにより、その傾きの平均値((ΔV1+ΔV2)/2;((−0.047−0.032)/2=−0.0395≒−0.4[V/A・cm2 ]))を求めたものを「燃料電池21のI-V 特性曲線の傾き」として定め、その傾きのときの燃料電池21のFC電圧Vfc以上、最大電力WP (0.575W/cm2 )の出力電圧値VP (0.50V)以下の範囲内で設定するようにしても良い。
(3) Further, as shown in FIG. 3, the predetermined lower limit voltage value VL is the FC voltage value Vfc at the point where the slope of the IV characteristic curve of the fuel cell 21 is −0.4 [V / A · cm 2 ]. above, the fuel cell 21 may be set within the range of the voltage value V P at the time of generating the maximum power W P can be supplied.
For example, a predetermined range before and after the peak point P of the curve B showing the IP characteristics shown in FIG. 3 (for example, current density 0.1 A / cm 2 ; V1 (1.15 to 1.25), V2 (1) shown in FIG. Slope of the curve B (ΔV1 (−0.047 V / 0.1 A · cm 2 ), ΔV2 (−0.032 V / 0.1 A · cm 2 ) shown in FIG. 3)) The average value of the slope ((ΔV1 + ΔV2) / 2; ((−0.047−0.032) /2=−0.0395≈−0.4 [V / A · cm 2 ])) Is determined as “the slope of the IV characteristic curve of the fuel cell 21”, and the output voltage value V of the maximum power W P (0.575 W / cm 2 ) is equal to or greater than the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 at that slope. You may make it set within the range below P (0.50V).
これにより、所定の下限電圧値VLにこのような、より具体的な設定幅を設けているので、燃料電池21の特性およびモータ駆動回路45(負荷の一部)の電力要求に即して所定の下限電圧値VLをより具体的に設定することができる。また、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該範囲を超えて下回るときには、燃料電池21は点P右側の出力電力の低下した領域(発電効率の低い領域)で発電していることになる。このような理由から、補助電力供給処理のステップS103において、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回らないか否かを判断し、スイッチング素子36のDUTY制御を開始または停止するようにしても良い。
As a result, such a more specific setting range is provided for the predetermined lower limit voltage value VL. Therefore, the predetermined lower limit voltage value VL is determined in accordance with the characteristics of the fuel cell 21 and the power requirement of the motor drive circuit 45 (a part of the load). The lower limit voltage value VL can be set more specifically. Further, when the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 falls below the range, the fuel cell 21 generates power in the region where the output power is reduced on the right side of the point P (region where the power generation efficiency is low). For this reason, in step S103 of the auxiliary power supply process, it is determined whether the FC voltage Vfc does not fall below a predetermined lower limit voltage value VL, and the duty control of the switching
(4) また、図4に示すように、上述した所定の下限電圧値VLは、燃料電池21の開放電圧値を100%としたときの、その35%以上50%以下の電圧値(図4に示す白抜き矢印の範囲内)に設定されていても良い。なお、図4に示す曲線C上の点Rは、曲線Bのピーク点Pに対応するもので、電圧効率35%以上50%以下の範囲にある。
即ち、図4に示すように、当該所定の下限電圧値VLは、燃料電池21の開放電圧値の観点から、単セルのI-P 特性を示す燃料電池21の発電効率の高い領域(ピーク点P)からVef特性を示す曲線Cにより、発電効率の高い領域を電圧効率の範囲として定めても良い。
(4) Further, as shown in FIG. 4, the predetermined lower limit voltage value VL described above is a voltage value of 35% or more and 50% or less when the open-circuit voltage value of the fuel cell 21 is 100% (FIG. 4). It may be set within the range of the white arrow shown in FIG. Note that a point R on the curve C shown in FIG. 4 corresponds to the peak point P of the curve B and is in the range of voltage efficiency of 35% or more and 50% or less.
That is, as shown in FIG. 4, the predetermined lower limit voltage value VL is a region (peak point P) where the power generation efficiency of the fuel cell 21 showing the IP characteristics of the single cell is high from the viewpoint of the open circuit voltage value of the fuel cell 21. From the curve C indicating the Vef characteristic, a region where the power generation efficiency is high may be determined as the range of the voltage efficiency.
