JP4085642B2 - Fuel cell system - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムとして、例えば特開平7−123609号公報に開示される「燃料電池給電システム」がある。このような蓄電手段を備える燃料電池システムにおいては、燃料電池だけでは賄いきれない電力要求が負荷からあった場合に、その不足分を当該蓄電手段から供給する補助電力により補うことで、当該電力要求に応え得るようにしている。
【0003】
即ち、前記公報に開示される「燃料電池給電システム」では、第2電力変換器の出力電流、第1の電力変換器の入力電流(燃料電池から出力される直流電力)およびバッテリの出力電圧を入力としてこれらに基づき第2の電力変換器を制御することにより、バッテリを充放電させ、第1の電力変換器の入力電流を燃料電池の出力電流と第2の電力変換器の出力電流とによって分担させている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に開示される「燃料電池給電システム」のように構成される燃料電池システムによると、燃料電池から出力される直流電力を第1の電力変換器の入力電流(燃料電池の出力電流)としてこれに基づいて制御を行っている。そのため、次に挙げるような問題点がある。
【0005】
(1) 例えば、燃料電池温度が低い、イオン交換膜が乾いている、あるいは電池反応触媒が劣化している等の燃料電池の電極性能に悪影響を与え得るような条件下においては、良好な電極状態時に比べて発電能力が低下するため、燃料電池の出力電流を監視しているだけでは十分ではないという問題点がある。
【0006】
即ち、燃料電池の電極状態が良好な場合においては、燃料電池はその出力電流を十分に取り出せる特性、つまり図6に示すような特性曲線α(電流電圧特性)および特性曲線β(電流電力特性)を呈するような出力特性を持つが、一方、燃料電池の電極性能に悪影響を与え得るような条件下においては、燃料電池はその出力電流が十分に取り出すことのできない出力特性、図6に示す特性曲線α’(電流電圧特性)および特性曲線β’(電流電力特性)を呈するような出力特性を有するに至る。したがって、燃料電池の出力電流を監視しているだけでは、発電中の燃料電池が、現在、発電効率の高い領域(図6において出力電力(特性曲線β、β’)の最大値よりも出力電流の低い側)にあるのか、あるいは発電効率の低い領域(同最大値よりも出力電流の高い側)にあるのか、を検出することができないという問題がある。
【0007】
例えば図6に示す出力特性の例を参照して説明すると、出力監視電流を200Aに設定した場合には(同図中に示す一点鎖線)、比較的良好な燃料電池においては、特性曲線βから、その出力電力の最大値よりも出力電流の低い側、つまり発電効率の高い領域で、燃料電池による供給電力の不足分を蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替えることできる(同図中に示す点X)。ところが、出力監視電流の設定を変更することなく200Aのままでは劣化した燃料電池においては、特性曲線β’から、その出力電力の最大値よりも出力電流の高い側、つまり発電効率の低い領域内に移った後に、蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替えることになる(同図中に示す点X’)。
【0008】
(2) また(1) で説明したように、燃料電池の出力電流を監視しているだけでは劣化した燃料電池においては、発電効率の低い領域内に移った後に、蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替える。そのため、発電効率の低い領域においても燃料電池から出力電流を過剰に取り出す場合があり得るので、その場合には、燃料電池の発電能力を超えた電力供給を要求することになり、燃料電池内の熱バランスが崩れて発電の停止に至るおそれがあるという問題をも招く。またこのような状態が継続すると、燃料電池の電極損傷に至るという問題にも発展する。
【0009】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る燃料電池システムを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段および発明の作用・効果】
上記目的を達成するため、請求項1の燃料電池システムでは、負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムであって、前記負荷に対し電力供給する燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池の電流密度に対する電力密度の特性を示す曲線Bにおける最大電力点Pを発電するときの電圧である点Rを、前記燃料電池の電流密度に対する電圧効率の特性を示す曲線Cから求め、この電圧が下限値として設定され、前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池の出力電圧が前記電圧値を下回らないように、前記負荷に対し前記蓄電手段から、前記燃料電池の出力電圧が前記電圧値以上を保持し得る補助電力を供給する補助電力供給手段と、を備えることを技術的特徴とする。
【0011】
請求項1の発明では、電圧検出手段により、負荷に対し電力供給する燃料電池の出力電圧を検出し、補助電力供給手段により、燃料電池の電流密度に対する電力密度の特性を示す曲線Bにおける最大電力点Pを発電するときの電圧である点Rを、燃料電池の電流密度に対する電圧効率の特性を示す曲線Cから求め、この電圧が下限値として設定され、電圧検出手段により検出された燃料電池の出力電圧が電圧値を下回らないように、負荷に対し蓄電手段から、燃料電池の出力電圧が電圧値以上を保持し得る補助電力を供給する。つまり、電圧検出手段により検出した燃料電池の出力電圧に基づいて、燃料電池の出力電圧が所定の電圧値以上を保持し得るように負荷に対して蓄電手段から補助電力を供給するので、燃料電池の出力電流に基づいた判断により負荷に補助電力を供給するものではない。これにより、燃料電池の発電効率の低い領域では、負荷に対して燃料電池による電力供給に加え、蓄電手段からも補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域にある燃料電池から過剰に電力を取り出すことを防止することができる。したがって、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。
【0012】
また、請求項2の燃料電池システムでは、請求項1において、前記補助電力供給手段は、前記負荷からの要求電力が、前記燃料電池の出力電圧が下限値では不足する電力分を補助電力として供給することを技術的特徴とする。
【0013】
請求項2の発明では、補助電力供給手段は、負荷からの要求電力が、燃料電池の出力電圧が下限値では不足する電力分を補助電力として供給する。これにより、燃料電池から過剰に電力を取り出すことなく、負荷の要求に応えられる電力を供給することができる。
【0021】
図1に示すように、燃料電池システム20は、主に、燃料電池21、バッテリ31、スイッチング素子36、37、モータ駆動回路45、ハイブリッド回路コントローラ(以下「HBCコントローラ」という)51、燃料電池コントローラ(以下「FCコントローラ」という)53等により構成されており、モータ駆動回路45(負荷の一部)に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池21およびバッテリ31(蓄電手段)を備えるもので、燃料電池21の出力電圧(以下「FC電圧」という)Vfcが所定の下限電圧値VLを下回ると、モータ駆動回路45等に対しバッテリ31から、燃料電池21のFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL以上を保持し得る補助電力を供給するものである。
【0022】
燃料電池21は、モータ駆動回路45(負荷の一部)に対し電力供給し得るもので、水素と酸素を反応させることにより電気エネルギを取り出し、モータで車輪を駆動する電気自動車のエネルギ源のひとつである。このため、燃料電池21には、水素および酸素(または空気)が供給されており、それらの供給量は、後述するFCコントローラ53により制御され、出力電力の制御が行われている。
【0023】
なお、燃料電池21は、一般に、水素貯蔵や改質触媒等の方式によって種々の水素供給タイプに分類されるが、水素と酸素とを反応させて発電するものであれば、本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。例えば、固体高分子型燃料電池(PEMFC)を用いることが望ましいが、その他、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール型(DMFC)等のものがある。
【0024】
燃料電池21の端子間には、そのFC電圧Vfcを検出し得る電圧センサ23が接続されている。即ち、燃料電池21の出力端子間に接続された電圧センサ23により燃料電池21のFC電圧Vfcが検出され、検出されたFC電圧VfcはFCコントローラ53に出力されている。これにより、FCコントローラ53によって燃料電池21のFC電圧Vfcを適宜監視することができるので、これに基づいた燃料電池21の出力制御を可能にしている。なお、この電圧センサ23は、特許請求の範囲に記載の「電圧検出手段」に相当する。
【0025】
また、燃料電池21の出力端子の一方(例えば陽極側)には、燃料電池21の入出力電流を測定し得る電流センサ25が設けられている。そして、この電流センサ25により検出された燃料電池電流(以下「FC電流」という)Ifcは、FCコントローラ53に出力され、これにより燃料電池21の出力をFC電流Ifcの面から適宜監視することができる。そのため、FC電流Ifcに基づいた燃料電池21の出力制御を可能にしている。
【0026】
