JP2016012431A - Fuel cell system - Google Patents

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修一 数野
佐伯　響
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Kotaro Shigeno
高太郎 繁野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration caused by an excessive potential rise in a fuel cell.SOLUTION: The fuel cell system 10 includes a first voltage regulator 13 disposed at a first connection line 21 for connecting a battery 12 with a running motor 15, and a second voltage regulator 14 disposed at a second connection line 22 for connecting a fuel cell stack 11 between the battery 12 and the first voltage regulator 13 on the first connection line 21. A open voltage of the fuel cell stack 11 is set to be higher than a lower limit voltage of the battery 12.

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system.

従来、燃料電池の出力電圧を蓄電装置の充電電圧に変換する充電用電圧コンバータと、蓄電装置の出力電圧を負荷に印加する設定出力電圧に変換する出力用電圧コンバータとを備える電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。   2. Description of the Related Art Conventionally, a power supply device is known that includes a charging voltage converter that converts an output voltage of a fuel cell into a charging voltage of a power storage device, and an output voltage converter that converts the output voltage of the power storage device into a set output voltage that is applied to a load. (For example, refer to Patent Document 1).

特開２００７−３２８９５５号公報JP 2007-328955 A

しかしながら、上記従来技術に係る電源装置によれば、燃料電池の出力電圧と蓄電装置の端子電圧との関係については考慮されていないので、電源装置の作動状態に応じた燃料電池の過大な電位上昇に起因して劣化が生じる場合がある。   However, according to the power supply device according to the above prior art, since the relationship between the output voltage of the fuel cell and the terminal voltage of the power storage device is not considered, the excessive increase in potential of the fuel cell according to the operating state of the power supply device Degradation may occur due to this.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化を抑制す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している。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration due to an excessive potential increase in the fuel cell.

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る燃料電池システムは、蓄電装置（例えば、実施形態でのバッテリ１２）と、負荷（例えば、実施形態での走行用モータ１５）と、前記蓄電装置と前記負荷とを接続する第１接続ライン（例えば、実施形態での第１接続ライン２１）に配置される第１電圧調整装置（例えば、実施形態での第１電圧調整装置１３）と、燃料電池（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、前記第１接続ライン上における前記蓄電装置と前記第１電圧調整装置との間と前記燃料電池とを接続する第２接続ライン（例えば、実施形態での第２接続ライン２２）に配置される第２電圧調整装置（例えば、実施形態での第２電圧調整装置１４）と、を備え、前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の下限電圧よりも高く設定されている。 In order to solve the above problems and achieve the object, the present invention employs the following aspects.
(1) A fuel cell system according to an aspect of the present invention includes a power storage device (for example, the battery 12 in the embodiment), a load (for example, the traveling motor 15 in the embodiment), the power storage device, and the load. A first voltage adjusting device (for example, the first voltage adjusting device 13 in the embodiment) disposed in a first connection line (for example, the first connection line 21 in the embodiment), and a fuel cell (for example, The fuel cell stack 11) in the embodiment and a second connection line (for example, in the embodiment) that connects the fuel cell between the power storage device and the first voltage regulator on the first connection line. A second voltage adjusting device (for example, the second voltage adjusting device 14 in the embodiment) disposed in the second connection line 22), and the open voltage of the fuel cell is lower than the lower limit voltage of the power storage device Set too high That.

（２）上記（１）に記載の燃料電池システムでは、前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の上限電圧よりも高く設定されてもよい。 (2) In the fuel cell system according to (1), the open voltage of the fuel cell may be set higher than the upper limit voltage of the power storage device.

（３）上記（１）に記載の燃料電池システムでは、前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の目標残容量の開放電圧以下に設定されてもよい。 (3) In the fuel cell system according to (1), the open voltage of the fuel cell may be set to be equal to or lower than the open voltage of the target remaining capacity of the power storage device.

（４）上記（１）に記載の燃料電池システムでは、前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の上限電圧以下に設定されてもよい。 (4) In the fuel cell system according to (1), the open voltage of the fuel cell may be set to be equal to or lower than the upper limit voltage of the power storage device.

上記（１）に記載の態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の開放電圧は、蓄電装置の下限電圧よりも高く設定されているので、燃料電池の開放電圧が蓄電装置の電圧以上であれば、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態となっても、燃料電池からの出力を継続することができる。これにより燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。さらに、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態であれば、第２電圧調整装置における損失無しに燃料電池の出力を蓄電装置または負荷に供給することができる。   According to the fuel cell system according to the aspect described in (1) above, since the open voltage of the fuel cell is set higher than the lower limit voltage of the power storage device, the open voltage of the fuel cell is equal to or higher than the voltage of the power storage device. If so, the output from the fuel cell can be continued even if the power storage device and the fuel cell are directly connected via the second voltage regulator. Thereby, it is possible to prevent the occurrence of deterioration due to an excessive potential increase in the fuel cell. Furthermore, if the power storage device and the fuel cell are directly connected via the second voltage regulator, the output of the fuel cell can be supplied to the power storage device or the load without loss in the second voltage regulator.

