JP2009093916A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、その制御の改善に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to an improvement in control thereof.
近年、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。このような燃料電池システムにおいて、白金触媒表面に形成された酸化皮膜を除去する回復制御を実行し、I−V特性の低下を抑制するものがある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記の燃料電池システムにおいては、触媒の活性の回復制御を実行すると、燃料電池のセル総電圧が大きく変動する。したがって、絶縁抵抗測定部によって燃料電池の絶縁抵抗を測定している最中に、触媒活性回復制御が実行されると、絶縁抵抗の誤測定を生じてしまうことがある。 However, in the fuel cell system described above, when the recovery control of the catalyst activity is executed, the total cell voltage of the fuel cell greatly fluctuates. Therefore, if the catalyst activity recovery control is executed while the insulation resistance measurement unit is measuring the insulation resistance of the fuel cell, an erroneous measurement of the insulation resistance may occur.
そこで、本発明は、誤測定などの不具合なく、絶縁抵抗測定及び触媒活性回復の制御を両立させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can achieve both insulation resistance measurement and control of catalyst activity recovery without inconvenience such as erroneous measurement.
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定部と、前記燃料電池の発電を制御する制御部とを有し、前記制御部が、前記絶縁抵抗測定部により絶縁抵抗を測定する前記絶縁抵抗測定制御及び前記燃料電池の触媒の活性を回復させる触媒活性回復制御を、それぞれ所定の実行条件にて実行する燃料電池システムであって、前記制御部は、前記絶縁抵抗測定制御中における前記触媒活性回復制御の実行を禁止する。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction of a reaction gas, an insulation resistance measurement unit that measures an insulation resistance of the fuel cell, and a control unit that controls power generation of the fuel cell. The fuel cell in which the control unit executes the insulation resistance measurement control for measuring the insulation resistance by the insulation resistance measurement unit and the catalyst activity recovery control for recovering the activity of the catalyst of the fuel cell, respectively, under predetermined execution conditions. In the system, the control unit prohibits execution of the catalyst activity recovery control during the insulation resistance measurement control.
かかる構成によれば、絶縁抵抗測定制御中に触媒活性回復制御の実行を禁止するので、触媒活性回復制御による電圧変動の影響を受けることなく、精度良く絶縁抵抗を測定することができる。つまり、誤測定などの不具合なく、絶縁抵抗測定制御及び触媒活性回復制御を両立させることができる。 According to such a configuration, since the execution of the catalyst activity recovery control is prohibited during the insulation resistance measurement control, the insulation resistance can be accurately measured without being affected by the voltage fluctuation due to the catalyst activity recovery control. That is, it is possible to achieve both insulation resistance measurement control and catalyst activity recovery control without inconvenience such as erroneous measurement.
前記制御部は、前記触媒活性回復制御の実行条件が不成立のときに前記絶縁抵抗測定制御の実行条件が成立した場合には、前記触媒活性回復制御の実行を所定時間禁止する物でも良い。 The controller may be configured to prohibit the execution of the catalyst activation recovery control for a predetermined time when the execution condition of the insulation resistance measurement control is satisfied when the execution condition of the catalyst activation recovery control is not satisfied.
前記制御部は、前記絶縁抵抗測定制御及び前記触媒活性回復制御の実行条件が同時に成立している場合には、前記絶縁抵抗測定制御の実行前に前記触媒活性回復制御を実行するものでも良い。 The controller may execute the catalyst activity recovery control before executing the insulation resistance measurement control when the execution conditions of the insulation resistance measurement control and the catalyst activity recovery control are satisfied at the same time.
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の絶縁抵抗を誤測定するなどの不具合なく、絶縁抵抗測定及び触媒活性回復の制御を両立させることが可能となる。 According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to achieve both insulation resistance measurement and catalyst activity recovery control without inconvenience such as erroneous measurement of the insulation resistance of the fuel cell.