さらに、燃料電池21の出力端子の一方(例えば陽極側)には、燃料電池21から電流が流れ出る方向を順方向とするようにダイオード27が直列に接続されている。即ち、燃料電池21に対してアノード側、モータ駆動回路45に対してカソード側、がそれぞれ位置するようにダイオード27が接続されている。このダイオード27は、逆電流防止を目的とするもので、バッテリ31やモータ駆動回路45から燃料電池21に向けて駆動電流や回生電流が流れ込むことを抑制し、逆電流による燃料電池21の劣化を防止している。
【0027】
バッテリ31は、充放電を繰り返すことができるいわゆる二次電池で、特許請求の範囲に記載の「蓄電手段」に相当するものである。即ち、バッテリ31は、燃料電池21のFC電圧Vfcが後述するように予め設定された所定の下限電圧値VLを下回ると、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該下限電圧値VL以上を保持し得るように、モータ駆動回路45等に対し補助電力を供給するものである。
【0028】
具体的には、例えば、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が用いられるが、このほか通常仕様の鉛電池や、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等を用いても良い。
【0029】
このバッテリ31は、その端子間電圧(以下「BT電圧」という)Vbtを電圧センサ33によって検出されている。即ち、バッテリ31の出力端子間には、電圧センサ33が接続されており、この電圧センサ33により検出されたBT電圧VbtはHBCコントローラ51に出力されている。これにより、HBCコントローラ51によってバッテリ31の出力電圧(BT電圧Vbt)を適宜監視することができるので、これに基づいて後述する昇圧制御や充電制御を可能にしている。
【0030】
なお、本実施形態では、蓄電手段としてバッテリ31を用いたが、本発明ではこれに限られることはなく、電荷を蓄えてそれを放出できる機能を有するものであれば、例えばコンデンサ(例えば電気二重層コンデンサ)、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等、あるいはこれらを組み合わせもの等であっても良い。
【0031】
バッテリ31の出力端子の一方(例えば陽極側)には、200A程度の電流を許容するリアクトル35が直列に接続されている。このリアクトル35は、次に説明するスイッチング素子36とともに昇圧回路を構成するもので、所定の電気エネルギを蓄え得るものである。
【0032】
スイッチング素子36は、電力用の半導体スイッチング素子であり、直列接続されたバッテリ31およびリアクトル35に対して、入出力端子が並列に接続されている。本実施形態では、例えば、IGBT(insulated gate bipolar transistor ;絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ)にフライホイールダイオードを組み合わせたものが用いられており、そのベース端子あるいはゲート端子は、HBCコントローラ51に接続されている。これにより、HBCコントローラ51からスイッチング素子36に対し、所定周期(例えば20kHz)のスイッチング信号が出力されると、当該周期でスイッチング素子36をDUTY制御できる。
【0033】
即ち、スイッチング素子36がオン状態のときにはその入出力端子間が導通するので、バッテリ31から出力された直流電流がリアクトル35に流れ込んで電気エネルギが蓄積される。一方、スイッチング素子36がオフ状態のときにはその入出力端子間が遮断されるので、それまで流れていた電流とは逆方向に電流が流れ、つまりリアクトル35から電気エネルギが放出され、バッテリ31の出力電圧に加算されて昇圧される。なお、昇圧されたバッテリ31のBT電圧Vbtは、前述のスイッチング信号によって適宜調節することができるが、おおよそ燃料電池21のFC電圧Vfcよりわずかに高い程度の電圧に調節される。なおこのスイッチング素子36は、特許請求の範囲に記載の「補助電力供給手段」に相当するものである。
【0034】
また、リアクトル35とスイッチング素子36とからなる昇圧回路の出力側には、スイッチング素子37が直列に接続されている。このスイッチング素子37は、前述した前記スイッチング素子36と同様、電力用の半導体スイッチング素子で、モータ駆動回路45による回生電力や燃料電池21による余剰電力をバッテリ31に供給し充電する場合にオン状態に制御される充電制御回路を構成するものである。即ち、スイッチング素子37のベース端子あるいはゲート端子に接続されたHBCコントローラ51によって、電圧センサ33により検出されたBT電圧Vbtに基づいてバッテリ31の残存容量を監視しているので、バッテリ31の残存容量が所定の充電容量まで低下すると、スイッチング素子37をオン状態に制御することで、モータ駆動回路45や燃料電池21から供給される電力によりバッテリ31を充電するようにしている。
【0035】
なお、このスイッチング素子37の入出力端子間には、当該昇圧回路の出力方向を順方向とするようにダイオードが接続されている。これにより、スイッチング素子37のオンオフ状態にかかわらず、当該昇圧回路からモータ駆動回路45に電力供給することができるように構成されている。また、このスイッチング素子37の出力側(コレクタ側)には、電流センサ39が接続されているので、バッテリ31等による昇圧回路からモータ駆動回路45に供給される出力電流Ibtを検出し、HBCコントローラ51に出力することもできる。
【0036】
このように、昇圧回路を構成するスイッチング素子36と充電制御回路を構成するスイッチング素子37とにより、HBCコントローラ51は、燃料電池21のFC電圧Vfcに基づいて、両スイッチング素子を次のように制御している。
【0037】
(1) 燃料電池21のFC電圧Vfcが後述する所定の下限電圧値VL以上である場合(Vfc≧VL)には、スイッチング素子36をオフ状態に制御することにより昇圧回路による補助電力の発生を停止させる。またスイッチング素子37は、モータ駆動回路45による回生電力や燃料電池21による余剰電力によってバッテリ31を充電する必要がある場合にはオン状態に制御し、そのような充電の必要がない場合にはオフ状態に制御する。
【0038】
(2) 燃料電池21のFC電圧Vfcが、所定の下限電圧値VLを下回る場合には(Vfc<VL)、後述する理由により、モータ駆動回路45等に対し補助電力を供給する必要があるので、スイッチング素子36をオン状態に制御することにより昇圧回路を動作させ、バッテリ31等による昇圧回路により補助電力の供給を開始、継続する。なお、このときスイッチング素子37はオフ状態に制御されているので、補助電力の供給は、スイッチング素子37の入出力端子間に接続されているダイオードを介して行われる。
【0039】
モータ駆動回路45は、燃料電池21やバッテリ31に対して並列に接続される負荷の一部を構成するもので、例えば車両用の交流モータMを駆動するインバータ回路が挙げられる。なお、負荷としては、モータ駆動回路45に駆動される車両用の交流モータM(例えば60kW相当)のほかに、燃料電池21に水素や酸素(空気)を供給する図示しないポンプやファン、その他、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用され電気を消費する補機類も含まれ得る。なおこのモータ駆動回路45と並列に電圧センサ41が接続されているため、この電圧センサ41によって検出された電圧は、HBCコントローラ51に出力される。
【0040】
HBCコントローラ51は、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等から構成される制御装置で、FCコントローラ53に接続されているとともに、前述した電圧センサ33、電流センサ39、電圧センサ41等の各センサやスイッチング素子36、37等にも接続されている。そして、このうちのメモリには、後述する補助電力供給処理(図2参照)を実行可能な補助電力供給プログラムや一連の基本処理を実行可能なシステムプログラム等が格納されている。これにより、FCコントローラ53に対し所定情報の受け渡しをすることができるほか、電圧センサ33から入力されるバッテリ31のBT電圧Vbtの情報や電圧センサ41から入力されるモータ駆動回路45に対する印加電圧VRLの情報あるいは電流センサ39から入力されるバッテリ31の出力電流Ibtの情報等に基づいて、後述する補助電力供給処理を実行することができる。
【0041】
FC/Mコントローラ53も、HBCコントローラ51と同様に、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等からなる制御装置で、HBCコントローラ51や、燃料電池21、電圧センサ23、電流センサ25等にそれぞれ接続されている。そしてこのメモリには、燃料電池制御処理を実行可能な燃料電池制御プログラムが格納されている。これにより、HBCコントローラ51に対し所定情報の受け渡しや、FC電圧Vfcの情報やFC電流Ifcの情報に基づいて燃料電池21に供給される水素等の供給量の制御をすることができる。
【0042】
次に、上述した燃料電池システム20を制御するHBCコントローラ51による補助電力供給処理の流れを図2に基づいて説明する。なお、この補助電力供給処理は、図示しないメインプログラムによるタイマ割り込み処理等によって所定周期ごとに起動されるもので、HBCコントローラ51のメモリに格納される補助電力供給プログラムにより実行されるものである。
【0043】
図2に示すように、補助電力供給処理は、所定の初期化処理の後、まずステップS101により、燃料電池21のFC電圧Vfcを電圧センサ23から読み込む処理を行う。これにより、HBCコントローラ51では、取得したFC電圧Vfcから、燃料電池21の現在の発電状態を把握する。
【0044】