これにより、所定の下限電圧値VLを容易に設定することができる。また、開放電圧値の35%以上50%以下の電圧値といった設定幅を設けているので、モータ駆動回路45(負荷の一部)の電力要求に即して所定の下限電圧値VLを設定することができる。さらに、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該所定の下限電圧値VLの範囲を超えて下回るときには、燃料電池21はその発電効率の高い所定範囲を超えて発電効率の低い領域で発電していることになる。このような理由から、補助電力供給処理のステップS103において、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回らないか否かを判断し、スイッチング素子36のDUTY制御を開始または停止するようにしても良い。
Thereby, the predetermined lower limit voltage value VL can be easily set. Further, since a setting range such as a voltage value of 35% or more and 50% or less of the open circuit voltage value is provided, a predetermined lower limit voltage value VL is set according to the power requirement of the motor drive circuit 45 (part of the load). be able to. Furthermore, when the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 falls below the predetermined lower limit voltage value VL, the fuel cell 21 generates power in a region where the power generation efficiency is low and exceeds the predetermined range where the power generation efficiency is high. become. For this reason, in step S103 of the auxiliary power supply process, it is determined whether the FC voltage Vfc does not fall below a predetermined lower limit voltage value VL, and the duty control of the switching
なお、以上説明した(1) 〜(4) による所定の下限電圧値VLの設定は、単セルの場合を例示して説明したものである。そのため、実際の燃料電池システム20においては上述した各値にセル数を乗じて得られた値に所定の下限電圧値VLを設定する必要のあることに留意されたい。
The setting of the predetermined lower limit voltage value VL according to (1) to (4) described above is described by exemplifying the case of a single cell. Therefore, it should be noted that in the actual
例えば、図5に示すように、燃料電池21の出力特性が50kWにおいてピーク(同図に示す点P)を示し、そのときの燃料電池21の出力電流/電圧が250A/200Vである場合には、所定の下限電圧値VLを200Vに設定する。これにより、電圧センサ23により検出した燃料電池21のFC電圧Vfcに基づいて、燃料電池21のFC電圧Vfcが200V以上を保持し得るようにモータ駆動回路45等に対してバッテリ31から補助電力を供給する。
For example, as shown in FIG. 5, when the output characteristic of the fuel cell 21 shows a peak at 50 kW (point P shown in the figure), and the output current / voltage of the fuel cell 21 at that time is 250 A / 200 V The predetermined lower limit voltage value VL is set to 200V. Thus, based on the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 detected by the
例えばモータ駆動回路45等からの要求電力が60kWのときには、燃料電池21から50kWの発電電力を供給し、燃料電池21のFC電圧Vfcが200V以上を保持し得るようにバッテリ31から10kWの補助電力を供給するので、燃料電池21の発電効率の低い領域(図5に示す曲線βの点P右側)では、モータ駆動回路45等に対して燃料電池21による50kWの電力供給に加え、バッテリ31からも10kWの補助電力が供給され、全60kWの電力を供給する様子が、図5において直線γに示す部分に表されている。このように燃料電池システム20では、燃料電池21の発電効率の高い領域(図5に示す曲線βの点P左側)から発電効率の低い領域(図5に示す曲線βの点P右側)に移行するとき、あるいはその手前で、バッテリ31による補助電力を加えるので、曲線βに示す破線部分のような減少傾向の特性に移行する前に負荷の要求に応えられる電力を供給することができる(直線γ部分)。
For example, when the required power from the
以上説明したように本実施形態に係る燃料電池システム20によると、電圧センサ23により、モータ駆動回路45等の負荷に対し電力供給する燃料電池21のFC電圧Vfcを検出し、バッテリ31により、検出された燃料電池21のFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回ると、モータ駆動回路45等に対しバッテリ31から、燃料電池21のFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL以上を保持し得る補助電力を供給する。つまり、電圧センサ23により検出した燃料電池21のFC電圧Vfcに基づいて、燃料電池21のFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL以上を保持し得るようにモータ駆動回路45等に対してバッテリ31から補助電力を供給するので、燃料電池21の出力電流に基づいた判断によりモータ駆動回路45等に補助電力を供給するものではない。これにより、燃料電池21の発電効率の低い領域では、モータ駆動回路45等に対して燃料電池21による電力供給に加え、バッテリ31からも補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域にある燃料電池21から過剰に電力を取り出すことを防止することができる。したがって、燃料電池21を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池21の発電を抑制し得る効果がある。
As described above, according to the
20 燃料電池システム
21 燃料電池
23 電圧センサ (電圧検出手段)
31 バッテリ (蓄電手段)
35 リアクトル (補助電力供給手段)
36 スイッチング素子 (補助電力供給手段)
45 モータ駆動回路 (負荷)
51 HBCコントローラ(補助電力供給手段)
Vfc 燃料電池のFC電圧
VL 所定の下限電圧値 (所定の電圧値)
VP 下限電圧(所定の電圧値、最大電力を発電するときの電圧値)
VQ 下限電圧(所定の電圧値、最大電力の95%以上を発電するときの電圧値)
20 Fuel Cell System 21
31 battery (electric storage means)
35 reactor (auxiliary power supply means)
36 Switching element (Auxiliary power supply means)
45 Motor drive circuit (load)
51 HBC controller (auxiliary power supply means)
Vfc Fuel cell FC voltage VL Predetermined lower limit voltage value (predetermined voltage value)
VP lower limit voltage (predetermined voltage value, voltage value when generating maximum power)
VQ lower limit voltage (predetermined voltage value, voltage value when generating 95% or more of maximum power)
Claims (5)
前記負荷に対し電力供給する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池の出力電圧が所定の電圧値を下回ると、前記負荷に対し前記蓄電手段から、前記燃料電池の出力電圧が前記所定の電圧値以上を保持し得る補助電力を供給する補助電力供給手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell and power storage means connected in parallel to a load,
A fuel cell for supplying power to the load;
Voltage detection means for detecting the output voltage of the fuel cell;
When the output voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means falls below a predetermined voltage value, the auxiliary power that can hold the output voltage of the fuel cell from the power storage means to the load above the predetermined voltage value Auxiliary power supply means for supplying power;
A fuel cell system comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007336417A JP4831063B2 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
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