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は本実施形態に係る燃料電池システム100の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体(例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど)にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of a
この車両は、減速ギア12を介して車輪63L、63Rに連結されたトラクションモータ61を駆動力源として走行する。トラクションモータ61の電源は、電源システム1である。電源システム1から出力される直流は、インバータ60で三相交流に変換され、トラクションモータ61に供給される。トラクションモータ61は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム1は、燃料電池40、バッテリ20、DC/DCコンバータ30などから構成される。
This vehicle travels using the
燃料電池40は、供給される反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池40は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜41を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒(電極触媒)が塗布されている。
なお、高分子電解質膜41に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒(以下、単に触媒という)などにも適用可能である。燃料電池40を構成する各セルは、高分子電解質膜41の両面にアノード極42とカソード極43とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体44を備えている。燃料電池40は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
The
The catalyst applied to the
この燃料電池40の出力電圧(以下、FC電圧)及び出力電流(以下、FC電流)は、それぞれ電圧センサ140及び電流センサ150によって測定される。燃料電池40の燃料極(アノード)には、燃料ガス供給源70から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極(カソード)には、酸化ガス供給源80から空気などの酸化ガスが供給される。
The output voltage (hereinafter referred to as FC voltage) and output current (hereinafter referred to as FC current) of the
燃料ガス供給源70は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やON/OFF時間などを調整することにより、燃料電池40に供給する燃料ガス量を制御する。
The fuel
酸化ガス供給源80は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池40に供給する酸化ガス量を調整する。
The oxidizing
バッテリ20は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ20の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器(例えばキャパシタ)を設けても良い。このバッテリ20は、燃料電池40の放電経路に介挿され、燃料電池40と並列に接続されている。バッテリ20と燃料電池40とはトラクションモータ用のインバータ60に並列接続されており、バッテリ20とインバータ6の間にはDC/DCコンバータ30が設けられている。
The
インバータ60は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御装置10から与えられる制御指令に応じて燃料電池40またはバッテリ20から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ61へ供給する。トラクションモータ61は、車輪63L、63Rを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ60によって制御される。
The
DC/DCコンバータ(電子機器、電圧変換装置)30は、例えば4つのパワー・トランジスタ(スイッチング素子)と専用のドライブ回路(いずれも図示略)によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。DC/DCコンバータ30は、バッテリ20から入力されたDC電圧を昇圧または降圧して燃料電池40側に出力する機能、燃料電池40などから入力されたDC電圧を昇圧または降圧してバッテリ20側に出力する機能を備えている。また、DC/DCコンバータ30の機能により、バッテリ20の充放電が実現される。
The DC / DC converter (electronic device, voltage conversion device) 30 is a full-bridge converter configured by, for example, four power transistors (switching elements) and a dedicated drive circuit (all not shown). The DC / DC converter 30 functions to step up or step down the DC voltage input from the
バッテリ20とDC/DCコンバータ30の間には、車両補機やFC補機などの補機類50が接続されている。バッテリ20は、これら補機類50の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器(照明機器、空調機器、油圧ポンプなど)をいい、FC補機とは、燃料電池40の運転に使用される種々の電力機器(燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど)をいう。
An
また、燃料電池40につながる配線には、絶縁抵抗測定部90が接続されている。絶縁抵抗測定部90は、燃料電池40と車体との間の絶縁抵抗を測定する。
An insulation
上述した各要素の運転は制御装置(制御部)10によって制御される。制御装置10は、内部にCPU、ROM、RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。
The operation of each element described above is controlled by a control device (control unit) 10. The
制御装置10は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁71や酸化ガス通路に設けられた調圧弁81、燃料ガス供給源70、酸化ガス供給源80、バッテリ20、DC/DCコンバータ30、インバータ60など、システム各部を制御する。この制御装置10には、例えば圧力センサ91によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ92によって検知される燃料電池40のFC電圧、電流センサ93によって検知される燃料電池40のFC電流、SOCセンサ21によって検知されるバッテリ20の充電状態SOC(State Of Charge)をあらわすSOC値など、種々のセンサ信号が入力される。
The
ところで、燃料電池40を低負荷で連続運転し続けると、高分子電解質膜41の白金触媒表面に酸化皮膜が形成されて白金触媒の有効面積が減少し、燃料電池40のI−V特性が低下する。このため、燃料電池システム100では、セル電圧を還元領域まで低下させることにより、白金触媒の表面の酸化皮膜を還元して取り除き、I−V特性の低下を抑制し、航続距離を伸ばす触媒活性回復制御を行う。
By the way, if the
例えば、停車中における間欠運転時に、DC/DCコンバータ30によって、所定の高電位回避電圧(酸化領域)からそれよりも低電圧に設定された所定の触媒活性回復目標電圧(還元領域)まで燃料電池40のセル総電圧を下げる。その後、コンバータ指令電圧をこの触媒活性回復目標電圧に維持したまま、酸化ガス欠乏状態にて燃料電池40のセル総電圧が低下するのを許容する。
そして、燃料電池40のセル総電圧が触媒活性回復目標電圧よりも低電圧に設定された所定の酸化ガス供給開始電圧に到達したところで、触媒活性回復制御を終了する。しかる後、酸化ガスの供給を開始して高電位回避制御に移行させ、燃料電池40のセル総電圧を高電位回避電圧に戻す。
For example, during intermittent operation while the vehicle is stopped, the fuel cell is operated by the DC /
Then, when the total cell voltage of the
なお、この触媒活性回復制御は、車速が所定速度以下(例えば、図2における車速ゼロの停車状態)となり、間欠運転中(例えば、図2における間欠ON以降の状態)であり、バッテリ20が所定電圧以下であり、前回の触媒活性回復制御から所定時間以上経過(例えば、図2におけるカウンタ成立以降の状態)し、水素漏れ判定中でなく、エアコンプレッサが停止中であることを実行許可の条件とし、基本的に、この条件が成立した際に実行される。 In this catalyst activity recovery control, the vehicle speed is equal to or lower than a predetermined speed (for example, the vehicle is stopped at zero vehicle speed in FIG. 2) and is intermittently operated (for example, the state after intermittent ON in FIG. 2). The condition for permitting execution is that the voltage is below the voltage, a predetermined time has passed since the previous catalyst activation recovery control (for example, the state after the counter is established in FIG. 2), and the air compressor is stopped, not in the hydrogen leak determination. Basically, it is executed when this condition is satisfied.