続くステップS103では、ステップS101で取得したFC電圧Vfcが、後述するように予め設定された所定の下限電圧値VL以上であるか否か、換言すればFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回らないか否か、を判断する処理を行う。そして、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL以上である場合(FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回らない場合)には(ステップS103でYes)、後述する理由から、バッテリ31による補助電力をモータ駆動回路45に補う必要がないので、次ステップS105に処理を移行してスイッチング素子36のDUTY制御を停止する処理を行う。
【0045】
一方、ステップS103の判断により、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLよりも高いことを判断できない場合(FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回る場合)には(ステップS103でNo)、後述する理由から、バッテリ31による補助電力をモータ駆動回路45に補う必要があるので、次ステップS107に処理を移行してスイッチング素子36のDUTY制御を開始する処理を行う。
【0046】
ステップS105では、昇圧回路を構成するスイッチング素子36のベース端子あるいはゲート端子に印加する所定周期のスイッチング信号を中止する処理を行うことにより、スイッチング素子36による所定のDUTY制御が停止され、バッテリ31等による昇圧回路から補助電力の供給が行われないように制御される。これにより、燃料電池21が発電効率の高い領域にある場合には、バッテリ31等から過剰なエネルギ供給を防ぐことができる。
【0047】
一方、ステップS107では、スイッチング素子36のベース端子あるいはゲート端子に所定周期のスイッチング信号を印加する処理を行うことにより、昇圧回路を構成するスイッチング素子36のオンオフ制御が当該スイッチング信号による所定のDUTY制御によって行われるので、昇圧回路から所定の補助電力がモータ駆動回路45に供給されるように制御する。これにより、燃料電池21の発電効率の低い領域では、モータ駆動回路45に対しバッテリ31等から補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域にある燃料電池21から過剰に電力を取り出すことを防止することができる。
【0048】
ここで、図3および図4を参照して、上述した所定の下限電圧値VLがどのように決定され設定されているかについて説明する。なお、図3は、単セル当たりの燃料電池21の出力特性を示す特性図で、横軸に燃料電池21の出力電流密度[A/cm2 ]、左縦軸に燃料電池21のFC電圧[V]、右縦軸に燃料電池21の出力電力密度[W/cm2 ]をとったもので、電流密度に対する電圧の特性(以下「I-V 特性」という)を示す曲線Aおよび電流密度に対する電力密度の特性(以下「I-P 特性」という)を示す曲線Bがそれぞれ表されている。
【0049】
また、図4は、単セル当たりの燃料電池21の出力特性を示す特性図で、横軸に燃料電池21の出力電流密度[A/cm2 ]、左縦軸に燃料電池21のFC電圧[V]および出力電力密度[W/cm2 ]、右縦軸に燃料電池21の電圧効率[%]をとったもので、図3と同様のI-V 特性を示す曲線A、図3と同様のI-P 特性を示す曲線Bおよび電流密度に対する電圧効率の特性(以下「Vef特性」という)を示す曲線Cがそれぞれ表されている。この特性図は、燃料電池21の開放電圧値に対するFC電圧Vfcの比率を示す曲線CをVef特性として表すことにより、同特性図上に表されている曲線A(I-V 特性)と曲線B(I-P 特性)との関係を明確にしたものである。なお曲線Aおよび曲線は、両者の特性上、互いに重複して描かれているため、図4では1本の曲線に見えることに留意されたい。
【0050】
なお、図3および図4に示す各特性曲線は、燃料電池21には必要な量の燃料としての水素ガスおよび酸化剤としての空気が十分に供給され、燃料電池21の水素極および空気極のイオン交換膜には十分な水分が含まれており、燃料電池21の温度は十分に高く作動温度範囲内にあり、燃料電池21を構成する部材の経時劣化はほとんどないものとする。
【0051】
(1) 図3に示すように、上述した所定の下限電圧値VLは、燃料電池21によって供給可能な最大電力WP を発電するときの電圧値VP に設定される。
即ち、図3に示す単セルのI-P 特性を示す曲線Bのピーク点(最大電力点)P、つまり燃料電池21の最も大きい電力(最大電力)WP (0.575W/cm2 )を発電するときの電圧値VP を、同図に示す単セルのI-V 特性を示す曲線Aから求め(電圧値VP =0.50V)、これを所定の下限電圧値VLに設定している。
【0052】
これにより、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該電圧値VP (所定の下限電圧値VL)を下回るときには、燃料電池21は曲線Bのピーク点Pを超えて同点P右側の出力電力の低下した領域(発電効率の低い領域)で発電していることになる。このような理由から、図2を参照して説明した補助電力供給処理では、ステップS103において、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL(電圧値VP )を下回らないか否かを判断し、スイッチング素子36のDUTY制御を開始または停止させている。
【0053】
(2) また、図3に示すように、当該所定の下限電圧値VLは、燃料電池21によって供給可能な最大電力WP を発電するときの電圧値VP 以上であって、当該最大電力WP の95%を発電するときの電圧値VQ 以下に設定されても良い。
即ち、図3に示す単セルのI-P 特性を示す曲線Bのピーク点(最大電力点)P、つまり燃料電池21の最も大きい電力(最大電力)WP (0.575W/cm2 )を発電するときの電圧値VP を同図に示す単セルのI-V 特性を示す曲線Aから求め(電圧値VP =0.50V)、この電圧値VP 以上で、その95%の点Qにおける電力WQ (0.575×0.95=0.546W/cm2 )を発電するときの曲線Aから求めた電圧値VQ (0.56V)以下に所定の下限電圧値VLが設定されている。
【0054】
これにより、所定の下限電圧値VLにこのような設定幅(VP ≦VL≦VQ )を設けているので、モータ駆動回路45(負荷の一部)の電力要求に即して所定の下限電圧値VLを設定することができる。また、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該設定幅(VP ≦VL≦VQ )の中で予め設定された下限電圧値VLを超えて下回るときには、燃料電池21は曲線Bの点Qから点Pの範囲を超えて点P右側の出力電力の低下した領域(発電効率の低い領域)で発電していることになる。このような理由から、補助電力供給処理のステップS103において、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL(VP ≦VL≦VQ )を下回らないか否かを判断し、スイッチング素子36のDUTY制御を開始または停止するようにしても良い。
【0055】
(3) さらに、図3に示すように、当該所定の下限電圧値VLは、燃料電池21のI-V 特性曲線の傾きが−0.4[V/A・cm2 ]の点のFC電圧値Vfc以上、燃料電池21によって供給可能な最大電力WP を発電するときの電圧値VP 以下の範囲内で設定されても良い。
例えば、図3に示すI-P 特性を示す曲線Bのピーク点Pの前後における所定範囲(例えば電流密度0.1A/cm2 ;図3に示すV1(1.15〜1.25)、V2(1.05〜1.15)の範囲)の曲線Bの傾き(図3に示すΔV1(−0.047V/0.1A・cm2 )、ΔV2(−0.032V/0.1A・cm2 ))を得ることにより、その傾きの平均値((ΔV1+ΔV2)/2;((−0.047−0.032)/2=−0.0395≒−0.4[V/A・cm2 ]))を求めたものを「燃料電池21のI-V 特性曲線の傾き」として定め、その傾きのときの燃料電池21のFC電圧Vfc以上、最大電力WP (0.575W/cm2 )の出力電圧値VP (0.50V)以下の範囲内で設定するようにしても良い。
【0056】
これにより、所定の下限電圧値VLにこのような、より具体的な設定幅を設けているので、燃料電池21の特性およびモータ駆動回路45(負荷の一部)の電力要求に即して所定の下限電圧値VLをより具体的に設定することができる。また、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該範囲を超えて下回るときには、燃料電池21は点P右側の出力電力の低下した領域(発電効率の低い領域)で発電していることになる。このような理由から、補助電力供給処理のステップS103において、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回らないか否かを判断し、スイッチング素子36のDUTY制御を開始または停止するようにしても良い。
【0057】
(4) また、図4に示すように、上述した所定の下限電圧値VLは、燃料電池21の開放電圧値を100%としたときの、その35%以上50%以下の電圧値(図4に示す白抜き矢印の範囲内)に設定されていても良い。なお、図4に示す曲線C上の点Rは、曲線Bのピーク点Pに対応するもので、電圧効率35%以上50%以下の範囲にある。
即ち、図4に示すように、当該所定の下限電圧値VLは、燃料電池21の開放電圧値の観点から、単セルのI-P 特性を示す燃料電池21の発電効率の高い領域(ピーク点P)からVef特性を示す曲線Cにより、発電効率の高い領域を電圧効率の範囲として定めても良い。
【0058】