さらに、上記（２）の場合、燃料電池の開放電圧は、蓄電装置の上限電圧よりも高く設定されているので、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態となっても、燃料電池からの出力を継続することができる。これにより燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。   Further, in the case of (2) above, since the open voltage of the fuel cell is set higher than the upper limit voltage of the power storage device, even if the power storage device and the fuel cell are directly connected via the second voltage regulator. The output from the fuel cell can be continued. Thereby, it is possible to prevent the occurrence of deterioration due to an excessive potential increase in the fuel cell.

さらに、上記（３）の場合、燃料電池の開放電圧は、蓄電装置の目標残容量の開放電圧以下に設定されているので、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態となっても、蓄電装置の残容量が目標残容量または目標残容量の近傍に到達するまで燃料電池からの出力を継続することができる。これにより蓄電装置の充電状態を適切に維持することができるとともに、燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。   Further, in the case of (3) above, since the open voltage of the fuel cell is set to be equal to or lower than the open voltage of the target remaining capacity of the power storage device, the power storage device and the fuel cell are directly connected via the second voltage regulator. Even so, the output from the fuel cell can be continued until the remaining capacity of the power storage device reaches the target remaining capacity or near the target remaining capacity. As a result, the state of charge of the power storage device can be properly maintained, and deterioration due to an excessive potential increase in the fuel cell can be prevented.

さらに、上記（４）の場合、燃料電池の開放電圧は、蓄電装置の上限電圧以下に設定されているので、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態となっても、蓄電装置は上限電圧を超えないようにして燃料電池から充電される。これにより蓄電装置の上限電圧未満の電圧範囲において燃料電池を積極的に出力させることができ、燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。   Furthermore, in the case of (4) above, since the open voltage of the fuel cell is set to be equal to or lower than the upper limit voltage of the power storage device, even if the power storage device and the fuel cell are directly connected via the second voltage regulator, The power storage device is charged from the fuel cell so as not to exceed the upper limit voltage. As a result, the fuel cell can be actively output in a voltage range lower than the upper limit voltage of the power storage device, and deterioration due to an excessive potential increase in the fuel cell can be prevented.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載する車両の走行状態に応じた通電状態を示す図であり、（Ａ）は低負荷時の通電状態を示す図であり、（Ｂ）は回生時の通電状態を示す図であり、（Ｃ）は高負荷時の通電状態を示す図であり、（Ｄ）はＥＶ走行時の通電状態を示す図である。It is a figure which shows the electricity supply state according to the driving | running | working state of the vehicle carrying the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention, (A) is a figure which shows the electricity supply state at the time of low load, (B) is the time of regeneration (C) is a figure which shows the energization state at the time of high load, (D) is a figure which shows the energization state at the time of EV driving | running | working. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックおよびバッテリの各々の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current voltage characteristic of each of the fuel cell stack and battery in the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの動作例を示すタイミングチャートである。4 is a timing chart showing an operation example of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの走行用モータの電力、燃料電池スタックの目標発電電力、燃料電池スタックの発電停止判定フラグ、第１電圧調整装置の昇圧フラグ、並びにバッテリの端子電圧および燃料電池スタックの出力電圧の各々の時間変化の一例を示す図である。The power of the motor for traveling of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the target generated power of the fuel cell stack, the power generation stop determination flag of the fuel cell stack, the boost flag of the first voltage regulator, the battery terminal voltage and the fuel It is a figure which shows an example of each time change of the output voltage of a battery stack. 本発明の実施形態の第１変形例に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックおよびバッテリの各々の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current voltage characteristic of each of the fuel cell stack and battery in the fuel cell system which concerns on the 1st modification of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の第２変形例に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックおよびバッテリの各々の電流電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of each of the fuel cell stack and battery in the fuel cell system which concerns on the 2nd modification of embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて添付図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

実施形態による燃料電池システム１０は、例えば車両１に搭載されている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック（ＦＣ）１１と、バッテリ（ＢＡＴ）１２と、第１電圧調整装置（ＶＣＵ１）１３と、第２電圧調整装置（ＶＣＵ２）１４と、走行用モータ（Ｍ）１５と、パワードライブユニット（ＰＤＵ）１６と、エアポンプ（ＡＰ）１７と、制御装置１８とを備えている。バッテリ１２とパワードライブユニット１６とは、第１接続ライン２１によって接続されている。第１電圧調整装置１３は、第１接続ライン２１においてバッテリ１２とパワードライブユニット１６との間に配置されている。第１接続ライン２１上におけるバッテリ１２と第１電圧調整装置１３との間と燃料電池スタック１１とは、第２接続ライン２２によって接続されている。第２電圧調整装置１４は、第２接続ライン２２において第１接続ライン２１の接続点と燃料電池スタック１１との間に配置されている。   The fuel cell system 10 according to the embodiment is mounted on, for example, a vehicle 1. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack (FC) 11, a battery (BAT) 12, a first voltage regulator (VCU 1) 13, and a second voltage regulator (VCU 2) 14. A traveling motor (M) 15, a power drive unit (PDU) 16, an air pump (AP) 17, and a control device 18 are provided. The battery 12 and the power drive unit 16 are connected by a first connection line 21. The first voltage regulator 13 is disposed between the battery 12 and the power drive unit 16 in the first connection line 21. Between the battery 12 and the first voltage regulator 13 on the first connection line 21 and the fuel cell stack 11 are connected by a second connection line 22. The second voltage adjusting device 14 is disposed between the connection point of the first connection line 21 and the fuel cell stack 11 in the second connection line 22.