ところが、上記の触媒活性回復制御を実行すると、前述したように、燃料電池40のセル総電圧が大きく変動する。したがって、絶縁抵抗測定部90による絶縁抵抗測定中に触媒活性回復制御が実行されると、燃料電池40の絶縁抵抗を測定した際に誤測定を生じることがある。
However, when the above catalyst activity recovery control is executed, the total cell voltage of the
したがって、本実施形態にかかる燃料電池システム100では、同じ絶縁抵抗測定許可条件が成立している場合であっても、触媒活性回復制御の実行許可の条件が不成立であるときと成立しているときとでは、以下に説明するように別々の制御を行うようにしている。
Therefore, in the
(1)絶縁抵抗測定許可条件が成立したときに、触媒活性回復制御の実行許可の条件が不成立である場合
つまり、所定の絶縁抵抗測定許可条件が成立している一方で、図2に示すように、車両が停車して間欠運転中であるにもかかわらず、未だ前回の触媒活性回復制御から所定時間が経過していない(カウンタ不成立)場合は、触媒活性回復制御の実行許可の条件が不成立の場合に該当するから、かかる場合には同図に示すように、触媒活性回復制御の実施(触媒活性回復運転)を一定時間(例えば、60秒程度)禁止する触媒活性回復制御禁止時間(図2における触媒活性回復運転禁止の間)を設ける。
(1) When the condition for permitting the activation of the catalyst activation control is not satisfied when the condition for permitting the insulation resistance measurement is satisfied. That is, as shown in FIG. In addition, even if the vehicle stops and is intermittently operated, if the predetermined time has not passed since the previous catalyst activation recovery control (counter is not established), the conditions for permitting execution of the catalyst activation recovery control are not established. In this case, as shown in the figure, the catalyst activity recovery control prohibition time (FIG. 5) for prohibiting the catalyst activity recovery control (catalyst activity recovery operation) for a certain time (for example, about 60 seconds). 2 during the catalyst activity recovery operation prohibition in 2).
その結果、触媒活性回復制御禁止時間の間に、触媒活性回復制御の実行許可の条件が成立したとしても、触媒活性回復制御は禁止される。つまり、この触媒活性回復制御禁止時間中に、たとえ前回の触媒活性回復制御からの経過時間が所定時間を超えた(カウント成立)としても、触媒活性回復制御は行わない。かかる場合には、触媒活性回復制御禁止時間の終了後に、触媒活性回復制御が所定時間(例えば、10秒あるいはそれ以上)実行される。したがって、触媒活性回復制御を禁止している間に、絶縁抵抗測定部90によって精度良く絶縁抵抗を測定することができる。
As a result, even if the conditions for permitting execution of the catalyst activity recovery control are satisfied during the catalyst activity recovery control prohibition time, the catalyst activity recovery control is prohibited. That is, even if the elapsed time from the previous catalyst activation recovery control exceeds a predetermined time (count establishment) during this catalyst activation recovery control prohibition time, the catalyst activation recovery control is not performed. In such a case, after the end of the catalyst activity recovery control prohibition time, the catalyst activity recovery control is executed for a predetermined time (for example, 10 seconds or more). Therefore, the insulation
(2)絶縁抵抗測定許可条件が成立したときに、触媒活性回復制御の実行許可の条件が成立している場合
つまり、所定の絶縁抵抗測定許可条件が成立している場合であって、さらに図3に示すように、車両が停車して間欠運転中であり、前回の触媒活性回復制御から所定時間が経過している(カウンタ成立)ときは、触媒活性回復制御の実行許可の条件も成立している場合にも該当するから、かかる場合には同図に示すように、触媒活性回復制御の実施を一定時間(例えば、60秒)禁止する触媒活性回復制御禁止時間を(図3における触媒活性回復運転禁止の間)設ける。
したがって、この場合にも、触媒活性回復制御を禁止している間に、絶縁抵抗測定部90によって精度良く絶縁抵抗を測定することができる。
(2) When the insulation resistance measurement permission condition is satisfied, a condition for permitting execution of the catalyst activation recovery control is satisfied, that is, when a predetermined insulation resistance measurement permission condition is satisfied, As shown in FIG. 3, when the vehicle stops and is intermittently operated and a predetermined time has elapsed since the previous catalyst activation recovery control (counter established), the condition for permitting execution of the catalyst activation recovery control is also satisfied. In this case, as shown in FIG. 3, the catalyst activity recovery control prohibition time for prohibiting the catalyst activity recovery control from being performed for a certain time (for example, 60 seconds) is set (the catalyst activity in FIG. 3). Provided during recovery operation ban.