これにより、所定の下限電圧値VLを容易に設定することができる。また、開放電圧値の35%以上50%以下の電圧値といった設定幅を設けているので、モータ駆動回路45(負荷の一部)の電力要求に即して所定の下限電圧値VLを設定することができる。さらに、燃料電池21のFC電圧Vfcが当該所定の下限電圧値VLの範囲を超えて下回るときには、燃料電池21はその発電効率の高い所定範囲を超えて発電効率の低い領域で発電していることになる。このような理由から、補助電力供給処理のステップS103において、FC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回らないか否かを判断し、スイッチング素子36のDUTY制御を開始または停止するようにしても良い。
【0059】
なお、以上説明した(1) 〜(4) による所定の下限電圧値VLの設定は、単セルの場合を例示して説明したものである。そのため、実際の燃料電池システム20においては上述した各値にセル数を乗じて得られた値に所定の下限電圧値VLを設定する必要のあることに留意されたい。
【0060】
例えば、図5に示すように、燃料電池21の出力特性が50kWにおいてピーク(同図に示す点P)を示し、そのときの燃料電池21の出力電流/電圧が250A/200Vである場合には、所定の下限電圧値VLを200Vに設定する。これにより、電圧センサ23により検出した燃料電池21のFC電圧Vfcに基づいて、燃料電池21のFC電圧Vfcが200V以上を保持し得るようにモータ駆動回路45等に対してバッテリ31から補助電力を供給する。
【0061】
例えばモータ駆動回路45等からの要求電力が60kWのときには、燃料電池21から50kWの発電電力を供給し、燃料電池21のFC電圧Vfcが200V以上を保持し得るようにバッテリ31から10kWの補助電力を供給するので、燃料電池21の発電効率の低い領域(図5に示す曲線βの点P右側)では、モータ駆動回路45等に対して燃料電池21による50kWの電力供給に加え、バッテリ31からも10kWの補助電力が供給され、全60kWの電力を供給する様子が、図5において直線γに示す部分に表されている。このように燃料電池システム20では、燃料電池21の発電効率の高い領域(図5に示す曲線βの点P左側)から発電効率の低い領域(図5に示す曲線βの点P右側)に移行するとき、あるいはその手前で、バッテリ31による補助電力を加えるので、曲線βに示す破線部分のような減少傾向の特性に移行する前に負荷の要求に応えられる電力を供給することができる(直線γ部分)。
【0062】
以上説明したように本実施形態に係る燃料電池システム20によると、電圧センサ23により、モータ駆動回路45等の負荷に対し電力供給する燃料電池21のFC電圧Vfcを検出し、バッテリ31により、検出された燃料電池21のFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VLを下回ると、モータ駆動回路45等に対しバッテリ31から、燃料電池21のFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL以上を保持し得る補助電力を供給する。つまり、電圧センサ23により検出した燃料電池21のFC電圧Vfcに基づいて、燃料電池21のFC電圧Vfcが所定の下限電圧値VL以上を保持し得るようにモータ駆動回路45等に対してバッテリ31から補助電力を供給するので、燃料電池21の出力電流に基づいた判断によりモータ駆動回路45等に補助電力を供給するものではない。これにより、燃料電池21の発電効率の低い領域では、モータ駆動回路45等に対して燃料電池21による電力供給に加え、バッテリ31からも補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域にある燃料電池21から過剰に電力を取り出すことを防止することができる。したがって、燃料電池21を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池21の発電を抑制し得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの電気的構成を示す回路図である。
【図2】本実施形態の燃料電池システムの補助電力供給処理の流れを示すフローチャートである。
【図3】燃料電池(単セル当たり)の出力特性を示す特性図で、電流密度[A/cm2 ]に対する電圧[V]の特性を示す曲線Aおよび電流密度[A/cm2 ]に対する電力密度[W/cm2 ]の特性を示す曲線Bを示すものである。
【図4】燃料電池(単セル当たり)の出力特性を示す特性図で、電流密度[A/cm2 ]に対する電圧[V]の特性を示す曲線A、電力密度[W/cm2 ]の特性を示す曲線Bおよび電流密度[A/cm2 ]に対する電圧効率[%]の特性を示す曲線Cを示すものである。
【図5】本実施形態の燃料電池システムにより負荷に供給される電力の電流電圧特性曲線αおよび電流電力特性曲線β、γを示すものである。
【図6】燃料電池の出力特性を示す特性図で、電流電圧特性曲線(良好時α、劣化時α’)および電流電力特性曲線(良好時β、劣化時β’)を示すものである。
【符号の説明】
20 燃料電池システム
21 燃料電池
23 電圧センサ (電圧検出手段)
31 バッテリ (蓄電手段)
35 リアクトル (補助電力供給手段)
36 スイッチング素子 (補助電力供給手段)
45 モータ駆動回路 (負荷)
51 HBCコントローラ(補助電力供給手段)
Vfc 燃料電池のFC電圧
VL 所定の下限電圧値 (所定の電圧値)
P 下限電圧(所定の電圧値、最大電力を発電するときの電圧値)
Q 下限電圧(所定の電圧値、最大電力の95%以上を発電するときの電圧値)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell and power storage means connected in parallel to a load.
[0002]
[Prior art]
As a fuel cell system including a fuel cell and power storage means connected in parallel to a load, for example, there is a “fuel cell power supply system” disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-123609. In a fuel cell system provided with such a power storage means, when a power request that cannot be covered by the fuel cell alone is received from the load, the shortage is supplemented by auxiliary power supplied from the power storage means, thereby To be able to respond.
[0003]
That is, in the “fuel cell power supply system” disclosed in the above publication, the output current of the second power converter, the input current of the first power converter (DC power output from the fuel cell), and the output voltage of the battery are calculated. By controlling the second power converter based on these as inputs, the battery is charged and discharged, and the input current of the first power converter is determined by the output current of the fuel cell and the output current of the second power converter. It is shared.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the fuel cell system configured as the “fuel cell power feeding system” disclosed in the above publication, the DC power output from the fuel cell is converted to the input current of the first power converter (the output current of the fuel cell). ) Is controlled based on this. Therefore, there are the following problems.
[0005]
(1) A good electrode under conditions that may adversely affect the electrode performance of the fuel cell, such as when the fuel cell temperature is low, the ion exchange membrane is dry, or the cell reaction catalyst is degraded. Since the power generation capacity is reduced as compared to the state, there is a problem that it is not sufficient to only monitor the output current of the fuel cell.
