JP3601399B2

JP3601399B2 - Fuel cell system

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Publication number: JP3601399B2
Application number: JP2000035597A
Authority: JP
Inventors: 剛麻生
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2020-02-14
Also published as: JP2001229950A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックを主電源とし、この燃料電池スタックの起動時、別電源を用いて空気の供給等を行うことによって燃料電池スタックの起動を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、例えば、図７に示すシステムが知られている。
この燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１０１を発電させるために、燃料ガス供給装置３及び空気供給装置（例えば、エアコンプレッサ）１３から、それぞれ、水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む空気とを燃料電池スタック１０１に供給する。このとき、例えば、空気については、エアコンプレッサ１３を駆動することによって燃料電池スタック１０１に圧送される。エアコンプレッサ１３の駆動電力は、システムによって異なるが、数ｋＷ程度以上になる場合には、一般に車両補機に電力を供給するために使用される１２Ｖ程度の低電圧の二次電池を電源とするよりも、車両駆動用モータ（負荷２７）に電力を供給するための例えば３５０Ｖ程度の高電圧の電源を用いて供給するほうが、電流値を低くすることができる。これは、エアコンプレッサ１３に電力を供給するハーネスの直径や、その他付随する装置のサイズを小さくすることができる点で好ましい。
【０００３】
そこで、燃料電池スタック１０１が高電圧の電力を発生できる状態になる前の燃料電池スタック１０１起動時においては、車両補機用の二次電池１７の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２３によって昇圧して得られる高電圧の電力をエアコンプレッサ１３駆動用モータ（負荷２７）に供給し、燃料電池スタック１０１の起動完了後に、電力供給系統を切り替え、燃料電池スタック１０１からの電力によってエアコンプレッサ１３を駆動するようにしている。なお、電力供給系統の切替えは、制御装置１０３によってＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作を切り替えることによって行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池システムにあっては、容量が比較的小さい車両補機用二次電池１７に充電されている電力を用いて燃料電池スタック１０１の起動に必要な補機類（エアコンプレッサ１３等）を駆動するため、燃料電池スタック１０１の起動時に二次電池１７の残存容量が少ない場合や起動に時間を要する場合等において、二次電池１７の過放電のおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、燃料電池スタックの起動時における二次電池の過放電を防止することができる燃料電池システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料ガスと空気とを用いて電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池スタックよりも低い電圧を発生する二次電池と、前記燃料電池スタックの電力供給先に電力を供給するために前記二次電池が発生する電圧を前記燃料電池スタックが発生する電圧に昇圧し、又は、前記二次電池を充電するために前記燃料電池スタックが発生する電圧を前記二次電池が発生する電圧に降圧する電圧変換手段とを備え、前記燃料電池スタックの起動時、前記電圧変換手段を昇圧動作に切り替え、前記二次電池を用いて前記燃料電池スタックの起動に必要な電力を供給する燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックを燃料ガス及び空気の供給経路と交差する方向に分割して得られる複数の燃料電池スタック部と、少なくとも燃料ガスの供給に関して、前記複数の燃料電池スタック部のうち、燃料ガス及び空気の供給経路の最上流側に配置されかつ前記二次電池を充電し得る１つ以上の燃料電池スタック部に対してのみ選択的に供給を行わせるためのバイパス手段と、前記１つ以上の燃料電池スタック部と前記二次電池とを選択的に電気的に接続する接続手段と、前記燃料電池スタックの起動開始時、前記１つ以上の燃料電池スタック部のみを起動させ、起動後の前記１つ以上の燃料電池スタック部が発生する電力を前記二次電池に供給するように、前記バイパス手段及び前記接続手段を制御する制御手段とを有することを要旨とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記１つ以上の燃料電池スタック部の起動状態を検出する第１検出手段と、前記複数の燃料電池スタック部から成る前記燃料電池スタック全体の起動状態を検出する第２検出手段とを有し、前記制御手段は、前記１つ以上の燃料電池スタック部の起動が完了した後に初めて、前記燃料電池スタック全体の起動が完了するまで、前記１つ以上の燃料電池スタック部と前記二次電池とを電気的に接続することを要旨とする。
【０００８】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、燃料電池スタックを燃料ガス及び空気の供給経路と交差する方向に分割して得られる複数の燃料電池スタック部と、少なくとも燃料ガスの供給に関して、複数の燃料電池スタック部のうち、燃料ガス及び空気の供給経路の最上流側に位置しかつ二次電池を充電し得るだけの１つ以上の燃料電池スタック部に対してのみ選択的に供給を行わせるためのバイパス手段と、前記１つ以上の燃料電池スタック部と二次電池とを選択的に電気的に接続する接続手段とを設けておき、燃料電池スタックの起動開始時、前記１つ以上の燃料電池スタック部のみを起動させ、起動後の前記１つ以上の燃料電池スタック部が発生する電力を二次電池に供給するように、バイパス手段及び接続手段を制御することで、燃料電池スタックの起動時における二次電池の過放電を防止することができる。
【０００９】
請求項２記載の本発明によれば、前記１つ以上の燃料電池スタック部の起動が完了した後に初めて、燃料電池スタック全体の起動が完了するまで、前記１つ以上の燃料電池スタック部と前記二次電池とを電気的に接続することで、前記１つ以上の燃料電池スタック部の起動を早期に完了させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。なお、ここでは、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムを例にとって説明する。
【００１１】
図１において、燃料電池スタック１は、当該燃料電池システムの主電源であって、水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む空気とを用いて高電圧の電力を発生する。燃料電池スタック１は、２つの燃料電池スタック部に分割されており、熱容量の小さい第１の燃料電池スタック部１ａと、熱容量の大きい第２の燃料電池スタック部１ｂとから構成されている。
【００１２】
ここで、燃料ガスは、燃料ガス供給装置３（燃料ガス供給手段）から燃料ガス供給管５によって燃料電池スタック１に供給される。燃料ガス供給装置３は、水素を多量に含む燃料ガスを貯蔵し、燃料ガスの温度と圧力を調整することができる。この燃料ガス供給装置３によって、燃料電池スタック１に最適な温度と圧力の燃料ガスが供給される。
【００１３】
燃料ガス供給管５には、第２燃料電池スタック部１ｂをバイパスするバイパス管７（バイパス手段）が設けられている。すなわち、燃料ガス供給管５は、第１燃料電池スタック部１ａの燃料ガス出口と第２燃料電池スタック部１ｂの燃料ガス入口との間で分岐され、分岐された供給管（バイパス管７）は第２燃料電池スタック部１ｂの燃料ガス出口に接続されている。分岐点には、例えば、三方弁などで構成される流路切替装置９（バイパス手段）が設けられている。この流路切替装置９の動作を制御することで、燃料ガスが第２燃料電池スタック部１ｂを通過するかバイパス管７を通過するかが選択され、流路の切替えが行われる。換言すれば、燃料ガス供給装置３の作動時、第１燃料電池スタック部１ａには常に燃料ガスが供給されるが、第２燃料電池スタック部１ｂへの燃料ガスの供給は選択的にオンオフ可能である。
【００１４】
また、燃料ガス供給管５は、例えば、逆止弁などで構成される逆流防止装置１１を介して、第２燃料電池スタック部１ｂの燃料ガス出口と第１燃料電池スタック部１ａの燃料ガス入口とを接続している（循環経路）。これにより、第２燃料電池スタック部１ｂを通過又はバイパスした燃料ガスは、逆流防止装置１１を通って、再び燃料電池スタック１に供給される。
【００１５】
また、空気は、空気供給装置１３（空気供給手段）から空気供給管１５によって燃料電池スタック１（第１燃料電池スタック部１ａと第２燃料電池スタック部１ｂの両方）に供給される。空気供給装置１３は、例えば、空気を圧送するエアコンプレッサで構成されている。なお、空気供給管１５については、燃料ガス供給管５と異なり、後述する理由により、バイパス管も循環経路もない。
【００１６】