燃料電池スタック１１は、積層された複数の燃料電池セルの積層体と、この積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレートとを備えている。各燃料電池セルは、電解質電極構造体と、この電解質電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備えている。電解質電極構造体は、陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を挟み込む燃料極および酸素極とを備えている。燃料極（アノード）は、アノード触媒およびガス拡散層からなり、酸素極（カソード）は、カソード触媒およびガス拡散層からなる。   The fuel cell stack 11 includes a stacked body of a plurality of stacked fuel battery cells, and a pair of end plates that sandwich the stacked body from both sides in the stacking direction. Each fuel cell includes an electrolyte electrode structure and a pair of separators that sandwich the electrolyte electrode structure. The electrolyte electrode structure includes a solid polymer electrolyte membrane made of a cation exchange membrane or the like, and a fuel electrode and an oxygen electrode that sandwich the solid polymer electrolyte membrane. The fuel electrode (anode) is composed of an anode catalyst and a gas diffusion layer, and the oxygen electrode (cathode) is composed of a cathode catalyst and a gas diffusion layer.

燃料電池スタック１１のカソードには酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアポンプ１７から供給され、アノードには水素を含む燃料ガス（反応ガス）が高圧の水素タンク（図示略）などから供給される。
これらの反応ガスの供給時に、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流電力を発生する。このときカソードにおいては、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。 Air, which is an oxidant gas (reaction gas) containing oxygen, is supplied from the air pump 17 to the cathode of the fuel cell stack 11, and a fuel gas (reaction gas) containing hydrogen is a high-pressure hydrogen tank (not shown) or the like to the anode. Supplied from
During the supply of these reaction gases, hydrogen ionized by the catalytic reaction on the anode catalyst of the anode moves to the cathode through the moderately humidified solid polymer electrolyte membrane, and the electrons generated along with this movement Is taken out to an external circuit to generate DC power. At this time, at the cathode, hydrogen ions, electrons and oxygen react to produce water.

バッテリ１２は、例えば高圧系のＮｉ−ＭＨ型またはリチウムイオン型などの２次電池である。
第１電圧調整装置１３および第２電圧調整装置１４の各々は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータなどを備え、制御装置１８の制御に応じて電力の授受に対する電圧調整を行なう。第１電圧調整装置１３は、バッテリ１２とパワードライブユニット１６との間で双方向の通電を調整する。第１電圧調整装置１３は、例えば、バッテリ１２とパワードライブユニット１６とを直結状態にして双方向に通電させる、またはバッテリ１２の端子電圧を昇圧してパワードライブユニット１６に印加する。第２電圧調整装置１４は、燃料電池スタック１１からバッテリ１２、第１電圧調整装置１３、およびエアポンプ１７の各々へ向かう方向の通電を調整する。第２電圧調整装置１４は、例えば、燃料電池スタック１１とバッテリ１２とを直結状態にして燃料電池スタック１１からバッテリ１２に向かう方向にのみ通電させる。また第２電圧調整装置１４は、例えば、燃料電池スタック１１の出力電圧を昇圧してバッテリ１２、第１電圧調整装置１３、およびエアポンプ（ＡＰ）１７の少なくとも何れか１つに印加する。これにより第２電圧調整装置１４は、燃料電池スタック１１の出力電流を調整する。 The battery 12 is a secondary battery such as a high-voltage Ni-MH type or a lithium ion type.
Each of the first voltage adjustment device 13 and the second voltage adjustment device 14 includes, for example, a DC-DC converter and the like, and performs voltage adjustment for power transmission / reception according to control of the control device 18. The first voltage adjustment device 13 adjusts bidirectional energization between the battery 12 and the power drive unit 16. For example, the first voltage adjustment device 13 causes the battery 12 and the power drive unit 16 to be in a direct connection state so as to be energized bidirectionally, or boosts the terminal voltage of the battery 12 and applies it to the power drive unit 16. The second voltage regulator 14 regulates energization in the direction from the fuel cell stack 11 to each of the battery 12, the first voltage regulator 13, and the air pump 17. For example, the second voltage regulator 14 connects the fuel cell stack 11 and the battery 12 directly and energizes only in the direction from the fuel cell stack 11 to the battery 12. The second voltage regulator 14 boosts the output voltage of the fuel cell stack 11 and applies the boosted voltage to at least one of the battery 12, the first voltage regulator 13, and the air pump (AP) 17, for example. As a result, the second voltage adjustment device 14 adjusts the output current of the fuel cell stack 11.

