JP2011204361A - Control method of fuel cell system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To cancel power supply from a fuel cell more appropriately.SOLUTION: The fuel cell system 100 is provided with a fuel cell 10, an FC relay 14, a current sensor 30, and an abnormality determination part for determining abnormality of a fuel cell. When the abnormality determination part makes abnormality determination on the fuel cell 10, supply of hydrogen and air to the fuel cell 10 is intercepted to lower a power generation volume of the fuel cell 10, and, after a current detected by the current sensor 30 falls below a given value, the FC relay 14 is changed over to cancel electric connection of the fuel cell 10 and a load system.

Description

本発明は、燃料電池システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a control method for a fuel cell system.

充放電可能な二次電池とモータを、燃料電池とともに車両に搭載し、モータの回生電力を二次電池に充電可能に構成することにより燃料の消費を低減させる燃料電池ハイブリッドシステムが知られている。   2. Description of the Related Art A fuel cell hybrid system is known in which a chargeable / dischargeable secondary battery and a motor are mounted on a vehicle together with a fuel cell, and the regenerative power of the motor can be charged to the secondary battery to reduce fuel consumption. .

燃料電池ハイブリッドシステムを含む燃料電池システムには一般に、電力を消費する負荷系統と燃料電池との接続を入り切りするためのリレー回路（「燃料電池リレー」または「ＦＣリレー」とも称する）が設けられている。   A fuel cell system including a fuel cell hybrid system is generally provided with a relay circuit (also referred to as “fuel cell relay” or “FC relay”) for switching on and off the connection between a load system that consumes power and the fuel cell. Yes.

特開２００９−１６５２４３号公報JP 2009-165243 A 特開２００７−２９５７８４号公報JP 2007-295784 A

本発明は、燃料電池に何らかの不具合が生じたときに燃料電池リレーを操作して燃料電池からの電力供給をより適切に解除することができる燃料電池システムの制御方法を提供する。   The present invention provides a control method for a fuel cell system that can operate a fuel cell relay and properly release the power supply from the fuel cell when a malfunction occurs in the fuel cell.

本発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む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、前記燃料電池と前記燃料電池で発電された電力を消費する電力消費手段との電気的接続を入り切りする燃料電池リレーと、前記燃料電池と前記燃料電池リレーとの間の電流を検出する電流検出手段と、前記燃料電池の異常を判定する異常判定部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記異常判定部が前記燃料電池の異常判定をしたときに、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を遮断して前記燃料電池の発電量を低下させるガス供給遮断工程と、前記電流検出手段が検出する電流が所定値以下になった後に前記燃料電池リレーを切り替えて、前記燃料電池と負荷系統との電気的接続を解除する工程と、を含む、燃料電池システムの制御方法である。   The present invention relates to a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen, and an electrical connection between the fuel cell and a power consuming unit that consumes the power generated by the fuel cell. Control of a fuel cell system comprising: a fuel cell relay that switches connection and disconnection; a current detection means that detects a current between the fuel cell and the fuel cell relay; and an abnormality determination unit that determines abnormality of the fuel cell. A gas that reduces the power generation amount of the fuel cell by shutting off the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell when the abnormality determination unit determines the abnormality of the fuel cell. A supply shut-off step, and a step of switching the fuel cell relay after the current detected by the current detection means becomes a predetermined value or less to cancel the electrical connection between the fuel cell and the load system. Is a control method for a fuel cell system.

本発明はまた、前記ガス供給遮断工程が、燃料電池内に残存する酸素量が水素量に対し過剰とならないように前記酸化剤ガスの供給と前記燃料ガスの供給を順に遮断する工程である、燃料電池システムの制御方法である。   In the present invention, the gas supply blocking step is a step of sequentially blocking the supply of the oxidant gas and the supply of the fuel gas so that the amount of oxygen remaining in the fuel cell does not become excessive with respect to the amount of hydrogen. A control method for a fuel cell system.

本発明によれば、燃料電池からの燃料電池リレーを経由する電力供給をより適切に解除することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric power supply via a fuel cell relay from a fuel cell can be cancelled | released more appropriately.