二次電池１７は、充放電可能で、放電時は燃料電池スタック１が発生する電力の電圧よりも低い電圧の電力を発生する。二次電池１７は、燃料電池スタック１によって発電された余剰電力や燃料電池自動車が減速する際の車両駆動用モータによる回生電力を貯蔵するとともに、高電圧で駆動される高電圧系のユニット、例えば、車両駆動用モータや空気供給装置駆動用モータなどで消費される電力を賄うのに十分な発電が燃料電池スタック１によって行われなかったときは放電して不足電力を補う。また、二次電池１７は、低電圧で駆動される低電圧系のユニット、例えば、各種制御装置や、車両電装品などの車両補機にも電力を供給する。
【００１７】
燃料電池スタック１のうち、第１燃料電池スタック部１ａは、接続用スイッチ１９（接続手段）及び逆流防止用ダイオード２１を介して直接二次電池１７と接続されている。これにより、後で詳述するように、特に燃料電池スタック１の起動時において、接続用スイッチ１９をオンして起動完了後の第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７とを接続することで、第１燃料電池スタック部１ａで発生した電力を直接二次電池１７に供給して二次電池１７を充電することができる。
【００１８】
燃料電池スタック１と二次電池１７は、ともに、ある電圧の直流電力を選択に応じてより高い又はより低い電圧の直流電力に変換する電圧変換装置２３に接続されている。この電圧変換装置２３は、例えば、変換が双方向であるＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている。
【００１９】
この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、二次電池１７が発生する電力の電圧（二次電池の出力電圧）を起動完了後の燃料電池スタック１が発生する電力の電圧（燃料電池スタックの出力電圧）のレベルに昇圧して（昇圧動作）、燃料電池スタック１の電力供給先への電力供給を可能にするとともに、燃料電池スタック１の出力電圧を二次電池１７の出力電圧のレベルに降圧して（降圧動作）、二次電池１７を充電することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３における昇圧動作と降圧動作は、制御信号によって任意に切り替えることができる。
【００２０】
燃料電池スタック１には、逆流防止用ダイオード２５を介して、燃料電池スタック１の電力供給先である負荷２７が接続されている。負荷２７の具体例としては、例えば、燃料電池自動車の場合、上記した車両駆動用モータや空気供給装置駆動用モータなどが代表的である。従って、負荷２７には、燃料電池スタック１（第１燃料電池スタック部１ａと第２燃料電池スタック部１ｂの両方）で発生した電力が供給されるほか、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３によって二次電池１７からの電力も供給可能になっている。
【００２１】
上記した流路切替装置９、接続用スイッチ１９及びＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、当該燃料電池システムの状態を管理しその動作を制御する制御装置２９（制御手段）に接続されており、この制御装置２９からの指令信号によってそれぞれ制御される。
【００２２】
また、第１燃料電池スタック部１ａと第２燃料電池スタック部１ｂの各起動状態を検出するため、第１燃料電池スタック部１ａの温度を計測する温度計３１（第１検出手段）が第１燃料電池スタック部１ａに取り付けられ、また、第２燃料電池スタック部１ｂの温度を計測する温度計３３（第２検出手段）が第２燃料電池スタック部１ｂに取り付けられている。これらの温度計３１，３３は、制御装置２９にそれぞれ接続されており、それぞれの測定信号を制御装置２９へ出力する。
【００２３】
制御装置２９は、内部に制御プログラムを記憶した制御ＲＯＭと、制御時のワークエリアとなるＲＡＭとを有しており、温度計３１，３３からの測定信号に基づいて、流路切替装置９、接続用スイッチ１９及びＤＣ／ＤＣコンバータ２３にそれぞれ制御信号を出力して、二次電池２３の過放電を防止するように、燃料電池スタック１の起動制御を行う。
【００２４】
次に、図２に示す制御フローチャートに従って燃料電池システムの起動時の制御動作を説明する。なお、図２に示す制御フローチャートは、制御装置２９の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。また、この制御フローチャートに示される起動時の制御動作は、所定の短い時間間隔を置いて繰り返し実行される。さらに、図２では、便宜上、燃料ガス供給装置３に近い側の熱容量が小さい第１燃料電池スタック部１ａを「第１スタック」、第１燃料電池スタック部１ａを通過した燃料ガスの供給を受ける第２燃料電池スタック部１ｂを「第２スタック」とそれぞれ略記してある。
【００２５】
まず、ステップＳ１００では、制御装置２９は、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了していることを示すフラグ（以下「起動完了フラグ」という）の値を調べ、この起動完了フラグがセットされているか否かを判断する。第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了している場合（後述するように、この場合は燃料電池スタック１全体の起動が完了していることになる）、起動完了フラグは「１」の値にセットされており、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了していない場合、起動完了フラグは「０」の値にクリアされている。なお、この起動完了フラグは、初期設定では「０」であり、その後、ステップＳ２３０でセットされる。よって、起動完了フラグのセット条件については、後で説明する。
【００２６】
この判断の結果、起動完了フラグがセットされている場合は（Ｓ１００：ＹＥＳ）、第２燃料電池スタック部１ｂ（ひいては、第１燃料電池スタック部１ａも含めた燃料電池スタック１全体）の起動が完了しているものと判断して、図２に示す起動時の制御動作を実行することなく直ちに終了する。
これに対し、起動完了フラグがセットされていない場合は（Ｓ１００：ＮＯ）、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了していないものと判断して、ステップＳ１１０に進む。
【００２７】
このステップＳ１１０では、第１燃料電池スタック部１ａの起動状態を検出する。ここでは、起動状態の検出方法として、第１燃料電池スタック部１ａに取り付けられた温度計３１から第１燃料電池スタック部１ａの温度を読み込み、読み込まれた温度が所定値以上の場合に、第１燃料電池スタック部１ａの起動が完了しているものと判断する。
【００２８】
なお、起動状態の検出方法は、これに限定されるわけではない。例えば、接続用スイッチ１９をオンして第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７とを電気的に接続した後、第１燃料電池スタック部１ａから二次電池１７に流れる電流と電圧を計測し、この測定結果を起動完了後の電流／電圧特性と比較することによって、判断を行うこともできる。
【００２９】
そして、ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０の検出結果を受けて、第１燃料電池スタック部１ａの起動が完了しているか否かを判断する。
この判断の結果、第１燃料電池スタック部１ａの起動が完了していない場合は（Ｓ１２０：ＮＯ）、ステップＳ１３０に進む。
【００３０】
このステップＳ１３０では、ともに起動が完了していない第１燃料電池スタック部１ａと第２燃料電池スタック部１ｂのうち、まず第１燃料電池スタック部１ａのほうを優先して起動させるために、燃料ガス供給管５に設けられた流路切替装置９にバイパス管９を開く旨の制御信号を送る。これを受けた流路切替装置９では、制御信号に応じてバイパス管７を開いて、第１燃料電池スタック部１ａを通過した燃料ガスがバイパス管７を通るように、すなわち、第２燃料電池スタック部１ｂをバイパスするように燃料ガスの流路を切り替える。これにより、燃料ガスは第１燃料電池スタック部１ａのみを循環することになり、燃料ガスの熱量を第２燃料電池スタック部１ｂに奪われることなく有効に利用することが可能となるので、第１燃料電池スタック部１ａの温度上昇を早めることができ、第１燃料電池スタック部１ａの起動を早期に完了することが可能となる。
【００３１】
なお、この場合、空気についてはバイパスさせたり循環させたりしていないが、これは、空気供給装置１３がエアコンプレッサの場合、燃料ガス供給装置３の吐出温度よりもエアコンプレッサの吐出温度のほうが比較的高温となるので、空気の熱量の一部が第２燃料電池スタック部１ｂに奪われるとしても第１燃料電池スタック部１ａにおいて十分な温度を維持することができるからである。従って、空気供給装置１３の吐出温度が低い場合には、燃料ガスの配管と同様な構成、すなわち、第２燃料電池スタック部１ｂをバイパスして第１燃料電池スタック部１ａを循環することができる構成を採用してもよく、これによって、第１燃料電池スタック部１ａの起動を早期に完了することが可能となる。
【００３２】
そして、ステップＳ１４０では、接続用スイッチ１９をオフして、第１燃料電池スタック部１ａの電気負荷（二次電池１７など）を開放する。ここで、第１燃料電池スタック部１ａの電気負荷を開放する理由は、第１燃料電池スタック部１ａの起動を早期に完了させて、二次電池１７を充電し得るだけの発電可能状態を早期に作り出すためである。
【００３３】
そして、ステップＳ１５０では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に制御信号を送って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を昇圧動作させる。すなわち、二次電池１７の出力電圧を昇圧して、第１燃料電池スタック部１ａの起動に必要な電力（例えば、空気供給装置駆動用モータの消費電力等）を二次電池１７によって供給する。
【００３４】