走行用モータ１５は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の３相のＤＣブラシレスモータであって、パワードライブユニット１６による制御に応じて力行運転および発電運転を行なう。例えば、走行用モータ１５は、各相のコイルに交流の相電流が通電されることで力行運転を行ない、変速機（図示略）を介して駆動輪を駆動する。また、車両１の減速時などにおいて駆動輪側から駆動力が伝達されることで発電運転（回生運転）を行ない、発電電力（回生電力）を出力する。   The traveling motor 15 is, for example, a U-phase, V-phase, and W-phase three-phase DC brushless motor, and performs a power running operation and a power generation operation according to control by the power drive unit 16. For example, the traveling motor 15 performs a power running operation by applying an alternating phase current to the coils of each phase, and drives driving wheels via a transmission (not shown). Further, when the vehicle 1 is decelerated, the driving force is transmitted from the driving wheel side to perform a power generation operation (regenerative operation) and output generated power (regenerative power).

パワードライブユニット１６は、例えばトランジスタなどのスイッチング素子を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路および平滑コンデンサなどを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるインバータを備えている。このインバータは、例えば走行用モータ１５の力行運転時において、制御装置１８から出力されるＰＷＭ信号に基づき、各相毎に対をなす各スイッチング素子のオン（導通）／オフ（遮断）を切り替える。これによって、第１電圧調整装置１３から供給される直流電力を３相交流電力に変換し、走行用モータ１５の各相のコイルへの通電を順次転流させることで、交流の各相電流を走行用モータ１５に通電する。一方、インバータは、例えば走行用モータ１５の発電運転時において、走行用モータ１５のロータの回転角に基づいて同期がとられたゲート信号に応じて各スイッチング素子をオン（導通）／オフ（遮断）を切り替える。これによって、走行用モータ１５から出力される交流の発電電力を直流電力に変換する。   The power drive unit 16 includes, for example, a bridge circuit formed by a bridge connection using a plurality of switching elements such as transistors, and a pulse width modulation (PWM) inverter including a smoothing capacitor. For example, during the power running operation of the traveling motor 15, the inverter switches on (off) / off (off) each switching element that forms a pair for each phase based on the PWM signal output from the control device 18. As a result, the DC power supplied from the first voltage regulator 13 is converted into three-phase AC power, and the energization of the coils of the respective phases of the traveling motor 15 is sequentially commutated, whereby the AC phase currents are converted. The running motor 15 is energized. On the other hand, the inverter turns each switching element on (conductive) / off (cut off) according to the gate signal synchronized based on the rotation angle of the rotor of the traveling motor 15, for example, during power generation operation of the traveling motor 15. ). As a result, AC generated power output from the traveling motor 15 is converted into DC power.

エアポンプ１７は、例えばエアポンプ用インバータから出力される交流電力によって回転駆動されるポンプ駆動用モータ（図示略）を備える電動コンプレッサであって、外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気を反応ガスとして燃料電池スタック１１のカソードに供給する。エアポンプ用インバータは、例えばＰＷＭインバータなどであり、制御装置１８から出力される制御信号に基づき、第２電圧調整装置１４から供給される直流電力によって、エアポンプ１７のポンプ駆動用モータを回転駆動する。   The air pump 17 is an electric compressor including a pump drive motor (not shown) that is rotationally driven by AC power output from an air pump inverter, for example. The air pump 17 takes in air from the outside, compresses it, and reacts the compressed air. The gas is supplied to the cathode of the fuel cell stack 11. The air pump inverter is, for example, a PWM inverter, and rotationally drives the pump driving motor of the air pump 17 by DC power supplied from the second voltage regulator 14 based on a control signal output from the control device 18.

制御装置１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの各種の記憶媒体と、タイマーとなどの電子回路により構成されるＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）を備えている。
制御装置１８は、例えば車両１のイグニッションスイッチおよびパワースイッチから出力される指令信号に応じて燃料電池システム１０の動作を制御する。なお、イグニッションスイッチは、運転者の操作に応じて車両１の起動および停止を指示する指令信号を出力する。また、パワースイッチは、運転者の操作に応じて燃料電池スタック１１の起動（例えば、エアポンプ１７の起動など）を指示する指令信号を出力する。 The control device 18 includes an ECU (Electronic Control Unit) configured by electronic circuits such as a CPU (Central Processing Unit), various storage media such as a RAM (Random Access Memory), and a timer. Yes.
The control device 18 controls the operation of the fuel cell system 10 in accordance with command signals output from, for example, an ignition switch and a power switch of the vehicle 1. The ignition switch outputs a command signal instructing start and stop of the vehicle 1 according to the operation of the driver. Further, the power switch outputs a command signal instructing activation of the fuel cell stack 11 (for example, activation of the air pump 17 or the like) according to the operation of the driver.