本発明の実施の形態における燃料電池システムの系統図である。1 is a system diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図１に示す燃料電池システムの制御方法の一例を説明するためのタイムチャートである。3 is a time chart for explaining an example of a control method of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図１に示す燃料電池システムの制御方法の他の例を説明するためのタイムチャートである。6 is a time chart for explaining another example of the control method of the fuel cell system shown in FIG. 1. 図３において、特に燃料電池への水素ガスと空気との供給に着目したタイムチャートである。In FIG. 3, it is the time chart which paid its attention especially to supply of hydrogen gas and air to a fuel cell.

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１に示すように、図示しない燃料電池ハイブリッド車両に搭載することができる燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、ＦＣ昇圧コンバータ１２と、ＦＣリレー１４と、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）１６と、モータ１８と、補機２０と、バッテリ２２と、を備えている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, a fuel cell system 100 that can be mounted on a fuel cell hybrid vehicle (not shown) includes a fuel cell 10, an FC boost converter 12, an FC relay 14, a power control unit (PCU) 16, A motor 18, an auxiliary machine 20, and a battery 22 are provided.

燃料電池１０は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気（エア）が供給され、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電するものである。水素ガスは例えば、高圧の水素タンク（図示せず）から燃料ガス流路２４を介して燃料極（アノード）に供給され、空気は例えば、酸化剤ガス流路２６を介し、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）によって酸化剤極（カソード）に供給される。一般に、燃料電池システム１００に適用される燃料電池１０は、最小の構成単位としての単セルを複数積層させた構成を有しているため、しばしば燃料電池スタックまたはＦＣスタックと称することがある。   The fuel cell 10 is supplied with hydrogen as a fuel gas and air (air) as an oxidant gas, and generates power by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the air. Hydrogen gas is supplied from, for example, a high-pressure hydrogen tank (not shown) to the fuel electrode (anode) via the fuel gas passage 24, and air is supplied to the air compressor (ACP) via the oxidant gas passage 26, for example. To the oxidant electrode (cathode). In general, the fuel cell 10 applied to the fuel cell system 100 has a configuration in which a plurality of single cells as minimum structural units are stacked, and thus is often referred to as a fuel cell stack or an FC stack.

ＦＣ昇圧コンバータ１２は、燃料電池１０から出力された電圧を昇圧することができる。ＦＣ昇圧コンバータ１２で昇圧された電力は、ＦＣリレー１４を介してＰＣＵ１６に供給される。   The FC boost converter 12 can boost the voltage output from the fuel cell 10. The power boosted by the FC boost converter 12 is supplied to the PCU 16 via the FC relay 14.

ＦＣリレー１４は、ＦＣ昇圧コンバータ１２とＰＣＵ１６との電気的な接続を入り切りするためのものである。ＦＣリレー１４が閉となると燃料電池１０における発電電力はＦＣ昇圧コンバータ１２、ＰＣＵ１６を介して補機２０などの電力消費手段に供給される。   The FC relay 14 is for turning on and off the electrical connection between the FC boost converter 12 and the PCU 16. When the FC relay 14 is closed, the power generated in the fuel cell 10 is supplied to the power consuming means such as the auxiliary machine 20 via the FC boost converter 12 and the PCU 16.

ＰＣＵ１６は、燃料電池１０および／またはバッテリ２２からの電力を所望の状態に調整するための各装置の総称である。ＰＣＵ１６には、例えば、バッテリ２２の電圧を昇圧するバッテリ昇圧コンバータ（図示せず）、バッテリ昇圧コンバータおよび／またはＦＣ昇圧コンバータ１２からの直流電力を交流電力に変換してモータ１８に供給するモータインバータ（図示せず）などを備えることができる。必要に応じて、バッテリ昇圧コンバータおよび／またはＦＣ昇圧コンバータ１２からの直流電力を交流電力に変換して補機２０に供給する補機用インバータ（図示せず）を備えることもできる。   The PCU 16 is a generic name for each device for adjusting the power from the fuel cell 10 and / or the battery 22 to a desired state. The PCU 16 includes, for example, a motor boost converter (not shown) that boosts the voltage of the battery 22, a motor inverter that converts DC power from the battery boost converter and / or the FC boost converter 12 into AC power and supplies the AC power to the motor 18. (Not shown) or the like. If necessary, an auxiliary inverter (not shown) for converting DC power from the battery boost converter and / or the FC boost converter 12 into AC power and supplying it to the auxiliary machine 20 may be provided.