これに対し、第１燃料電池スタック１ａの起動が完了している場合は（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、引き続き第２燃料電池スタック１ｂの起動を行うべく、ステップＳ１６０に進む。
【００３５】
このステップＳ１６０では、燃料ガス供給管５に設けられた流路切替装置９にバイパス管７を閉じる旨の制御信号を送る。これを受けた流路切替装置９では、制御信号に応じてバイパス管７を閉じて、第１燃料電池スタック部１ａを通過した燃料ガスがバイパス管７に流入することなく第２燃料電池スタック部１ｂに流入するように燃料ガスの流路を切り替える。これにより、燃料ガスは第１燃料電池スタック部１ａのみならず第２燃料電池スタック部１ｂをも循環することになり、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が行われることになる。
【００３６】
そして、ステップＳ１７０では、第１燃料電池スタック部１ａの起動完了によって第１燃料電池スタック部１ａが二次電池１７を充電し得るだけの発電可能状態になっているため、接続用スイッチ１９をオンして、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７とを接続し、起動完了後の第１燃料電池スタック部１ａで発生した電力を二次電池１７に供給できるようにする。
【００３７】
そして、ステップＳ１８０では、ステップＳ１７０で第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７間の接続用スイッチ１９がオンされた状態で、引き続き、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に制御信号を送って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の昇圧動作を継続させる。すなわち、二次電池１７の出力電圧を昇圧して、燃料電池スタック１の電力供給先（負荷２７）に二次電池１７の電力を供給し、燃料電池スタック１（特に未起動状態の第２燃料電池スタック部１ｂ）を起動するするための動作を行う。この結果、二次電池１７は、起動完了後の第１燃料電池スタック部１ａからの電力の供給を受けつつ、燃料電池スタック１の起動に必要な高電圧系のユニット（空気供給装置駆動用モータなど）に電力を供給することができるので、二次電池１７の過放電を防止しながら、燃料電池スタック１の起動を継続することが可能となる。また、その際、第１燃料電池スタック部１ａでは発電が行われているため、第１燃料電池スタック部１ａから排出される空気には発電時の副反応物として水が生成され、この水を含む空気が第２燃料電池スタック部１ｂに供給されるので、第２燃料電池スタック部１ｂの加湿を加速させることができ、第２燃料電池スタック１ａの起動を早期に完了させることが可能となる。
【００３８】
そして、ステップＳ１９０では、第２燃料電池スタック部１ｂの起動状態を検出する。ここでは、起動状態の検出方法として、ステップＳ１１０における第１燃料電池スタック部１ａの起動状態の検出方法と同様に、第２燃料電池スタック部１ｂに取り付けられた温度計３３から第２燃料電池スタック部１ｂの温度を読み込み、読み込まれた温度が所定値以上の場合に、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了しているものと判断する。
【００３９】
そして、ステップＳ２００では、ステップＳ１９０の検出結果を受けて、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了しているか否かを判断する。
この判断の結果、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了していない場合は（Ｓ２００：ＮＯ）、図２に示す起動時の制御動作を一旦終了して、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了するのを改めて待つ。
【００４０】
これに対し、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了している場合は（Ｓ２００：ＹＥＳ）、ステップＳ２１０に進む。
このステップＳ２１０では、接続用スイッチ１９をオフして、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７との接続を切り、第１燃料電池スタック部１ａのみによる二次電池１７の充電を禁止する。
【００４１】
そして、ステップＳ２２０では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に制御信号を送って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を降圧動作させる。すなわち、燃料電池スタック１と負荷２７（特に車両駆動用モータ）を入力側に、二次電池１７を出力側に切り替えて、燃料電池スタック１の出力電圧や車両駆動用モータの回生電圧を降圧して、二次電池１７への電力供給（充電）を可能にする。従って、燃料電池スタック１から二次電池１７への電力供給は、第２燃料電池スタック部１ｂの起動完了前における第１燃料電池スタック部１ａのみからの状態から、第１燃料電池スタック部１ａと第２燃料電池スタック部１ｂとを合わせた燃料電池スタック１全体からの状態に切り替わることになる。
【００４２】
そして、ステップＳ２３０では、第１燃料電池スタック部１ａに加えて第２燃料電池スタック部１ｂの起動も完了し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が降圧動作に切り替わり、負荷２７や二次電池１７などへの電力供給が燃料電池スタック１全体から行われる状態になっているため、燃料電池スタック１全体の起動が完了したものと判断して、起動完了フラグをセットし、図示しない他の制御動作にその旨を通知可能な状態にする。
【００４３】
図３は、図２に示す制御フローチャートの実行に伴う各部の動作の一例を示す図である。ここで、横軸はいずれも起動開始後の経過時間であり、図３（Ａ）中の曲線ａは、第１燃料電池スタック部１ａの起動状態、図３（Ａ）中の曲線ｂは、第２燃料電池スタック部１ｂの起動状態、図３（Ｂ）中の曲線ｃは、二次電池１７の残量容量、図３（Ｃ）中の曲線ｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作状態をそれぞれ示している。
【００４４】
燃料電池スタック１の起動を開始した時点ｔ１で、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を昇圧動作に切り替え、接続用スイッチ１９をオフした状態で、二次電池１７の出力電圧を昇圧して、二次電池１７からの電力によってまず熱容量の小さい第１燃料電池スタック部１ａのみの起動を行う。このとき、バイパス管７を開いて第１燃料電池スタック部１ａに対する起動のみが可能な状態となっている。
【００４５】
その後、第１燃料電池スタック部１ａの起動が完了した時点ｔ２で、バイパス管７を閉じかつ接続用スイッチ１９をオンした状態で、起動完了後の第１燃料電池スタック部１ａからの電力を二次電池１７に供給しつつ、第２燃料電池スタック部１ｂの起動を行う。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は昇圧動作のままであり、二次電池１７によって燃料電池スタック１の起動に必要な電力が供給されている。
【００４６】
その後、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了した時点ｔ３で、燃料電池スタック１全体の起動が完了したことになるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を降圧動作に切り替え、接続用スイッチ２１をオフした状態で、燃料電池スタック１全体の電力を使って、負荷２７を駆動しつつ、二次電池１７を充電する。
【００４７】
従って、特に図３（Ｂ）に示されるように、図２に示す制御フローチャートを実行することで、燃料電池スタック１の起動時において二次電池１７の過放電が防止されていることがわかる。
【００４８】
次に、図４に示す特性図を参照して、第１燃料電池スタック部１ａの電気特性の設定方法を説明する。
図４は、燃料電池スタック一般及び二次電池一般の電気特性（電流―電圧特性）の一例を示す図である。ここで、横軸は電流Ｉ、縦軸は電圧Ｖである。
【００４９】
本実施の形態では、第１燃料電池スタック部１ａの電気特性を、二次電池１７の電気特性を考慮して設定する。
すなわち、一般に、二次電池は、充電電流が大きくなればなるほど、また、残存容量が高くなればなるほど、その電圧値が大きくなる。例えば、ある二次電池の電流―電圧特性を曲線ｆで示した場合、曲線ｇは、二次電池の残存容量が曲線ｆの場合よりも下がった場合の電流―電圧特性であり、同じ充電電流でも電圧がより低いことを示しており、また、曲線ｅは、二次電池の残存容量が曲線ｆの場合よりも上がった場合の電流―電圧特性であり、同じ充電電流でも電圧がより高いことを示している。一方、曲線ｈは、ある燃料電池スタックの電流―電圧特性を示している。
【００５０】
従って、一般に、二次電池について残存容量が低い状態から燃料電池スタックの電力で充電して残存容量を高めていく場合、その動作点は、Ｐ３ →Ｐ２ →Ｐ１と移動することになるので、燃料電池スタック（ここでは第１燃料電池スタック部１ａ）の出力電圧は、二次電池（ここでは二次電池１７）が放電し切った状態（動作点Ｐ３）における電圧Ｖ３が下限値で、上限値は、二次電池の許容最高電圧値Ｖ１がフル充電時の平衡動作点Ｐ１となるように設定すればよい。
なお、二次電池１７の電力容量を第２燃料電池スタック部１ｂの起動に必要な電力量以上とすることで、第２燃料電池スタック部１ｂ起動中の二次電池１７の過放電を防止することができる。
【００５１】