[0006]
That is, when the electrode state of the fuel cell is good, the fuel cell has characteristics that can sufficiently take out its output current, that is, a characteristic curve α (current voltage characteristic) and a characteristic curve β (current power characteristic) as shown in FIG. On the other hand, under conditions where the electrode performance of the fuel cell can be adversely affected, the fuel cell cannot output its output current sufficiently, the characteristics shown in FIG. The output characteristic exhibits a curve α ′ (current-voltage characteristic) and a characteristic curve β ′ (current-power characteristic). Therefore, if only the output current of the fuel cell is monitored, the fuel cell that is currently generating power will output an output current that is higher than the maximum value of the output power (characteristic curves β and β ′ in FIG. Or the region where the power generation efficiency is low (the side where the output current is higher than the maximum value) cannot be detected.
[0007]
For example, referring to the example of the output characteristic shown in FIG. 6, when the output monitoring current is set to 200 A (a chain line shown in FIG. 6), in a relatively good fuel cell, the characteristic curve β In the region where the output current is lower than the maximum value of the output power, that is, in the region where the power generation efficiency is high, it is possible to switch to the control to supplement the shortage of the power supplied by the fuel cell with the auxiliary power from the power storage means (shown in the figure Point X). However, in a fuel cell that has deteriorated with 200 A without changing the setting of the output monitoring current, the characteristic curve β ′ indicates that the output current is higher than the maximum value of the output power, that is, in the region where the power generation efficiency is low. Then, the control is switched to the control supplemented by the auxiliary power by the power storage means (point X ′ shown in the figure).
[0008]
(2) Also, as explained in (1), in the case of a fuel cell that has deteriorated simply by monitoring the output current of the fuel cell, it is supplemented with auxiliary power from the storage means after moving into a region where the power generation efficiency is low. Switch to control. Therefore, it is possible that the output current is excessively extracted from the fuel cell even in a region where the power generation efficiency is low. In this case, the power supply exceeding the power generation capability of the fuel cell is required, There is also a problem that heat balance may be lost and power generation may be stopped. Moreover, if such a state continues, the problem of leading to electrode damage of the fuel cell also develops.
[0009]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is to generate power in a region where the power generation efficiency is high and to suppress power generation in the fuel cell in a region where the power generation efficiency is low. It is to provide a fuel cell system.
[0010]
[Means for solving the problems and functions and effects of the invention]
  To achieve the above object, the fuel cell system according to claim 1 is a fuel cell system comprising a fuel cell and a power storage means connected in parallel to a load, respectively, and a fuel cell for supplying power to the load; Voltage detection means for detecting an output voltage of the fuel cell; andA point R, which is a voltage when generating the maximum power point P in the curve B showing the power density characteristics with respect to the current density, is obtained from the curve C showing the voltage efficiency characteristics with respect to the current density of the fuel cell.A voltage is set as a lower limit value, and the output voltage of the fuel cell is supplied from the power storage means to the load so that the output voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means does not fall below the voltage value. And an auxiliary power supply means for supplying auxiliary power capable of holding the value or more.
[0011]
  In the first aspect of the invention, the output voltage of the fuel cell that supplies power to the load is detected by the voltage detection means, and the fuel cell is detected by the auxiliary power supply means.A point R, which is a voltage when generating the maximum power point P in the curve B showing the power density characteristics with respect to the current density, is obtained from the curve C showing the voltage efficiency characteristics with respect to the current density of the fuel cell.Auxiliary that the output voltage of the fuel cell can be kept higher than the voltage value from the storage means to the load so that the voltage is set as the lower limit value and the output voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means does not fall below the voltage value Supply power. That is, based on the output voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means, the auxiliary power is supplied from the power storage means to the load so that the output voltage of the fuel cell can maintain a predetermined voltage value or higher. The auxiliary power is not supplied to the load based on the determination based on the output current. As a result, in the region where the power generation efficiency of the fuel cell is low, auxiliary power is also supplied from the power storage means in addition to the power supply by the fuel cell to the load, so excessive power is supplied from the fuel cell in the region where the power generation efficiency is low. Can be prevented from being taken out. Therefore, there is an effect that the fuel cell can generate power in a region where the power generation efficiency is high and the power generation of the fuel cell can be suppressed in a region where the power generation efficiency is low.
[0012]
  Further, in the fuel cell system according to claim 2, in claim 1,The auxiliary power supply means supplies, as auxiliary power, the power required from the load, which is insufficient when the output voltage of the fuel cell is insufficient at the lower limit.This is a technical feature.
[0013]
  In the invention of claim 2,The auxiliary power supply means supplies, as auxiliary power, the power required from the load, which is insufficient when the output voltage of the fuel cell is insufficient at the lower limit. As a result, it is possible to supply power that can meet the demands of the load without excessively extracting power from the fuel cell.
[0021]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 20 mainly includes a fuel cell 21, a battery 31, switching elements 36 and 37, a motor drive circuit 45, a hybrid circuit controller (hereinafter referred to as “HBC controller”) 51, and a fuel cell controller. (Hereinafter referred to as “FC controller”) 53 and the like, and includes a fuel cell 21 and a battery 31 (power storage means) connected in parallel to the motor drive circuit 45 (a part of the load). When the output voltage (hereinafter referred to as “FC voltage”) Vfc of the battery 21 falls below a predetermined lower limit voltage value VL, the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 is supplied from the battery 31 to the motor drive circuit 45 and the like by a predetermined lower limit voltage value VL. Auxiliary power that can hold the above is supplied.
[0022]
The fuel cell 21 can supply electric power to a motor drive circuit 45 (a part of a load), takes out electric energy by reacting hydrogen and oxygen, and is one of energy sources of an electric vehicle that drives wheels by a motor. It is. For this reason, hydrogen and oxygen (or air) are supplied to the fuel cell 21, and the supply amounts thereof are controlled by an FC controller 53 described later to control the output power.
[0023]
The fuel cell 21 is generally classified into various hydrogen supply types depending on the system such as hydrogen storage or reforming catalyst, but the fuel according to the present invention can be used as long as it generates electricity by reacting hydrogen and oxygen. A battery system can be applied. For example, it is desirable to use a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), but in addition, alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), There are direct methanol type (DMFC) and the like.
[0024]
A voltage sensor 23 capable of detecting the FC voltage Vfc is connected between the terminals of the fuel cell 21. That is, the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 is detected by the voltage sensor 23 connected between the output terminals of the fuel cell 21, and the detected FC voltage Vfc is output to the FC controller 53. As a result, the FC voltage 53 of the fuel cell 21 can be appropriately monitored by the FC controller 53, so that the output control of the fuel cell 21 based on this can be performed. The voltage sensor 23 corresponds to “voltage detection means” described in the claims.
[0025]
Further, a current sensor 25 that can measure the input / output current of the fuel cell 21 is provided at one of the output terminals of the fuel cell 21 (for example, the anode side). The fuel cell current (hereinafter referred to as “FC current”) Ifc detected by the current sensor 25 is output to the FC controller 53, whereby the output of the fuel cell 21 can be appropriately monitored from the aspect of the FC current Ifc. it can. Therefore, output control of the fuel cell 21 based on the FC current Ifc is enabled.
[0026]
Furthermore, a diode 27 is connected in series to one of the output terminals of the fuel cell 21 (for example, the anode side) so that the direction in which current flows from the fuel cell 21 is the forward direction. That is, the diode 27 is connected so that the anode side with respect to the fuel cell 21 and the cathode side with respect to the motor drive circuit 45 are located. The diode 27 is intended to prevent a reverse current, and suppresses a drive current and a regenerative current from flowing from the battery 31 and the motor drive circuit 45 toward the fuel cell 21, thereby preventing the deterioration of the fuel cell 21 due to the reverse current. It is preventing.