モータ１８は、ＰＣＵ１６から供給された電力を利用して駆動する。燃料電池ハイブリッド車両では一般に、図示しない駆動輪の回転のために利用される駆動モータ（Ｔ／Ｍ）として機能する。実施の形態では、モータ１８はまた、駆動輪の制動に伴う回生エネルギーを利用してバッテリ２２を充電するためのジェネレータとして機能することもできる。   The motor 18 is driven using the power supplied from the PCU 16. In general, a fuel cell hybrid vehicle functions as a drive motor (T / M) used for rotation of drive wheels (not shown). In the embodiment, the motor 18 can also function as a generator for charging the battery 22 using regenerative energy associated with braking of the drive wheels.

補機２０は、燃料電池１０から供給される電力および／または必要に応じてバッテリ２２からの電力を利用することができる電力消費手段である。補機２０としては、例えば、酸化剤ガス流路２６に設けられるエアコンプレッサ（ＡＣＰ）、燃料ガス流路２４に設けられる水素流通および／または循環用のポンプ、燃料電池用冷却媒体流通用のポンプ等の、主として燃料電池１０において用いられる、いわゆるＦＣ補機を含むことができる。   The auxiliary machine 20 is a power consuming means that can use the power supplied from the fuel cell 10 and / or the power from the battery 22 as necessary. Examples of the auxiliary machine 20 include an air compressor (ACP) provided in the oxidant gas passage 26, a hydrogen circulation and / or circulation pump provided in the fuel gas passage 24, and a fuel cell coolant supply pump. In other words, a so-called FC auxiliary machine mainly used in the fuel cell 10 can be included.

バッテリ２２は、充放電可能なリチウムイオン電池などで構成された二次電池である。実施の形態においては、バッテリ２２として、いわゆる高圧バッテリを適用することができる。   The battery 22 is a secondary battery composed of a chargeable / dischargeable lithium ion battery or the like. In the embodiment, a so-called high voltage battery can be applied as the battery 22.

また、ＦＣ昇圧コンバータ１２からＰＣＵ１６に向けて電流を流すための電路２８には、ＦＣ昇圧コンバータ１２とＦＣリレー１４との間に、燃料電池１０からの出力電流を検出するための電流検出手段としての電流センサ３０が設けられている。   In addition, a current detection unit for detecting an output current from the fuel cell 10 is provided between the FC boost converter 12 and the FC relay 14 in the electric circuit 28 for flowing a current from the FC boost converter 12 to the PCU 16. Current sensor 30 is provided.

また、燃料電池システム１００は、制御部（図示せず）をさらに備えることができる。実施の形態において、制御部は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータであり、燃料電池１０、ＦＣ昇圧コンバータ１２、ＦＣリレー１４、ＰＣＵ１６、モータ１８、補機２０に接続され、制御部の指令によって動作するよう構成されている。また、バッテリ２２と電流センサ３０はそれぞれ制御部に接続され、バッテリ２２の状態と電流センサ３０の検出信号が制御部に入力されるよう構成されている。制御部はまた、燃料電池１０の内部または近傍に設けられた、図示しない異常検出部からの情報に基づいて燃料電池１０の何らかの異常を判定する異常判定部をさらに備える。   The fuel cell system 100 may further include a control unit (not shown). In the embodiment, the control unit is a computer including a CPU that performs signal processing inside and a storage unit that stores programs and control data. The fuel cell 10, the FC boost converter 12, the FC relay 14, the PCU 16, and the motor 18. It is connected to the auxiliary machine 20 and is configured to operate according to a command from the control unit. Further, the battery 22 and the current sensor 30 are respectively connected to the control unit, and the state of the battery 22 and the detection signal of the current sensor 30 are input to the control unit. The control unit further includes an abnormality determination unit that is provided in or near the fuel cell 10 and determines any abnormality of the fuel cell 10 based on information from an abnormality detection unit (not shown).