この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、燃料電池スタック１を２つに分割して、第１燃料電池スタック部１ａのみを選択的に起動可能な構成（バイパス管７と流路切替装置９）と、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７を接続するスイッチ１９とを設けておき、燃料電池スタック１の起動時、まず第１燃料電池スタック部１ａのみを起動させ、起動後の第１燃料電池スタック部１ａが発生する電力を二次電池１７に供給することで、起動後の第１燃料電池スタック部１ａによって二次電池１７を充電しつつ、燃料電池スタック１全体の起動に必要な電力を二次電池１７によって供給することができ、燃料電池スタック１の起動時における二次電池１７の過放電を防止することができる。
【００５２】
また、第１燃料電池スタック部１ａの起動が完了した後に初めて、燃料電池スタック１全体の起動が完了するまで、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７とを接続することで、第１燃料電池スタック部１ａの起動を早期に完了させることができる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００５４】
第２の実施の形態の特徴は、図１に示す第１の実施の形態に対して第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７との接続方法を変更したものであって、図５に示すように、図１に示す接続用スイッチ１９に代えて、第１燃料電池スタック部１ａからの電力を二次電池１７に供給（充電）することができる第２の電圧変換装置（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ）４１を設けたことにある。このＤＣ／ＤＣコンバータ４１も制御装置２９に接続されており、制御装置２９からの制御信号によって動作がオンオフされる。
【００５５】
次に、図６に示す制御フローチャートに従って燃料電池システムの起動時の制御動作を説明する。なお、図６に示す制御フローチャートは、制御装置２９の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
本実施の形態では、図６に示すように、ステップＳ２４０及びステップＳ２５０を図２に示すフローチャートに挿入し、ステップＳ１４０及びステップＳ１７０を削除している。すなわち、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７間の接続用スイッチ１９のオンオフ制御に代えて、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の動作のオンオフ制御を行うようにしている。
【００５６】
ステップＳ１００〜ステップＳ１３０は、図２に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
そして、ステップＳ２４０では、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の動作を停止（オフ）させて、第１燃料電池スタック部１ａの電気負荷（二次電池１７など）を開放する。
【００５７】
ステップＳ１５０及びステップＳ１６０は、図２に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
【００５８】
そして、ステップＳ２５０では、第１燃料電池スタック部１ａの起動完了によって第１燃料電池スタック部１ａが二次電池１７を充電し得るだけの発電可能状態になっているため、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を動作させて（オンして）、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７とを接続し、起動完了後の第１燃料電池スタック部１ａで発生した電力を二次電池１７に供給できるようにする。
【００５９】
ステップＳ１８０〜ステップＳ２３０は、図２に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
この結果、第２の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７間に第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を設けることで、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７間の電流・電圧を第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１によって任意に選ぶことができるようになり、図４で示すような両者の電気特性で定まる動作点を考慮する必要がなくなるので、第１燃料電池スタック部１ａの電気特性の設定における自由度が増大する。
【００６０】
また、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１に第１燃料電池スタック部１ａの電力制御機能を設けた場合には、第１燃料電池スタック部１ａの起動状態に応じて第１燃料電池スタック部１ａから電力を引き出すことによって、二次電池１７の過放電をさらに防止することができる。
【００６１】
これは、例えば、第１燃料電池スタック部１ａの起動中に二次電池１７の残存容量が少なくなり過放電のおそれが生じた場合に、第１燃料電池スタック部１ａの起動状態に応じて、第１燃料電池スタック部１ａから供給可能な電力を算出し、この結果に応じた電力を第１燃料電池スタック部１ａから引き出して二次電池１７に供給することで可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の燃料電池システムの起動時の制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図３】図２に示す制御フローチャートの実行に伴う各部の動作の一例を示す図である。
【図４】燃料電池スタック一般及び二次電池一般の電気特性（電流―電圧特性）の一例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図６】第２の実施の形態の燃料電池システムの起動時の制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図７】従来の燃料電池システムの一例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
１ａ第１燃料電池スタック部
１ｂ第２燃料電池スタック部
３燃料ガス供給装置
７バイパス管
９流路切替装置
１３空気供給装置
１７二次電池
１９接続用スイッチ
２３、４１ＤＣ／ＤＣコンバータ
２７負荷
２９制御装置
３１，３３温度計[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system that uses a fuel cell stack as a main power source and starts the fuel cell stack by supplying air or the like using another power source when starting the fuel cell stack. About.
[0002]
[Prior art]
As a conventional fuel cell system, for example, a system shown in FIG. 7 is known.
In this fuel cell system, in order to cause the fuel cell stack 101 to generate power, a fuel gas containing a large amount of hydrogen and an air containing oxygen are supplied from a fuel gas supply device 3 and an air supply device (for example, an air compressor) 13. Is supplied to the fuel cell stack 101. At this time, for example, air is pumped to the fuel cell stack 101 by driving the air compressor 13. The driving power of the air compressor 13 varies depending on the system. When the driving power is about several kW or more, a low-voltage secondary battery of about 12 V, which is generally used to supply power to vehicle auxiliary equipment, is used as a power supply. The current value can be reduced by using a high-voltage power supply of, for example, about 350 V for supplying electric power to the vehicle drive motor (load 27). This is preferable in that the diameter of a harness for supplying power to the air compressor 13 and the size of other associated devices can be reduced.