[0027]
The battery 31 is a so-called secondary battery that can be repeatedly charged and discharged, and corresponds to the “storage means” recited in the claims. That is, when the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 falls below a predetermined lower limit voltage value VL set in advance as will be described later, the battery 31 can hold the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 at or above the lower limit voltage value VL. As described above, auxiliary power is supplied to the motor drive circuit 45 and the like.
[0028]
Specifically, for example, high-performance lead-acid batteries, lithium ion batteries, sodium-sulfur batteries, etc. used for electric vehicles etc. are used. In addition, normal specification lead batteries, nickel cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, lithium An ion battery, a sodium sulfur battery, or the like may be used.
[0029]
The battery 31 has a voltage sensor 33 detecting a terminal voltage (hereinafter referred to as “BT voltage”) Vbt. That is, the voltage sensor 33 is connected between the output terminals of the battery 31, and the BT voltage Vbt detected by the voltage sensor 33 is output to the HBC controller 51. As a result, the HBC controller 51 can appropriately monitor the output voltage (BT voltage Vbt) of the battery 31, and based on this, boost control and charge control described later are enabled.
[0030]
In the present embodiment, the battery 31 is used as the power storage means. However, the present invention is not limited to this, and a capacitor (for example, an electric battery) may be used as long as it has a function of storing electric charge and releasing it. Multilayer capacitors), flywheels, superconducting coils, pressure accumulators, etc., or combinations thereof may be used.
[0031]
A reactor 35 that allows a current of about 200 A is connected in series to one of the output terminals of the battery 31 (for example, the anode side). This reactor 35 constitutes a booster circuit together with a switching element 36 described below, and can store predetermined electric energy.
[0032]
The switching element 36 is a power semiconductor switching element, and input / output terminals are connected in parallel to the battery 31 and the reactor 35 connected in series. In this embodiment, for example, a combination of an IGBT (insulated gate bipolar transistor) and a flywheel diode is used, and the base terminal or gate terminal is connected to the HBC controller 51. . Accordingly, when a switching signal having a predetermined period (for example, 20 kHz) is output from the HBC controller 51 to the switching element 36, the switching element 36 can be duty controlled at the period.
[0033]
That is, when the switching element 36 is in the ON state, the input / output terminals are electrically connected, so that a direct current output from the battery 31 flows into the reactor 35 and electric energy is accumulated. On the other hand, since the input / output terminals are disconnected when the switching element 36 is in the off state, a current flows in a direction opposite to the current that has flowed until then, that is, electric energy is discharged from the reactor 35, and the output of the battery 31. The voltage is boosted by being added to the voltage. The boosted BT voltage Vbt of the battery 31 can be adjusted as appropriate by the above-described switching signal, but is adjusted to a voltage slightly higher than the FC voltage Vfc of the fuel cell 21. The switching element 36 corresponds to “auxiliary power supply means” recited in the claims.
[0034]
A switching element 37 is connected in series on the output side of the booster circuit including the reactor 35 and the switching element 36. The switching element 37 is a power semiconductor switching element similar to the switching element 36 described above, and is turned on when regenerative power from the motor drive circuit 45 or surplus power from the fuel cell 21 is supplied to the battery 31 for charging. A charge control circuit to be controlled is configured. That is, the remaining capacity of the battery 31 is monitored based on the BT voltage Vbt detected by the voltage sensor 33 by the HBC controller 51 connected to the base terminal or gate terminal of the switching element 37. Is reduced to a predetermined charging capacity, the battery 31 is charged by the electric power supplied from the motor drive circuit 45 and the fuel cell 21 by controlling the switching element 37 to be in an ON state.
[0035]
A diode is connected between the input / output terminals of the switching element 37 so that the output direction of the booster circuit is the forward direction. As a result, the electric power can be supplied from the booster circuit to the motor drive circuit 45 regardless of the on / off state of the switching element 37. Further, since the current sensor 39 is connected to the output side (collector side) of the switching element 37, the output current Ibt supplied from the booster circuit such as the battery 31 to the motor drive circuit 45 is detected, and the HBC controller 51 can also be output.
[0036]
Thus, the switching element 36 constituting the booster circuit and the switching element 37 constituting the charging control circuit allow the HBC controller 51 to control both switching elements based on the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 as follows. is doing.
[0037]
(1) When the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 is equal to or higher than a predetermined lower limit voltage value VL described later (Vfc ≧ VL), generation of auxiliary power by the booster circuit is controlled by controlling the switching element 36 to be turned off. Stop. The switching element 37 is controlled to be turned on when the battery 31 needs to be charged by regenerative power from the motor drive circuit 45 or surplus power from the fuel cell 21, and is turned off when such charging is not necessary. Control to the state.
[0038]
(2) When the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 is lower than the predetermined lower limit voltage value VL (Vfc <VL), it is necessary to supply auxiliary power to the motor drive circuit 45 and the like for the reason described later. Then, the booster circuit is operated by controlling the switching element 36 to be turned on, and the supply of auxiliary power is started and continued by the booster circuit including the battery 31 and the like. At this time, since the switching element 37 is controlled to be in an off state, the auxiliary power is supplied via a diode connected between the input and output terminals of the switching element 37.
[0039]
The motor drive circuit 45 constitutes a part of a load connected in parallel to the fuel cell 21 and the battery 31, and includes, for example, an inverter circuit that drives an AC motor M for a vehicle. In addition to the vehicle AC motor M (e.g., equivalent to 60 kW) driven by the motor drive circuit 45, the load includes a pump and a fan (not shown) for supplying hydrogen and oxygen (air) to the fuel cell 21, and the like. Auxiliary equipment that is used even when the vehicle is stopped, such as a lighting device, a radio, and a power window, that consumes electricity may also be included. Since the voltage sensor 41 is connected in parallel with the motor drive circuit 45, the voltage detected by the voltage sensor 41 is output to the HBC controller 51.
[0040]
The HBC controller 51 is a control device including a microprocessor, a memory, an input / output interface, and the like (not shown), and is connected to the FC controller 53 and includes the above-described voltage sensor 33, current sensor 39, voltage sensor 41, and the like. It is also connected to each sensor, switching elements 36, 37, and the like. The memory stores therein an auxiliary power supply program capable of executing an auxiliary power supply process (see FIG. 2) described later, a system program capable of executing a series of basic processes, and the like. As a result, predetermined information can be transferred to the FC controller 53, and information on the BT voltage Vbt of the battery 31 input from the voltage sensor 33 and the applied voltage VRL applied to the motor drive circuit 45 input from the voltage sensor 41. Auxiliary power supply processing to be described later can be executed based on the above information or information on the output current Ibt of the battery 31 input from the current sensor 39.
[0041]
Similarly to the HBC controller 51, the FC / M controller 53 is a control device including a microprocessor, a memory, and an input / output interface (not shown). The H / C controller 51, the fuel cell 21, the voltage sensor 23, the current sensor 25, etc. Each is connected. The memory stores a fuel cell control program capable of executing fuel cell control processing. As a result, it is possible to transfer predetermined information to the HBC controller 51 and to control the supply amount of hydrogen or the like supplied to the fuel cell 21 based on the FC voltage Vfc information and the FC current Ifc information.
[0042]
Next, the flow of auxiliary power supply processing by the HBC controller 51 that controls the fuel cell system 20 described above will be described with reference to FIG. The auxiliary power supply process is started at predetermined intervals by a timer interrupt process or the like by a main program (not shown), and is executed by an auxiliary power supply program stored in the memory of the HBC controller 51.
[0043]
As shown in FIG. 2, in the auxiliary power supply process, after a predetermined initialization process, first, a process of reading the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 from the voltage sensor 23 is performed in step S101. Thereby, the HBC controller 51 grasps the current power generation state of the fuel cell 21 from the acquired FC voltage Vfc.