実施形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、以下に、この燃料電池システム１０の動作について説明する。   The fuel cell system 10 according to the embodiment has the above-described configuration, and the operation of the fuel cell system 10 will be described below.

制御装置１８は、例えば車両１の低負荷（つまり負荷が所定値未満）での走行状態などにおいて、図２（Ａ）に示すように、第１電圧調整装置１３を直結状態とし、第２電圧調整装置１４を昇圧状態とする。これにより制御装置１８は、バッテリ１２の端子電圧をパワードライブユニット１６に印加するとともに、燃料電池スタック１１の出力電圧を昇圧してパワードライブユニット１６およびエアポンプ１７に印加する。   For example, when the vehicle 1 is running at a low load (that is, the load is less than a predetermined value) or the like, the control device 18 sets the first voltage adjustment device 13 in a directly connected state as shown in FIG. The adjustment device 14 is set to a boosted state. As a result, the control device 18 applies the terminal voltage of the battery 12 to the power drive unit 16, boosts the output voltage of the fuel cell stack 11, and applies it to the power drive unit 16 and the air pump 17.

制御装置１８は、例えば車両１の減速回生での走行状態などにおいて、図２（Ｂ）に示すように、第１電圧調整装置１３を直結状態とし、第２電圧調整装置１４を昇圧状態とする。これにより制御装置１８は、走行用モータ１５の回生電圧をバッテリ１２に印加するとともに、燃料電池スタック１１の出力電圧を昇圧してバッテリ１２およびエアポンプ１７に印加する。   For example, in the traveling state of the vehicle 1 during deceleration regeneration, the control device 18 sets the first voltage adjustment device 13 to the direct connection state and sets the second voltage adjustment device 14 to the boosting state, as shown in FIG. . Thus, the control device 18 applies the regenerative voltage of the traveling motor 15 to the battery 12 and boosts the output voltage of the fuel cell stack 11 and applies it to the battery 12 and the air pump 17.

制御装置１８は、例えば車両１の高負荷（つまり負荷が所定値以上）での走行状態などにおいて、図２（Ｃ）に示すように、第１電圧調整装置１３および第２電圧調整装置１４を昇圧状態とする。これにより制御装置１８は、バッテリ１２の端子電圧を昇圧してパワードライブユニット１６に印加するとともに、燃料電池スタック１１の出力電圧を昇圧してパワードライブユニット１６およびエアポンプ１７に印加する。   As shown in FIG. 2C, for example, the control device 18 controls the first voltage adjusting device 13 and the second voltage adjusting device 14 when the vehicle 1 is running at a high load (that is, the load is a predetermined value or more). Set to the boosted state. Thus, the control device 18 boosts the terminal voltage of the battery 12 and applies it to the power drive unit 16, and boosts the output voltage of the fuel cell stack 11 and applies it to the power drive unit 16 and the air pump 17.

制御装置１８は、例えば車両１のＥＶ走行での走行状態などにおいて、図２（Ｄ）に示すように、第２電圧調整装置１４を直結状態とし、第１電圧調整装置１３を直結または昇圧状態とする。これにより制御装置１８は、燃料電池スタック１１の出力電圧をバッテリ１２の端子電圧と等しくし、バッテリ１２の端子電圧を、第１電圧調整装置１３を介してパワードライブユニット１６に印加する。なお、車両１のＥＶ走行は、バッテリ１２から供給される電力により走行用モータ１５の駆動力で走行する状態である。   As shown in FIG. 2 (D), for example, when the vehicle 1 is in an EV traveling state, the control device 18 sets the second voltage adjusting device 14 in a directly connected state, and places the first voltage adjusting device 13 in a directly connected or boosted state. And Thereby, the control device 18 makes the output voltage of the fuel cell stack 11 equal to the terminal voltage of the battery 12, and applies the terminal voltage of the battery 12 to the power drive unit 16 via the first voltage regulator 13. The EV traveling of the vehicle 1 is a state in which the vehicle 1 travels with the driving force of the traveling motor 15 by the electric power supplied from the battery 12.