[0003]
Therefore, at the time of starting the fuel cell stack 101 before the fuel cell stack 101 becomes a state capable of generating high-voltage power, the output voltage of the secondary battery 17 for vehicle auxiliary equipment is boosted by the DC / DC converter 23. The obtained high-voltage power is supplied to the motor (load 27) for driving the air compressor 13, and after the start of the fuel cell stack 101 is completed, the power supply system is switched, and the air compressor 13 is driven by the power from the fuel cell stack 101. Like that. The switching of the power supply system is performed by switching the operation of the DC / DC converter 23 by the control device 103.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional fuel cell system, the auxiliary equipments necessary for starting the fuel cell stack 101 using the electric power charged in the vehicle auxiliary equipment secondary battery 17 having a relatively small capacity ( Since the air compressor 13 is driven, the secondary battery 17 may be over-discharged when the remaining capacity of the secondary battery 17 is small at the time of starting the fuel cell stack 101 or when it takes time to start.
[0005]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that can prevent overdischarge of a secondary battery when starting a fuel cell stack.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell stack for generating electric power using a fuel gas and air, a fuel gas supply unit for supplying a fuel gas to the fuel cell stack, and the fuel cell. Air supply means for supplying air to the cell stack, a secondary battery for generating a lower voltage than the fuel cell stack, and the secondary battery for supplying power to a power supply destination of the fuel cell stack are generated. Voltage converting means for boosting a voltage to a voltage generated by the fuel cell stack, or, for charging the secondary battery, reducing a voltage generated by the fuel cell stack to a voltage generated by the secondary battery. A fuel for supplying electric power required for starting the fuel cell stack by using the secondary battery by switching the voltage conversion means to a boosting operation at the time of starting the fuel cell stack; A pond system, wherein the plurality of fuel cell stacks obtained by dividing the fuel cell stack in a direction intersecting a supply path of fuel gas and air; and the plurality of fuel cell stacks at least with respect to fuel gas supply. And a bypass means for selectively supplying only one or more fuel cell stack units which are arranged on the most upstream side of a supply path of fuel gas and air and which can charge the secondary battery. Connecting means for selectively electrically connecting the one or more fuel cell stack units and the secondary battery, and starting only the one or more fuel cell stack units when starting the fuel cell stack Control means for controlling the bypass means and the connection means so as to supply power generated by the one or more fuel cell stack units after startup to the secondary battery. And it is required to.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, a first detection unit for detecting an activation state of the one or more fuel cell stack units, and the entire fuel cell stack including the plurality of fuel cell stack units Second detecting means for detecting the activation state of the fuel cell stack, the control means only after the activation of the one or more fuel cell stack units is completed, until the activation of the entire fuel cell stack is completed. The gist of the invention is to electrically connect one or more fuel cell stack units to the secondary battery.
[0008]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, a plurality of fuel cell stack sections obtained by dividing a fuel cell stack in a direction intersecting a supply path of fuel gas and air, and a plurality of fuel cells at least for fuel gas supply are provided. In order to selectively supply only one or more fuel cell stack units located at the most upstream side of the fuel gas and air supply path and capable of charging the secondary battery, in the cell stack unit Are provided, and connection means for selectively electrically connecting the one or more fuel cell stack units and the secondary battery are provided. By activating only the cell stack unit and controlling the bypass unit and the connection unit to supply the electric power generated by the one or more fuel cell stack units after the start to the secondary battery, It is possible to prevent the overdischarge of the secondary battery in the click startup.
[0009]
According to the present invention as set forth in claim 2, only after the activation of the one or more fuel cell stack units is completed, the one or more fuel cell stack units and the By electrically connecting the secondary battery, the activation of the one or more fuel cell stack units can be completed early.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. Here, a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle will be described as an example.
[0011]
In FIG. 1, a fuel cell stack 1 is a main power supply of the fuel cell system, and generates high-voltage power using a fuel gas containing a large amount of hydrogen and air containing oxygen. The fuel cell stack 1 is divided into two fuel cell stack sections, and includes a first fuel cell stack section 1a having a small heat capacity and a second fuel cell stack section 1b having a large heat capacity.
[0012]
Here, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply device 3 (fuel gas supply means) to the fuel cell stack 1 by the fuel gas supply pipe 5. The fuel gas supply device 3 stores a fuel gas containing a large amount of hydrogen and can adjust the temperature and the pressure of the fuel gas. The fuel gas supply device 3 supplies the fuel gas to the fuel cell stack 1 at the optimum temperature and pressure.
[0013]
The fuel gas supply pipe 5 is provided with a bypass pipe 7 (bypass means) for bypassing the second fuel cell stack 1b. That is, the fuel gas supply pipe 5 is branched between the fuel gas outlet of the first fuel cell stack 1a and the fuel gas inlet of the second fuel cell stack 1b, and the branched supply pipe (bypass pipe 7) It is connected to the fuel gas outlet of the second fuel cell stack 1b. At the branch point, for example, a flow path switching device 9 (bypass means) including a three-way valve or the like is provided. By controlling the operation of the flow path switching device 9, whether the fuel gas passes through the second fuel cell stack 1b or the bypass pipe 7 is selected, and the flow path is switched. In other words, when the fuel gas supply device 3 operates, the fuel gas is always supplied to the first fuel cell stack 1a, but the supply of the fuel gas to the second fuel cell stack 1b can be selectively turned on / off. It is.
[0014]
The fuel gas supply pipe 5 is connected to a fuel gas outlet of the second fuel cell stack 1b and a fuel gas inlet of the first fuel cell stack 1a via a backflow prevention device 11 composed of, for example, a check valve. Are connected to each other (circulation route). Thus, the fuel gas that has passed or bypassed the second fuel cell stack unit 1b passes through the backflow prevention device 11, and is supplied to the fuel cell stack 1 again.
[0015]
Further, air is supplied from the air supply device 13 (air supply means) to the fuel cell stack 1 (both the first fuel cell stack 1a and the second fuel cell stack 1b) by the air supply pipe 15. The air supply device 13 is configured by, for example, an air compressor that pumps air. Note that, unlike the fuel gas supply pipe 5, the air supply pipe 15 has neither a bypass pipe nor a circulation path for the reason described later.
[0016]
The secondary battery 17 is chargeable and dischargeable, and generates a lower voltage than the voltage of the power generated by the fuel cell stack 1 during discharging. The secondary battery 17 stores a surplus power generated by the fuel cell stack 1 and a regenerative power generated by a vehicle driving motor when the fuel cell vehicle decelerates, and a high-voltage unit driven by a high voltage, for example, When the fuel cell stack 1 does not generate enough power to cover the power consumed by the vehicle drive motor, the air supply device drive motor, or the like, the fuel cell stack 1 discharges to compensate for the insufficient power. The secondary battery 17 also supplies power to a low-voltage system unit driven at a low voltage, for example, various control devices and vehicle accessories such as vehicle electrical components.
[0017]
In the fuel cell stack 1, the first fuel cell stack section 1a is directly connected to the secondary battery 17 via a connection switch 19 (connection means) and a backflow prevention diode 21. Thereby, as will be described in detail later, especially when the fuel cell stack 1 is started, the connection switch 19 is turned on to connect the first fuel cell stack unit 1a and the secondary battery 17 after the start is completed. Thus, the electric power generated in the first fuel cell stack unit 1a can be supplied directly to the secondary battery 17 to charge the secondary battery 17.