[0044]
In the subsequent step S103, it is determined whether or not the FC voltage Vfc acquired in step S101 is equal to or higher than a predetermined lower limit voltage value VL set in advance as described later, in other words, the FC voltage Vfc becomes equal to the predetermined lower limit voltage value VL. A process is performed to determine whether or not it falls below. When the FC voltage Vfc is equal to or higher than the predetermined lower limit voltage value VL (when the FC voltage Vfc does not fall below the predetermined lower limit voltage value VL) (Yes in step S103), the battery 31 assists for the reason described later. Since there is no need to supplement the motor drive circuit 45 with electric power, the process proceeds to the next step S105 to perform a process of stopping the duty control of the switching element 36.
[0045]
On the other hand, when the determination in step S103 cannot determine that the FC voltage Vfc is higher than the predetermined lower limit voltage value VL (when the FC voltage Vfc is lower than the predetermined lower limit voltage value VL) (No in step S103), For reasons that will be described later, it is necessary to supplement the motor drive circuit 45 with auxiliary power from the battery 31, so that the process proceeds to the next step S107 to perform a process for starting the duty control of the switching element 36.
[0046]
In step S105, the predetermined duty control by the switching element 36 is stopped by performing a process of stopping the switching signal of a predetermined period applied to the base terminal or the gate terminal of the switching element 36 constituting the booster circuit, and the battery 31 and the like. Control is performed so that auxiliary power is not supplied from the booster circuit. Thereby, when the fuel cell 21 is in a region where the power generation efficiency is high, excessive energy supply from the battery 31 or the like can be prevented.
[0047]
On the other hand, in step S107, by performing a process of applying a switching signal of a predetermined period to the base terminal or the gate terminal of the switching element 36, the on / off control of the switching element 36 constituting the booster circuit is controlled by the predetermined duty control by the switching signal. Therefore, control is performed so that predetermined auxiliary power is supplied to the motor drive circuit 45 from the booster circuit. As a result, in the region where the power generation efficiency of the fuel cell 21 is low, auxiliary power is supplied from the battery 31 or the like to the motor drive circuit 45, so that excessive power can be extracted from the fuel cell 21 in the region where the power generation efficiency is low. Can be prevented.
[0048]
Here, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, how the predetermined lower limit voltage value VL described above is determined and set will be described. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the output characteristics of the fuel cell 21 per unit cell. The horizontal axis represents the output current density [A / cm of the fuel cell 21.2], The left vertical axis indicates the FC voltage [V] of the fuel cell 21, and the right vertical axis indicates the output power density [W / cm] of the fuel cell 21.2The curve A indicating the voltage characteristics with respect to the current density (hereinafter referred to as “IV characteristics”) and the curve B indicating the power density characteristics with respect to the current density (hereinafter referred to as “IP characteristics”) are respectively represented. Yes.
[0049]
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the output characteristics of the fuel cell 21 per unit cell. The horizontal axis represents the output current density [A / cm of the fuel cell 21.2], The left vertical axis represents the FC voltage [V] and output power density [W / cm] of the fuel cell 21.2In the graph, the vertical axis represents the voltage efficiency [%] of the fuel cell 21, curve A showing IV characteristics similar to FIG. 3, curve B showing IP characteristics similar to FIG. 3, and voltage efficiency with respect to current density. Curves C indicating the characteristics (hereinafter referred to as “Vef characteristics”) are shown. This characteristic diagram shows a curve A (IV characteristic) and a curve B (IP) expressed on the characteristic diagram by expressing a curve C indicating the ratio of the FC voltage Vfc to the open circuit voltage value of the fuel cell 21 as a Vef characteristic. The relationship with the characteristics is clarified. It should be noted that the curve A and the curve are drawn to overlap each other due to the characteristics of both, and thus appear as one curve in FIG.
[0050]
3 and FIG. 4, the characteristic curves shown in FIG. 3 and FIG. 4 indicate that the fuel cell 21 is sufficiently supplied with a necessary amount of hydrogen gas as the fuel and air as the oxidant. It is assumed that the ion exchange membrane contains sufficient moisture, the temperature of the fuel cell 21 is sufficiently high and within the operating temperature range, and the members constituting the fuel cell 21 hardly deteriorate with time.
[0051]
(1) As shown in FIG. 3, the predetermined lower limit voltage value VL described above is the maximum power W that can be supplied by the fuel cell 21.PVoltage value V when generatingPSet to
That is, the peak point (maximum power point) P of the curve B indicating the I-P characteristic of the single cell shown in FIG. 3, that is, the largest power (maximum power) W of the fuel cell 21.P(0.575W / cm2) Voltage value V when generatingPIs obtained from the curve A indicating the IV characteristics of the single cell shown in FIG.P= 0.50V), this is set to a predetermined lower limit voltage value VL.
[0052]
As a result, the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 becomes the voltage value VPWhen the value is lower than (predetermined lower limit voltage value VL), the fuel cell 21 is generating power in a region (region where power generation efficiency is low) where the output power is reduced on the right side of the point P beyond the peak point P of the curve B. . For this reason, in the auxiliary power supply process described with reference to FIG. 2, in step S103, the FC voltage Vfc is set to a predetermined lower limit voltage value VL (voltage value VP), The duty control of the switching element 36 is started or stopped.
[0053]
(2) Further, as shown in FIG. 3, the predetermined lower limit voltage value VL is the maximum power W that can be supplied by the fuel cell 21.PVoltage value V when generatingPThat is, the maximum power WPVoltage value V when generating 95% ofQThe following may be set.
That is, the peak point (maximum power point) P of the curve B indicating the I-P characteristic of the single cell shown in FIG. 3, that is, the largest power (maximum power) W of the fuel cell 21.P(0.575W / cm2) Voltage value V when generatingPIs obtained from the curve A showing the IV characteristics of the single cell shown in FIG.P= 0.50V), this voltage value VPThat is the power W at the point Q of 95%.Q(0.575 × 0.95 = 0.546 W / cm2) Voltage value V obtained from curve A when generating powerQA predetermined lower limit voltage value VL is set below (0.56 V).
[0054]
As a result, such a set width (VP≦ VL ≦ VQ) Is provided, the predetermined lower limit voltage value VL can be set in accordance with the power demand of the motor drive circuit 45 (part of the load). Further, the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 corresponds to the set width (VP≦ VL ≦ VQ) Exceeds the preset lower limit voltage value VL, the fuel cell 21 exceeds the range from the point Q to the point P on the curve B and the output power is reduced to the right side of the point P (the power generation efficiency is low). (Region) is generating electricity. For this reason, in step S103 of the auxiliary power supply process, the FC voltage Vfc is a predetermined lower limit voltage value VL (VP≦ VL ≦ VQ), The duty control of the switching element 36 may be started or stopped.
[0055]
(3) Further, as shown in FIG. 3, the predetermined lower limit voltage value VL is such that the slope of the IV characteristic curve of the fuel cell 21 is −0.4 [V / A · cm.2], The maximum power W that can be supplied by the fuel cell 21 at the FC voltage value Vfc at the pointPVoltage value V when generatingPIt may be set within the following range.
For example, a predetermined range (for example, current density of 0.1 A / cm) before and after the peak point P of the curve B showing the I-P characteristic shown in FIG.2The slope of the curve B (ΔV1 (−0.047 V / 0.1 A ··) shown in FIG. 3) in the range of V1 (1.15 to 1.25) and V2 (1.05 to 1.15) shown in FIG. cm2), ΔV2 (−0.032 V / 0.1 A · cm)2)), The average value of the gradient ((ΔV1 + ΔV2) / 2; ((−0.047−0.032) /2=−0.0395≈−0.4 [V / A · cm2])) Is determined as “the slope of the I-V characteristic curve of the fuel cell 21”, the FC voltage Vfc or more of the fuel cell 21 at that slope, and the maximum power WP(0.575W / cm2) Output voltage value VPYou may make it set within the range of (0.50V) or less.