Therefore, also in this case, the insulation resistance can be accurately measured by the insulation
しかし、かかる場合において、触媒活性回復制御を触媒活性回復制御禁止時間の経過後に実行することとすると、その後の車両の走行パターンによっては、触媒活性回復制御の実行許可の条件が成立しなくなり、一旦は触媒活性回復制御の実行許可条件が成立したことがあるにもかかわらず、触媒活性回復制御が実行されなくなる恐れがある。 However, in such a case, if the catalyst activity recovery control is executed after the elapse of the catalyst activity recovery control prohibition time, the condition for permitting execution of the catalyst activity recovery control may not be satisfied depending on the subsequent running pattern of the vehicle. However, there is a possibility that the catalyst activity recovery control is not executed even though the condition for permitting the catalyst activity recovery control is satisfied.
そこで、かかる場合には、触媒活性回復制御を禁止する前に、所定時間(例えば、10秒以内)だけ触媒活性回復制御を実行する。これにより、一旦は触媒活性回復制御の実行許可条件が成立したことがあるにもかかわらず、触媒活性回復制御が実行されないといった不具合を回避しつつ、絶縁抵抗測定部90によって絶縁抵抗を良好に測定することができる。
Therefore, in such a case, the catalyst activity recovery control is executed for a predetermined time (for example, within 10 seconds) before prohibiting the catalyst activity recovery control. As a result, the insulation
以上、説明したように、上記実施形態にかかる燃料電池システム100によれば、絶縁抵抗測定制御中に触媒活性回復制御の実行を禁止するので、触媒活性回復制御による電圧変動の影響を受けることなく、精度良く絶縁抵抗を測定することができる。つまり、誤測定などの不具合なく、絶縁抵抗測定制御及び触媒活性回復制御を両立させることができる。
As described above, according to the
10・・・制御装置(制御部)、40・・・燃料電池、90…絶縁抵抗測定部、100・・・燃料電池システム。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定部と、
前記燃料電池の発電を制御する制御部とを有し、
前記制御部が、前記絶縁抵抗測定部により絶縁抵抗を測定する前記絶縁抵抗測定制御及び前記燃料電池の触媒の活性を回復させる触媒活性回復制御を、それぞれ所定の実行条件にて実行する燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記絶縁抵抗測定制御中における前記触媒活性回復制御の実行を禁止する燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of the reaction gas; and
An insulation resistance measurement unit for measuring insulation resistance of the fuel cell;
A control unit for controlling the power generation of the fuel cell,
A fuel cell system in which the control unit executes the insulation resistance measurement control for measuring the insulation resistance by the insulation resistance measurement unit and the catalyst activity recovery control for recovering the activity of the catalyst of the fuel cell under predetermined execution conditions. Because
The control unit is a fuel cell system that prohibits execution of the catalyst activity recovery control during the insulation resistance measurement control.
前記制御部は、前記触媒活性回復制御の実行条件が不成立のときに前記絶縁抵抗測定制御の実行条件が成立した場合には、前記触媒活性回復制御の実行を所定時間禁止する燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The control unit is a fuel cell system that prohibits execution of the catalyst activation recovery control for a predetermined time when the execution condition of the insulation resistance measurement control is satisfied when the execution condition of the catalyst activation recovery control is not satisfied.
前記制御部は、前記絶縁抵抗測定制御及び前記触媒活性回復制御の実行条件が同時に成立している場合には、前記絶縁抵抗測定制御の実行前に前記触媒活性回復制御を実行する燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The control unit performs the catalyst activity recovery control before executing the insulation resistance measurement control when execution conditions of the insulation resistance measurement control and the catalyst activity recovery control are satisfied at the same time.
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