[0018]
Both the fuel cell stack 1 and the secondary battery 17 are connected to a voltage converter 23 that converts DC power of a certain voltage to DC power of a higher or lower voltage according to selection. The voltage conversion device 23 is configured by, for example, a DC / DC converter that performs bidirectional conversion.
[0019]
In this case, the DC / DC converter 23 converts the voltage of the power generated by the secondary battery 17 (the output voltage of the secondary battery) to the voltage of the power generated by the fuel cell stack 1 after the startup is completed (the output voltage of the fuel cell stack). ) (Step-up operation) to enable power supply to the power supply destination of the fuel cell stack 1 and to reduce the output voltage of the fuel cell stack 1 to the level of the output voltage of the secondary battery 17. (Step-down operation), the secondary battery 17 can be charged. The step-up operation and the step-down operation in the DC / DC converter 23 can be arbitrarily switched by a control signal.
[0020]
To the fuel cell stack 1, a load 27, which is a power supply destination of the fuel cell stack 1, is connected via a backflow prevention diode 25. As a specific example of the load 27, for example, in the case of a fuel cell vehicle, the above-described vehicle drive motor, air supply device drive motor, and the like are representative. Therefore, the load 27 is supplied with the electric power generated in the fuel cell stack 1 (both the first fuel cell stack unit 1a and the second fuel cell stack unit 1b), and the DC / DC converter 23 supplies the secondary battery 17 with the electric power. Can also be supplied.
[0021]
The flow path switching device 9, the connection switch 19, and the DC / DC converter 23 are connected to a control device 29 (control means) that manages the state of the fuel cell system and controls its operation. 29, respectively.
[0022]
Further, in order to detect the respective activation states of the first fuel cell stack section 1a and the second fuel cell stack section 1b, a thermometer 31 (first detecting means) for measuring the temperature of the first fuel cell stack section 1a is provided with a first sensor. A thermometer 33 (second detecting means) that is attached to the fuel cell stack 1a and measures the temperature of the second fuel cell stack 1b is attached to the second fuel cell stack 1b. These thermometers 31 and 33 are respectively connected to the control device 29 and output respective measurement signals to the control device 29.
[0023]
The control device 29 has a control ROM in which a control program is stored, and a RAM serving as a work area for control. Based on measurement signals from the thermometers 31 and 33, the control device 29 A control signal is output to each of the connection switch 19 and the DC / DC converter 23 to perform startup control of the fuel cell stack 1 so as to prevent overdischarge of the secondary battery 23.
[0024]
Next, a control operation at the time of starting the fuel cell system will be described according to a control flowchart shown in FIG. The control flowchart shown in FIG. 2 is stored as a control program in the internal ROM of the control device 29. The control operation at the start shown in the control flowchart is repeatedly executed at predetermined short time intervals. Further, in FIG. 2, for convenience, the first fuel cell stack 1 a having a small heat capacity on the side close to the fuel gas supply device 3 is “first stack”, and the fuel gas that has passed through the first fuel cell stack 1 a is supplied. The second fuel cell stack section 1b is abbreviated as "second stack".
[0025]
First, in step S100, the control device 29 checks the value of a flag indicating that the activation of the second fuel cell stack unit 1b has been completed (hereinafter, referred to as “activation completion flag”), and sets this activation completion flag. It is determined whether or not. When the activation of the second fuel cell stack unit 1b is completed (as described later, in this case, the activation of the entire fuel cell stack 1 is completed), the activation completion flag has a value of “1”. When the start of the second fuel cell stack unit 1b is not completed, the start completion flag is cleared to a value of “0”. Note that this startup completion flag is “0” in the initial setting, and is thereafter set in step S230. Therefore, the setting condition of the activation completion flag will be described later.
[0026]
As a result of this determination, if the activation completion flag is set (S100: YES), the activation of the second fuel cell stack unit 1b (therefore, the entire fuel cell stack 1 including the first fuel cell stack unit 1a) is started. It is determined that the process has been completed, and the process immediately ends without executing the control operation at the time of startup shown in FIG.
On the other hand, when the startup completion flag is not set (S100: NO), it is determined that the startup of the second fuel cell stack unit 1b has not been completed, and the process proceeds to step S110.
[0027]
In step S110, the activation state of the first fuel cell stack unit 1a is detected. Here, as a method of detecting the activation state, the temperature of the first fuel cell stack 1a is read from the thermometer 31 attached to the first fuel cell stack 1a, and if the read temperature is equal to or higher than a predetermined value, the first It is determined that the activation of the one fuel cell stack unit 1a has been completed.
[0028]
Note that the method of detecting the activation state is not limited to this. For example, after the connection switch 19 is turned on to electrically connect the first fuel cell stack 1a and the secondary battery 17, the current and voltage flowing from the first fuel cell stack 1a to the secondary battery 17 are measured. Then, the determination can be made by comparing the measurement result with the current / voltage characteristics after the start-up is completed.
[0029]
In step S120, based on the detection result in step S110, it is determined whether or not the activation of the first fuel cell stack unit 1a has been completed.
If the result of this determination is that the activation of the first fuel cell stack unit 1a has not been completed (S120: NO), the flow proceeds to step S130.
[0030]
In step S130, of the first fuel cell stack unit 1a and the second fuel cell stack unit 1b, both of which have not yet been started, first the first fuel cell stack unit 1a is preferentially activated to start the fuel cell. A control signal for opening the bypass pipe 9 is sent to the flow path switching device 9 provided in the gas supply pipe 5. In response to the control signal, the flow path switching device 9 opens the bypass pipe 7 so that the fuel gas that has passed through the first fuel cell stack 1a passes through the bypass pipe 7, ie, the second fuel cell. The fuel gas flow path is switched so as to bypass the stack section 1b. As a result, the fuel gas circulates only through the first fuel cell stack section 1a, and the calorific value of the fuel gas can be effectively used without being deprived by the second fuel cell stack section 1b. The temperature rise of the first fuel cell stack section 1a can be accelerated, and the activation of the first fuel cell stack section 1a can be completed early.
[0031]
In this case, the air is not bypassed or circulated. However, when the air supply device 13 is an air compressor, the discharge temperature of the air compressor is higher than the discharge temperature of the fuel gas supply device 3. The reason is that the first fuel cell stack 1a can maintain a sufficient temperature even if a part of the heat of the air is taken by the second fuel cell stack 1b because the temperature becomes extremely high. Therefore, when the discharge temperature of the air supply device 13 is low, it is possible to circulate through the first fuel cell stack 1a, bypassing the second fuel cell stack 1b, in the same configuration as the fuel gas pipe. A configuration may be adopted, whereby the activation of the first fuel cell stack unit 1a can be completed early.
[0032]
Then, in step S140, the connection switch 19 is turned off, and the electric load (such as the secondary battery 17) of the first fuel cell stack unit 1a is released. Here, the reason for releasing the electric load of the first fuel cell stack section 1a is that the activation of the first fuel cell stack section 1a is completed early and the power generation enabling state enough to charge the secondary battery 17 is changed to an early state. In order to create
[0033]
Then, in step S150, a control signal is sent to DC / DC converter 23 to cause DC / DC converter 23 to perform a step-up operation. That is, the output voltage of the secondary battery 17 is boosted, and the electric power (for example, the power consumption of the motor for driving the air supply device) required for starting the first fuel cell stack unit 1a is supplied by the secondary battery 17.