実施形態による燃料電池システム１０において、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、図３に示すように、バッテリ１２の下限残容量（下限ＳＯＣ）の開放電圧よりも高く設定されている。つまり、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の放電側において下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）よりも高く設定されている。さらに、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の上限残容量（上限ＳＯＣ）の開放電圧よりも高く設定されている。つまり、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の放電側において上限電圧（ＢＡＴ上限電圧）よりも高く設定されている。
これにより、一方向昇圧の第２電圧調整装置１４は、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の端子電圧よりも大きい状態で直結状態となる。第２電圧調整装置１４の直結状態では、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の端子電圧に等しくなる。燃料電池スタック１１の出力電流は、ゼロよりも大きく、かつ所定電流ａ１以下に維持される。所定電流ａ１は、燃料電池スタック１１の上限電圧（ＦＣ上限電圧）がバッテリ１２の上限電圧（ＢＡＴ上限電圧）に等しくなるときの燃料電池スタック１１の出力電流である。燃料電池スタック１１の上限電圧（ＦＣ上限電圧）は、第２電圧調整装置１４の直結状態における燃料電池スタック１１の出力電圧（＝ＢＡＴ上限電圧）であり、燃料電池スタック１１の開放電圧に応じて変化する。 In the fuel cell system 10 according to the embodiment, the open circuit voltage (FC open circuit voltage) of the fuel cell stack 11 is set higher than the open circuit voltage of the lower limit remaining capacity (lower limit SOC) of the battery 12, as shown in FIG. . That is, the open circuit voltage (FC open circuit voltage) of the fuel cell stack 11 is set higher than the lower limit voltage (BAT lower limit voltage) on the discharge side of the battery 12. Furthermore, the open circuit voltage (FC open circuit voltage) of the fuel cell stack 11 is set higher than the open circuit voltage of the upper limit remaining capacity (upper limit SOC) of the battery 12. That is, the open circuit voltage (FC open circuit voltage) of the fuel cell stack 11 is set higher than the upper limit voltage (BAT upper limit voltage) on the discharge side of the battery 12.
As a result, the second voltage regulator 14 that boosts the one-way voltage is directly connected when the output voltage of the fuel cell stack 11 is larger than the terminal voltage of the battery 12. When the second voltage regulator 14 is directly connected, the output voltage of the fuel cell stack 11 is equal to the terminal voltage of the battery 12. The output current of the fuel cell stack 11 is maintained larger than zero and not more than a predetermined current a1. The predetermined current a1 is an output current of the fuel cell stack 11 when the upper limit voltage (FC upper limit voltage) of the fuel cell stack 11 becomes equal to the upper limit voltage (BAT upper limit voltage) of the battery 12. The upper limit voltage (FC upper limit voltage) of the fuel cell stack 11 is the output voltage (= BAT upper limit voltage) of the fuel cell stack 11 when the second voltage regulator 14 is directly connected, and depends on the open voltage of the fuel cell stack 11. Change.

実施形態による燃料電池システム１０において、制御装置１８は、図４に示すように、発電停止要求があるか否か、または燃料電池スタック１１の上限電力制限値が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ０１）。
この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１８は、処理をステップＳ０２に進める。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１８は、処理をステップＳ０３に進める。
そして、制御装置１８は、通常制御として、第１電圧調整装置１３の昇圧または直結と、第２電圧調整装置１４の昇圧とを制御する（ステップＳ０２）。そして、制御装置１８は、処理を終了させる。
また、制御装置１８は、第２電圧調整装置１４を昇圧状態から直結状態へと切り替える（ステップＳ０３）。そして、制御装置１８は、処理を終了させる。 In the fuel cell system 10 according to the embodiment, as shown in FIG. 4, the control device 18 determines whether there is a power generation stop request or whether the upper limit power limit value of the fuel cell stack 11 is less than a predetermined value. Determination is made (step S01).
When the determination result is “NO”, the control device 18 advances the process to step S02.
On the other hand, when the determination result is “YES”, the control device 18 advances the process to step S03.
And the control apparatus 18 controls the pressure | voltage rise or direct connection of the 1st voltage regulator 13 and the pressure | voltage rise of the 2nd voltage regulator 14 as normal control (step S02). Then, the control device 18 ends the process.
Moreover, the control apparatus 18 switches the 2nd voltage regulator 14 from a pressure | voltage rise state to a direct connection state (step S03). Then, the control device 18 ends the process.

実施形態による燃料電池システム１０は、図５に示す時刻ｔ１以前のように、燃料電池スタック１１の発電停止要求が無く、かつ燃料電池スタック１１の上限電力制限値が所定値以上である場合には、通常制御の実行状態となる。この場合、少なくとも第２電圧調整装置１４が昇圧状態となり、燃料電池スタック１１の出力電圧が昇圧される。
そして、燃料電池システム１０は、図５に示す時刻ｔ１以降のように、燃料電池スタック１１の発電停止要求が有る場合、または燃料電池スタック１１の上限電力制限値が所定値未満である場合には、第２電圧調整装置１４が直結状態となる。この場合、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の端子電圧に等しくなる。さらに、車両１のＥＶ走行状態においては、第１電圧調整装置１３が直結状態となり、走行用モータ１５の電力が所定値（第１電圧調整装置１３の直結状態に対応する電力閾値）未満となる。 In the fuel cell system 10 according to the embodiment, when there is no power generation stop request of the fuel cell stack 11 and the upper limit power limit value of the fuel cell stack 11 is equal to or greater than a predetermined value as before time t1 shown in FIG. Thus, the normal control is executed. In this case, at least the second voltage regulator 14 is in a boosted state, and the output voltage of the fuel cell stack 11 is boosted.
Then, when there is a power generation stop request for the fuel cell stack 11 or after the time t1 shown in FIG. 5 or when the upper limit power limit value of the fuel cell stack 11 is less than a predetermined value, the fuel cell system 10 The second voltage regulator 14 is in a directly connected state. In this case, the output voltage of the fuel cell stack 11 becomes equal to the terminal voltage of the battery 12. Further, in the EV traveling state of the vehicle 1, the first voltage adjustment device 13 is in a directly connected state, and the power of the traveling motor 15 is less than a predetermined value (a power threshold corresponding to the directly connected state of the first voltage adjusting device 13). .