[0056]
As a result, such a more specific setting range is provided for the predetermined lower limit voltage value VL. Therefore, the predetermined lower limit voltage value VL is determined in accordance with the characteristics of the fuel cell 21 and the power requirement of the motor drive circuit 45 (a part of the load). The lower limit voltage value VL can be set more specifically. Further, when the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 falls below the range, the fuel cell 21 generates power in the region where the output power is reduced on the right side of the point P (region where the power generation efficiency is low). For this reason, in step S103 of the auxiliary power supply process, it is determined whether the FC voltage Vfc does not fall below a predetermined lower limit voltage value VL, and the duty control of the switching element 36 is started or stopped. good.
[0057]
(4) Further, as shown in FIG. 4, the predetermined lower limit voltage value VL described above is a voltage value of 35% or more and 50% or less when the open-circuit voltage value of the fuel cell 21 is 100% (FIG. 4). It may be set within the range of the white arrow shown in FIG. Note that a point R on the curve C shown in FIG. 4 corresponds to the peak point P of the curve B and is in the range of voltage efficiency of 35% or more and 50% or less.
That is, as shown in FIG. 4, the predetermined lower limit voltage value VL is a region (peak point P) where the power generation efficiency of the fuel cell 21 showing the IP characteristics of the single cell is high from the viewpoint of the open circuit voltage value of the fuel cell 21. From the curve C indicating the Vef characteristic, a region where the power generation efficiency is high may be determined as the range of the voltage efficiency.
[0058]
Thereby, the predetermined lower limit voltage value VL can be easily set. Further, since a setting range such as a voltage value of 35% or more and 50% or less of the open circuit voltage value is provided, a predetermined lower limit voltage value VL is set according to the power requirement of the motor drive circuit 45 (part of the load). be able to. Furthermore, when the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 falls below the predetermined lower limit voltage value VL, the fuel cell 21 generates power in a region where the power generation efficiency is low and exceeds the predetermined range where the power generation efficiency is high. become. For this reason, in step S103 of the auxiliary power supply process, it is determined whether the FC voltage Vfc does not fall below a predetermined lower limit voltage value VL, and the duty control of the switching element 36 is started or stopped. good.
[0059]
The setting of the predetermined lower limit voltage value VL according to (1) to (4) described above is described by exemplifying the case of a single cell. Therefore, it should be noted that in the actual fuel cell system 20, it is necessary to set the predetermined lower limit voltage value VL to a value obtained by multiplying each value described above by the number of cells.
[0060]
For example, as shown in FIG. 5, when the output characteristic of the fuel cell 21 shows a peak at 50 kW (point P shown in the figure), and the output current / voltage of the fuel cell 21 at that time is 250 A / 200 V The predetermined lower limit voltage value VL is set to 200V. Thus, based on the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 detected by the voltage sensor 23, auxiliary power is supplied from the battery 31 to the motor drive circuit 45 and the like so that the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 can be maintained at 200 V or higher. Supply.
[0061]
For example, when the required power from the motor drive circuit 45 or the like is 60 kW, 50 kW of generated power is supplied from the fuel cell 21 and the auxiliary power of 10 kW from the battery 31 so that the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 can be maintained at 200 V or higher. In the region where the power generation efficiency of the fuel cell 21 is low (right side of the point P of the curve β shown in FIG. 5), in addition to the power supply of 50 kW by the fuel cell 21 to the motor drive circuit 45 and the like, A state in which 10 kW of auxiliary power is supplied and a total of 60 kW of power is supplied is shown in a portion indicated by a straight line γ in FIG. 5. Thus, in the fuel cell system 20, the region where the power generation efficiency of the fuel cell 21 is high (the left side of the point P of the curve β shown in FIG. 5) is shifted to the region where the power generation efficiency is low (the right side of the point P of the curve β shown in FIG. 5). When or before this, auxiliary power from the battery 31 is applied, so that it is possible to supply electric power that can meet the demands of the load before shifting to the decreasing tendency characteristic as shown by the broken line in the curve β (straight line). γ part).
[0062]
As described above, according to the fuel cell system 20 according to the present embodiment, the voltage sensor 23 detects the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 that supplies power to the load such as the motor drive circuit 45, and the battery 31 detects it. When the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 is lower than the predetermined lower limit voltage value VL, the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 can be maintained at the predetermined lower limit voltage value VL or more from the battery 31 to the motor drive circuit 45 or the like. Supply auxiliary power. That is, based on the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 detected by the voltage sensor 23, the battery 31 with respect to the motor drive circuit 45 and the like so that the FC voltage Vfc of the fuel cell 21 can be maintained at a predetermined lower limit voltage value VL or higher. Therefore, the auxiliary power is not supplied to the motor drive circuit 45 or the like based on the determination based on the output current of the fuel cell 21. As a result, in the region where the power generation efficiency of the fuel cell 21 is low, auxiliary power is supplied from the battery 31 in addition to the power supply by the fuel cell 21 to the motor drive circuit 45 and the like. It is possible to prevent excessive electric power from being taken out from the fuel cell 21. Therefore, there is an effect that the fuel cell 21 can generate power in a region where the power generation efficiency is high and the power generation of the fuel cell 21 can be suppressed in a region where the power generation efficiency is low.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an electrical configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of auxiliary power supply processing of the fuel cell system of the present embodiment.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing output characteristics of a fuel cell (per unit cell), with current density [A / cm2] Curve A and current density [A / cm2] For power density [W / cm2The curve B which shows the characteristic of] is shown.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing output characteristics of a fuel cell (per unit cell), with current density [A / cm2] Curve A showing the characteristics of voltage [V] against power density [W / cm2] And the current density [A / cm2The curve C which shows the characteristic of the voltage efficiency [%] with respect to] is shown.
FIG. 5 shows a current-voltage characteristic curve α and current-power characteristic curves β and γ of power supplied to a load by the fuel cell system of the present embodiment.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing output characteristics of a fuel cell, showing a current-voltage characteristic curve (α when good, α ′ when deteriorated) and a current-power characteristic curve (β when good, β ′ when deteriorated).
[Explanation of symbols]
20 Fuel cell system
21 Fuel cell
23 Voltage sensor (Voltage detection means)
31 battery (electric storage means)
35 reactor (auxiliary power supply means)
36 Switching element (Auxiliary power supply means)
45 Motor drive circuit (load)
51 HBC controller (auxiliary power supply means)
Vfc Fuel cell FC voltage
VL Predetermined lower limit voltage value (predetermined voltage value)
VP      Lower limit voltage (predetermined voltage value, voltage value when generating maximum power)
VQ      Lower limit voltage (predetermined voltage value, voltage value when generating 95% or more of maximum power)

Claims (2)

  1. 負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムであって、
    前記負荷に対し電力供給する燃料電池と、
    前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記燃料電池の電流密度に対する電力密度の特性を示す曲線Bにおける最大電力点Pを発電するときの電圧である点Rを、前記燃料電池の電流密度に対する電圧効率の特性を示す曲線Cから求め、この電圧が下限値として設定され、前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池の出力電圧が前記電圧値を下回らないように、前記負荷に対し前記蓄電手段から、前記燃料電池の出力電圧が前記電圧値以上を保持し得る補助電力を供給する補助電力供給手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
    A fuel cell system comprising a fuel cell and power storage means connected in parallel to a load,
    A fuel cell for supplying power to the load;
    Voltage detection means for detecting the output voltage of the fuel cell;
    A point R which is a voltage when generating the maximum power point P in the curve B indicating the power density characteristic with respect to the current density of the fuel cell is obtained from the curve C indicating the voltage efficiency characteristic with respect to the current density of the fuel cell, This voltage is set as a lower limit value, and the output voltage of the fuel cell is supplied from the power storage means to the load so that the output voltage of the fuel cell detected by the voltage detection means does not fall below the voltage value. Auxiliary power supply means for supplying auxiliary power capable of holding a voltage value or higher;
    A fuel cell system comprising:
  2. 前記補助電力供給手段は、前記負荷からの要求電力が、前記燃料電池の出力電圧が下限値では不足する電力分を補助電力として供給することを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。  2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the auxiliary power supply means supplies, as auxiliary power, the power required from the load, which is insufficient when the output voltage of the fuel cell is insufficient at a lower limit value.
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