[0034]
On the other hand, if the activation of the first fuel cell stack 1a has been completed (S120: YES), the process proceeds to step S160 to continue the activation of the second fuel cell stack 1b.
[0035]
In step S160, a control signal for closing the bypass pipe 7 is sent to the flow path switching device 9 provided in the fuel gas supply pipe 5. In response to the control signal, the flow path switching device 9 closes the bypass pipe 7 so that the fuel gas passing through the first fuel cell stack 1a does not flow into the bypass pipe 7 and the second fuel cell stack The flow path of the fuel gas is switched so as to flow into 1b. As a result, the fuel gas circulates not only in the first fuel cell stack section 1a but also in the second fuel cell stack section 1b, and the second fuel cell stack section 1b is activated.
[0036]
In step S170, the connection switch 19 is turned on because the first fuel cell stack unit 1a is in a power-generating state in which the first fuel cell stack unit 1a can charge the secondary battery 17 by the completion of the activation of the first fuel cell stack unit 1a. Then, the first fuel cell stack unit 1a and the secondary battery 17 are connected, and the power generated in the first fuel cell stack unit 1a after the start-up is completed can be supplied to the secondary battery 17.
[0037]
Then, in step S180, while the connection switch 19 between the first fuel cell stack unit 1a and the secondary battery 17 is turned on in step S170, a control signal is continuously sent to the DC / DC converter 23 to The step-up operation of the DC converter 23 is continued. That is, the output voltage of the secondary battery 17 is boosted, the power of the secondary battery 17 is supplied to the power supply destination (load 27) of the fuel cell stack 1, and the fuel cell stack 1 (particularly, the second fuel in an unstarted state) is supplied. An operation for activating the battery stack unit 1b) is performed. As a result, the secondary battery 17 receives a supply of electric power from the first fuel cell stack unit 1a after the start-up is completed, and at the same time, a high-voltage system unit (air supply device driving motor) necessary for starting the fuel cell stack 1 , Etc.), it is possible to continue the startup of the fuel cell stack 1 while preventing overdischarge of the secondary battery 17. Further, at this time, since power is generated in the first fuel cell stack 1a, water is generated as a by-product during power generation in the air discharged from the first fuel cell stack 1a. Since the contained air is supplied to the second fuel cell stack 1b, the humidification of the second fuel cell stack 1b can be accelerated, and the activation of the second fuel cell stack 1a can be completed early. .
[0038]
Then, in step S190, the activation state of the second fuel cell stack unit 1b is detected. Here, as the method of detecting the start-up state, similarly to the method of detecting the start-up state of the first fuel cell stack section 1a in step S110, the second fuel cell stack is attached to the second fuel cell stack section 1b. The temperature of the unit 1b is read, and if the read temperature is equal to or higher than a predetermined value, it is determined that the activation of the second fuel cell stack unit 1b has been completed.
[0039]
In step S200, based on the detection result in step S190, it is determined whether or not the activation of the second fuel cell stack unit 1b has been completed.
If the result of this determination is that the activation of the second fuel cell stack 1b has not been completed (S200: NO), the control operation at the time of activation shown in FIG. Wait for startup to complete.
[0040]
On the other hand, if the activation of the second fuel cell stack unit 1b has been completed (S200: YES), the process proceeds to step S210.
In step S210, the connection switch 19 is turned off, the connection between the first fuel cell stack unit 1a and the secondary battery 17 is cut off, and charging of the secondary battery 17 by only the first fuel cell stack unit 1a is prohibited. .
[0041]
Then, in step S220, a control signal is sent to DC / DC converter 23 to cause DC / DC converter 23 to perform a step-down operation. That is, the fuel cell stack 1 and the load 27 (particularly, the motor for driving the vehicle) are switched to the input side, and the secondary battery 17 is switched to the output side to reduce the output voltage of the fuel cell stack 1 and the regenerative voltage of the vehicle driving motor. Thus, power supply (charging) to the secondary battery 17 is enabled. Therefore, the power supply from the fuel cell stack 1 to the secondary battery 17 starts from the state of only the first fuel cell stack section 1a before the completion of the activation of the second fuel cell stack section 1b. The state is switched to the state of the entire fuel cell stack 1 including the second fuel cell stack section 1b.
[0042]
Then, in step S230, the start-up of the second fuel cell stack unit 1b in addition to the first fuel cell stack unit 1a is also completed, the DC / DC converter 23 switches to the step-down operation, and the load 27, the secondary battery 17 and the like are switched. Since the power is supplied from the entire fuel cell stack 1, it is determined that the entire fuel cell stack 1 has been started, a start completion flag is set, and other control operations (not shown) are performed. In a state where notification is possible.
[0043]
FIG. 3 is a diagram showing an example of the operation of each unit accompanying the execution of the control flowchart shown in FIG. Here, the horizontal axis represents the elapsed time after the start of the start-up, and the curve a in FIG. 3A is the start-up state of the first fuel cell stack unit 1a, and the curve b in FIG. The starting state of the second fuel cell stack 1b, the curve c in FIG. 3B is the remaining capacity of the secondary battery 17, and the curve d in FIG. 3C is the operating state of the DC / DC converter 23. Are respectively shown.
[0044]
At the time t1 when the start of the fuel cell stack 1 is started, the DC / DC converter 23 is switched to the boosting operation, and the output voltage of the secondary battery 17 is boosted while the connection switch 19 is turned off. First, only the first fuel cell stack 1a having a small heat capacity is started by the electric power from the first fuel cell. At this time, the bypass pipe 7 is opened, and only the first fuel cell stack 1a can be started.
[0045]
Thereafter, at a time point t2 when the activation of the first fuel cell stack section 1a is completed, the power from the first fuel cell stack section 1a after the activation is completed is reduced by two while the bypass pipe 7 is closed and the connection switch 19 is turned on. The second fuel cell stack unit 1b is activated while supplying the fuel to the secondary battery 17. At this time, the DC / DC converter 23 remains in the step-up operation, and the secondary battery 17 supplies power necessary for starting the fuel cell stack 1.
[0046]
Thereafter, at the time t3 when the activation of the second fuel cell stack unit 1b is completed, the activation of the entire fuel cell stack 1 is completed. Therefore, the DC / DC converter 23 is switched to the step-down operation, and the connection switch 21 is turned off. In this state, the secondary battery 17 is charged while driving the load 27 using the power of the entire fuel cell stack 1.
[0047]
Therefore, as shown in FIG. 3B, by executing the control flowchart shown in FIG. 2, it is understood that overdischarge of the secondary battery 17 is prevented when the fuel cell stack 1 is started.
[0048]
Next, a method for setting the electrical characteristics of the first fuel cell stack unit 1a will be described with reference to the characteristic diagram shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of electrical characteristics (current-voltage characteristics) of a general fuel cell stack and a general secondary battery. Here, the horizontal axis is the current I and the vertical axis is the voltage V.
[0049]
In the present embodiment, the electric characteristics of the first fuel cell stack 1a are set in consideration of the electric characteristics of the secondary battery 17.
That is, in general, the voltage value of the secondary battery increases as the charging current increases and as the remaining capacity increases. For example, when the current-voltage characteristic of a certain secondary battery is indicated by a curve f, a curve g is a current-voltage characteristic when the remaining capacity of the secondary battery is lower than the case of the curve f, and has the same charging current. However, it shows that the voltage is lower, and the curve e is a current-voltage characteristic when the remaining capacity of the secondary battery is higher than that in the case of the curve f, and the voltage is higher even at the same charging current. Is shown. On the other hand, a curve h indicates a current-voltage characteristic of a certain fuel cell stack.