上述したように、実施形態による燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１１の開放電圧は、バッテリ１２の下限電圧よりも高く設定されているので、燃料電池スタック１１の開放電圧がバッテリ１２の端子電圧以上であれば、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態となっても、燃料電池スタック１１からの出力を継続することができる。これにより燃料電池スタック１１における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。さらに、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態であれば、第２電圧調整装置１４における損失無しに燃料電池スタック１１の出力をバッテリ１２または走行用モータ１５などの負荷に供給することができる。
さらに、燃料電池スタック１１の開放電圧は、バッテリ１２の上限電圧よりも高く設定されているので、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態となっても、燃料電池スタック１１からの出力を継続することができる。これにより燃料電池スタック１１における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。 As described above, according to the fuel cell system 10 according to the embodiment, the open voltage of the fuel cell stack 11 is set higher than the lower limit voltage of the battery 12. If the voltage is equal to or higher than the terminal voltage, the output from the fuel cell stack 11 can be continued even when the battery 12 and the fuel cell stack 11 are directly connected via the second voltage regulator 14. As a result, it is possible to prevent deterioration due to an excessive potential increase in the fuel cell stack 11. Furthermore, if the battery 12 and the fuel cell stack 11 are directly connected via the second voltage regulator 14, the output of the fuel cell stack 11 is transferred to the battery 12 or the traveling motor 15 without loss in the second voltage regulator 14 or the like. Can be supplied to the load.
Furthermore, since the open voltage of the fuel cell stack 11 is set higher than the upper limit voltage of the battery 12, even if the battery 12 and the fuel cell stack 11 are directly connected via the second voltage regulator 14, The output from the battery stack 11 can be continued. As a result, it is possible to prevent deterioration due to an excessive potential increase in the fuel cell stack 11.

以下に、第１の変形例について説明する。
上述した実施形態において、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の上限残容量（上限ＳＯＣ）の開放電圧よりも高く設定されているとしたが、これに限定されない。
燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、図６に示すように、バッテリ１２の目標残容量（目標ＳＯＣ）の開放電圧（目標ＳＯＣ開放電圧）以下に設定されてもよい。つまり、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の放電側において、下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）よりも高く、かつ目標ＳＯＣ開放電圧以下に設定されている。
これにより、燃料電池スタック１１の出力電流は、ゼロよりも大きく、かつ所定電流ａ２以下に維持される。所定電流ａ２は、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）に等しくなるときの燃料電池スタック１１の出力電流である。つまり第２電圧調整装置１４の直結状態において、バッテリ１２が目標残容量または目標残容量の近傍に到達するまで燃料電池スタック１１からの出力が維持される。 Below, a 1st modification is demonstrated.
In the embodiment described above, the open circuit voltage (FC open circuit voltage) of the fuel cell stack 11 is set to be higher than the open circuit voltage of the upper limit remaining capacity (upper limit SOC) of the battery 12, but is not limited thereto.
As shown in FIG. 6, the open voltage (FC open voltage) of the fuel cell stack 11 may be set to be equal to or lower than the open voltage (target SOC open voltage) of the target remaining capacity (target SOC) of the battery 12. That is, the open circuit voltage (FC open voltage) of the fuel cell stack 11 is set higher than the lower limit voltage (BAT lower limit voltage) and lower than the target SOC open voltage on the discharge side of the battery 12.
As a result, the output current of the fuel cell stack 11 is maintained to be greater than zero and less than or equal to the predetermined current a2. The predetermined current a2 is an output current of the fuel cell stack 11 when the output voltage of the fuel cell stack 11 becomes equal to the lower limit voltage (BAT lower limit voltage) of the battery 12. That is, in the directly connected state of the second voltage regulator 14, the output from the fuel cell stack 11 is maintained until the battery 12 reaches the target remaining capacity or near the target remaining capacity.

第１の変形例によれば、燃料電池スタック１１の開放電圧は、バッテリ１２の目標残容量の開放電圧以下に設定されているので、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態となっても、バッテリ１２の残容量が目標残容量または目標残容量の近傍に到達するまで燃料電池スタック１１からの出力を継続することができる。これによりバッテリ１２の充電状態を適切に維持することができるとともに、燃料電池スタック１１における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。   According to the first modification, since the open voltage of the fuel cell stack 11 is set to be equal to or lower than the open voltage of the target remaining capacity of the battery 12, the battery 12 and the fuel cell stack are connected via the second voltage regulator 14. Even when the battery 11 is directly connected, the output from the fuel cell stack 11 can be continued until the remaining capacity of the battery 12 reaches the target remaining capacity or the vicinity of the target remaining capacity. As a result, the state of charge of the battery 12 can be maintained appropriately, and deterioration due to an excessive potential increase in the fuel cell stack 11 can be prevented.

以下に、第２の変形例について説明する。
上述した実施形態において、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の上限残容量（上限ＳＯＣ）の開放電圧よりも高く設定されているとしたが、これに限定されない。
燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、図７に示すように、バッテリ１２の上限残容量（上限ＳＯＣ）の開放電圧以下に設定されてもよい。つまり、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の放電側において、下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）よりも高く、かつ上限電圧（ＢＡＴ上限電圧）以下に設定されている。
これにより、燃料電池スタック１１の出力電流は、ゼロよりも大きく、かつ所定電流ａ３以下に維持される。所定電流ａ３は、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）に等しくなるときの燃料電池スタック１１の出力電流である。つまり第２電圧調整装置１４の直結状態において、バッテリ１２が上限電圧に到達するまで燃料電池スタック１１からの出力が維持される。 Below, a 2nd modification is demonstrated.
In the embodiment described above, the open circuit voltage (FC open circuit voltage) of the fuel cell stack 11 is set to be higher than the open circuit voltage of the upper limit remaining capacity (upper limit SOC) of the battery 12, but is not limited thereto.
The open circuit voltage (FC open circuit voltage) of the fuel cell stack 11 may be set to be equal to or lower than the open circuit voltage of the upper limit remaining capacity (upper limit SOC) of the battery 12, as shown in FIG. That is, the open voltage (FC open voltage) of the fuel cell stack 11 is set higher than the lower limit voltage (BAT lower limit voltage) and lower than the upper limit voltage (BAT upper limit voltage) on the discharge side of the battery 12.
As a result, the output current of the fuel cell stack 11 is maintained to be greater than zero and less than or equal to the predetermined current a3. The predetermined current a3 is an output current of the fuel cell stack 11 when the output voltage of the fuel cell stack 11 becomes equal to the lower limit voltage (BAT lower limit voltage) of the battery 12. That is, in the directly connected state of the second voltage regulator 14, the output from the fuel cell stack 11 is maintained until the battery 12 reaches the upper limit voltage.

第２の変形例によれば、燃料電池スタック１１の開放電圧は、バッテリ１２の上限電圧以下に設定されているので、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態となっても、バッテリ１２は上限電圧を超えないようにして燃料電池スタック１１から充電される。これによりバッテリ１２の上限電圧未満の電圧範囲において燃料電池スタック１１を積極的に出力させることができ、燃料電池スタック１１における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。   According to the second modification, since the open voltage of the fuel cell stack 11 is set to be equal to or lower than the upper limit voltage of the battery 12, the battery 12 and the fuel cell stack 11 are directly connected via the second voltage regulator 14. However, the battery 12 is charged from the fuel cell stack 11 so as not to exceed the upper limit voltage. As a result, the fuel cell stack 11 can be positively output in a voltage range lower than the upper limit voltage of the battery 12, and deterioration due to an excessive potential increase in the fuel cell stack 11 can be prevented.

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   The embodiments of the present invention are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

１…車両、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック（燃料電池）、１２…バッテリ（蓄電装置）、１３…第１電圧調整装置、１４…第２電圧調整装置、１５…走行用モータ（負荷）、２１…第１接続ライン、２２…第２接続ライン   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vehicle, 10 ... Fuel cell system, 11 ... Fuel cell stack (fuel cell), 12 ... Battery (power storage device), 13 ... First voltage regulator, 14 ... Second voltage regulator, 15 ... Driving motor ( Load), 21 ... first connection line, 22 ... second connection line

Claims (4)

蓄電装置と、
負荷と、
前記蓄電装置と前記負荷とを接続する第１接続ラインに配置される第１電圧調整装置と、
燃料電池と、
前記第１接続ライン上における前記蓄電装置と前記第１電圧調整装置との間と前記燃料電池とを接続する第２接続ラインに配置される第２電圧調整装置と、
を備え、
前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の下限電圧よりも高く設定されている、
ことを特徴とする燃料電池システム。 A power storage device;
Load,
A first voltage regulator arranged in a first connection line connecting the power storage device and the load;
A fuel cell;
A second voltage adjusting device disposed on a second connection line connecting the power storage device and the first voltage adjusting device on the first connection line and the fuel cell;
With
The open voltage of the fuel cell is set higher than the lower limit voltage of the power storage device,
A fuel cell system. 前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の上限電圧よりも高く設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The open voltage of the fuel cell is set higher than the upper limit voltage of the power storage device,
The fuel cell system according to claim 1. 前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の目標残容量の開放電圧以下に設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The open voltage of the fuel cell is set to be equal to or lower than the open voltage of the target remaining capacity of the power storage device,
The fuel cell system according to claim 1. 前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の上限電圧以下に設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The open voltage of the fuel cell is set to be equal to or lower than the upper limit voltage of the power storage device,
The fuel cell system according to claim 1.
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