一般に、異常検出部で検出された、燃料電池１０の異常に関する情報が制御部に通知され、異常判定部により燃料電池１０の異常が判定されると、燃料電池１０の運転を停止させるとともに、ＦＣリレー１４を閉→開に切り替え、燃料電池１０から電力消費手段への電力供給を解除する。ここで、燃料電池１０の内部に燃料ガス／酸化剤ガスが残存し、燃料電池１０からの電力供給が継続した状態でＦＣリレー１４の接続を解除すると、ＦＣリレー１４の接点が溶着してしまう場合がある。本発明の実施の形態では、このような不具合を防止するために、以下に示すようなタイムチャートによりＦＣリレー１４を切り替えるように燃料電池システム１００の制御を行なう。   In general, when the control unit is notified of information related to the abnormality of the fuel cell 10 detected by the abnormality detection unit, and the abnormality determination unit determines that the fuel cell 10 is abnormal, the operation of the fuel cell 10 is stopped and the FC The relay 14 is switched from closed to open, and power supply from the fuel cell 10 to the power consuming means is released. Here, if fuel gas / oxidant gas remains in the fuel cell 10 and the connection of the FC relay 14 is released while the power supply from the fuel cell 10 is continued, the contact of the FC relay 14 is welded. There is a case. In the embodiment of the present invention, in order to prevent such a problem, the fuel cell system 100 is controlled to switch the FC relay 14 according to a time chart as shown below.

図１に示す燃料電池システム１００の制御方法について、図２〜４を用いて以下に説明する。   A control method of the fuel cell system 100 shown in FIG. 1 will be described below with reference to FIGS.

図２に示すように、時刻ｔ1に燃料電池１０の異常が検出されると、水素タンクから燃料電池１０への水素の供給およびエアコンプレッサによる燃料電池１０への空気の供給の供給を遮断する（図２では水素（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）とを総称して「燃料」と記している）。水素および空気の供給を遮断したことに伴い、電流センサ３０で検出される電流（リレー電流）の値は次第に低下する。上述したようなＦＣリレー１４の接点の溶着は、電流センサ３０で検出される電流値が所定の閾値以下となるまでＦＣリレー１４の接続を維持することにより回避できることがわかっている。したがって、この閾値について予め設定し、電流センサ３０で検出される電流値が、この時刻ｔ2において閾値以下となったことが検出されてからＦＣリレー１４の接続を解除することにより、ＦＣリレー１４の接点が溶着することなく、適切にＦＣリレー１４の接続を解除することができる。 As shown in FIG. 2, when the abnormality of the fuel cell 10 at time t 1 is detected, to cut off the supply of the supply of air from the hydrogen tank to the fuel cell 10 by the supply and the air compressor of the hydrogen to the fuel cell 10 (In FIG. 2, hydrogen (fuel gas) and air (oxidant gas) are collectively referred to as “fuel”). As the supply of hydrogen and air is cut off, the value of the current (relay current) detected by the current sensor 30 gradually decreases. It has been found that the welding of the contact of the FC relay 14 as described above can be avoided by maintaining the connection of the FC relay 14 until the current value detected by the current sensor 30 becomes a predetermined threshold value or less. Thus, previously set for the threshold, when a current value detected by the current sensor 30, it was equal to or less than the threshold value at time t 2 to disconnect the FC relay 14 is detected, FC relays 14 Thus, the connection of the FC relay 14 can be appropriately released without welding.

ここで、時刻ｔ1において水素と空気の供給を同時に遮断すると、燃料電池１０中に残存する水素量および酸素量の割合によっては、燃料電池１０の内部が水素欠乏状態となり、燃料電池１０に更なる不具合が生じる場合がありうる。そこで、図３に示すように、時刻ｔ1に燃料電池１０の異常が検出された場合に、まずエアコンプレッサによる燃料電池１０への空気の供給のみを遮断することも好適である。図４に示すように、燃料電池１０内に残存する酸素量が水素量に対し過剰とならないように水素および空気の供給圧力が調圧されている状態において、時刻ｔ1に燃料電池１０の異常が検出されると、まず空気の供給を遮断し、電流センサ３０で検出される電流値を低下させる。その後、時刻ｔ2において電流センサ３０で検出される電流値が、所定の閾値以下となったことが検出されてから水素の供給を遮断し、ＦＣリレー１４を解除する。本実施の形態によれば、燃料電池１０内の水素量の欠乏に伴う不具合をも回避することができる。なお、水素の供給を遮断する時刻ｔは、燃料電池１０内に残存する酸素量が水素量に対し過剰とならないようにする限り、時刻ｔ2よりも後であっても良い。 Here, if the supply of hydrogen and air is cut off simultaneously at time t 1 , depending on the ratio of the amount of hydrogen and the amount of oxygen remaining in the fuel cell 10, the inside of the fuel cell 10 becomes in a hydrogen-deficient state, May cause a problem. Therefore, as shown in FIG. 3, when an abnormality of the fuel cell 10 is detected at time t 1 , it is also preferable to first cut off only the air supply to the fuel cell 10 by the air compressor. As shown in FIG. 4, when the supply pressure of hydrogen and air is regulated so that the amount of oxygen remaining in the fuel cell 10 does not become excessive with respect to the amount of hydrogen, the abnormality of the fuel cell 10 occurs at time t 1. Is detected, the air supply is first shut off, and the current value detected by the current sensor 30 is reduced. After that, when it is detected that the current value detected by the current sensor 30 at the time t 2 is equal to or less than a predetermined threshold, the supply of hydrogen is cut off and the FC relay 14 is released. According to the present embodiment, it is possible to avoid problems associated with a deficiency in the amount of hydrogen in the fuel cell 10. Note that the time t at which the supply of hydrogen is cut off may be after the time t 2 as long as the amount of oxygen remaining in the fuel cell 10 is not excessive with respect to the amount of hydrogen.

本発明は、種々の燃料電池システムに利用可能であるが、例えばハイブリッド車両に搭載可能な燃料電池ハイブリッドシステムなどに利用可能である。   The present invention can be used for various fuel cell systems. For example, the present invention can be used for a fuel cell hybrid system that can be mounted on a hybrid vehicle.

１０ 燃料電池、１２ 昇圧コンバータ、１４ ＦＣリレー、１６ ＰＣＵ、１８ モータ、２０ 補機、２２ バッテリ、２４ 燃料ガス流路、２６ 酸化剤ガス流路、２８ 電路、３０ 電流センサ、１００ 燃料電池システム。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 12 Boost converter, 14 FC relay, 16 PCU, 18 Motor, 20 Auxiliary machine, 22 Battery, 24 Fuel gas flow path, 26 Oxidant gas flow path, 28 Electrical path, 30 Current sensor, 100 Fuel cell system.

Claims (2)

水素を含む燃料ガスと酸素を含む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、
前記燃料電池と前記燃料電池で発電された電力を消費する電力消費手段との電気的接続を入り切りする燃料電池リレーと、
前記燃料電池と前記燃料電池リレーとの間の電流を検出する電流検出手段と、
前記燃料電池の異常を判定する異常判定部と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記異常判定部が前記燃料電池の異常判定をしたときに、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を遮断して前記燃料電池の発電量を低下させるガス供給遮断工程と、
前記電流検出手段が検出する電流が所定値以下になった後に前記燃料電池リレーを切り替えて、前記燃料電池と負荷系統との電気的接続を解除する工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen;
A fuel cell relay that turns on and off an electrical connection between the fuel cell and a power consuming means that consumes the power generated by the fuel cell;
Current detection means for detecting a current between the fuel cell and the fuel cell relay;
An abnormality determination unit for determining an abnormality of the fuel cell;
A control method for a fuel cell system comprising:
A gas supply shut-off step of reducing the power generation amount of the fuel cell by shutting off the supply of the fuel gas and the oxidant gas to the fuel cell when the abnormality determination unit makes an abnormality determination of the fuel cell;
Switching the fuel cell relay after the current detected by the current detection means becomes a predetermined value or less, and releasing the electrical connection between the fuel cell and the load system;
A control method for a fuel cell system, comprising: 前記ガス供給遮断工程が、燃料電池内に残存する酸素量が水素量に対し過剰とならないように前記酸化剤ガスの供給と前記燃料ガスの供給を順に遮断する工程であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法。   The gas supply blocking step is a step of sequentially blocking the supply of the oxidant gas and the supply of the fuel gas so that the amount of oxygen remaining in the fuel cell does not become excessive with respect to the amount of hydrogen. Item 4. A fuel cell system control method according to Item 1.
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