[0050]
Therefore, in general, when the remaining capacity of the secondary battery is increased from the state where the remaining capacity is low by charging the fuel cell stack with electric power to increase the remaining capacity, the operating point moves from P3 → P2 → P1. The output voltage of the battery stack (here, the first fuel cell stack section 1a) is such that the voltage V3 in a state where the secondary battery (here, the secondary battery 17) is completely discharged (operating point P3) is a lower limit value and an upper limit value. May be set so that the allowable maximum voltage value V1 of the secondary battery becomes the equilibrium operating point P1 at the time of full charge.
By setting the power capacity of the secondary battery 17 to be equal to or more than the amount of power required to start the second fuel cell stack unit 1b, overdischarge of the secondary battery 17 during startup of the second fuel cell stack unit 1b is prevented. be able to.
[0051]
As a result, the effect of the first embodiment is that the fuel cell stack 1 is divided into two parts and only the first fuel cell stack part 1a can be selectively activated (bypass pipe 7 and flow path switching). A device 9) and a switch 19 for connecting the first fuel cell stack unit 1a and the secondary battery 17 are provided, and when the fuel cell stack 1 is started, first, only the first fuel cell stack unit 1a is started and started. By supplying power generated by the later first fuel cell stack unit 1a to the secondary battery 17, the secondary battery 17 is charged by the activated first fuel cell stack unit 1a, and the entire fuel cell stack 1 is charged. Electric power required for starting can be supplied by the secondary battery 17, and overdischarge of the secondary battery 17 at the time of starting the fuel cell stack 1 can be prevented.
[0052]
The first fuel cell stack unit 1a and the secondary battery 17 are connected only after the start of the first fuel cell stack unit 1a is completed until the start of the entire fuel cell stack 1 is completed. The activation of the fuel cell stack unit 1a can be completed early.
[0053]
(Second embodiment)
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. Note that the second embodiment has the same basic configuration as the fuel cell system corresponding to the first embodiment shown in FIG. 1, and the same components are denoted by the same reference numerals. , The description of which will be omitted.
[0054]
The feature of the second embodiment is that the connection method between the first fuel cell stack section 1a and the secondary battery 17 is changed from that of the first embodiment shown in FIG. As shown, instead of the connection switch 19 shown in FIG. 1, a second voltage converter (for example, DC) capable of supplying (charging) power from the first fuel cell stack 1a to the secondary battery 17 / DC converter) 41. The DC / DC converter 41 is also connected to the control device 29, and its operation is turned on / off by a control signal from the control device 29.
[0055]
Next, a control operation at the time of starting the fuel cell system will be described according to a control flowchart shown in FIG. The control flowchart shown in FIG. 6 is stored as a control program in the internal ROM of the control device 29.
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, steps S240 and S250 are inserted into the flowchart shown in FIG. 2, and steps S140 and S170 are deleted. That is, the on / off control of the operation of the second DC / DC converter 41 is performed instead of the on / off control of the connection switch 19 between the first fuel cell stack unit 1a and the secondary battery 17.
[0056]
Steps S100 to S130 are the same as the respective steps of the flowchart shown in FIG. 2, and thus description thereof will be omitted.
Then, in step S240, the operation of the second DC / DC converter 41 is stopped (turned off), and the electric load (such as the secondary battery 17) of the first fuel cell stack unit 1a is released.
[0057]
Steps S150 and S160 are the same as the respective steps of the flowchart shown in FIG. 2, and thus description thereof will be omitted.
[0058]
In step S250, since the first fuel cell stack unit 1a is in a power-generating state in which the first fuel cell stack unit 1a can charge the secondary battery 17 by the completion of the activation, the second DC / DC converter 41 Is operated (turned on) to connect the first fuel cell stack unit 1a and the secondary battery 17, and the power generated in the first fuel cell stack unit 1a after the start-up is completed can be supplied to the secondary battery 17. To do.
[0059]
Steps S180 to S230 are the same as the respective steps of the flowchart shown in FIG. 2, and thus description thereof will be omitted.
As a result, the effect of the second embodiment is different from the effect of the first embodiment in that the second DC / DC converter 41 is provided between the first fuel cell stack 1a and the secondary battery 17. Thus, the current / voltage between the first fuel cell stack unit 1a and the secondary battery 17 can be arbitrarily selected by the second DC / DC converter 41, and the operation determined by the electrical characteristics of both as shown in FIG. Since there is no need to consider the points, the degree of freedom in setting the electrical characteristics of the first fuel cell stack unit 1a increases.
[0060]
When the second DC / DC converter 41 is provided with a power control function of the first fuel cell stack 1a, power is supplied from the first fuel cell stack 1a in accordance with the activation state of the first fuel cell stack 1a. By pulling out, overdischarge of the secondary battery 17 can be further prevented.
[0061]
This is because, for example, when the remaining capacity of the secondary battery 17 decreases during the activation of the first fuel cell stack unit 1a and there is a risk of overdischarge, the activation state of the first fuel cell stack unit 1a This is possible by calculating the power that can be supplied from the first fuel cell stack unit 1a, extracting power from the result from the first fuel cell stack unit 1a, and supplying the power to the secondary battery 17.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a control flowchart for explaining a control operation at the time of starting the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the operation of each unit following execution of the control flowchart shown in FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of electrical characteristics (current-voltage characteristics) of a general fuel cell stack and a general secondary battery.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a control flowchart for explaining a control operation at the time of starting the fuel cell system according to the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an example of a conventional fuel cell system.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
1a First fuel cell stack section
1b Second fuel cell stack section
3 Fuel gas supply device
7 Bypass pipe
9 Channel switching device
13 Air supply device
17 Secondary battery
19 Connection switch
23, 41 DC / DC converter
27 Load
29 Control device
31,33 thermometer

Claims

A fuel cell stack that generates electric power using fuel gas and air,
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel cell stack;
Air supply means for supplying air to the fuel cell stack,
A secondary battery that generates a lower voltage than the fuel cell stack;
Boosting the voltage generated by the secondary battery to supply power to the power supply destination of the fuel cell stack to the voltage generated by the fuel cell stack, or the fuel cell to charge the secondary battery Voltage conversion means for reducing the voltage generated by the stack to the voltage generated by the secondary battery,
A fuel cell system that switches the voltage conversion unit to a boosting operation when the fuel cell stack is started, and supplies power required for starting the fuel cell stack using the secondary battery,
A plurality of fuel cell stack units obtained by dividing the fuel cell stack in a direction intersecting a supply path of fuel gas and air,
At least with respect to the supply of fuel gas, of the plurality of fuel cell stack units, one or more fuel cell stack units that are arranged on the most upstream side of a fuel gas and air supply path and can charge the secondary battery. A bypass means for selectively performing supply only by
Connection means for selectively electrically connecting the one or more fuel cell stack units and the secondary battery;
At the start of activation of the fuel cell stack, only the one or more fuel cell stack units are activated, and power generated by the one or more fuel cell stack units after activation is supplied to the secondary battery. A fuel cell system comprising: a control unit for controlling the bypass unit and the connection unit.

First detection means for detecting an activation state of the one or more fuel cell stack units;
Second detection means for detecting an activation state of the entire fuel cell stack including the plurality of fuel cell stack units,
The control means,
Only after the activation of the one or more fuel cell stack units is completed, the one or more fuel cell stack units and the secondary battery are electrically connected until the activation of the entire fuel cell stack is completed. The fuel cell system according to claim 1, wherein: