JP4173356B2

JP4173356B2 - 燃料電池システムの起動方法

Info

Publication number: JP4173356B2
Application number: JP2002334992A
Authority: JP
Inventors: 芳信蓮香; 順司上原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP2004171869A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムの起動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型の燃料電池を備えた燃料電池システムとしては、例えば、特許文献１に示されているように、水素貯蔵装置や空気供給装置を備え、これらの装置から燃料電池に反応ガス（水素ガス、酸化剤ガス）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
また、燃料電池が搭載された燃料電池車両として、燃料としての水素ガスや酸化剤としての空気等のガス供給を伴う燃料電池の出力応答性を補うために、例えばバッテリやキャパシタ等からなる蓄電装置を備えることで、車両各部への電力供給の応答性を向上させたものが知られている。この種の燃料電池車両としては、例えば、特許文献２に記載されているように、燃料電池と負荷との間に電流制限器を介装して、該電流制限器により燃料電池の出力電流を制御可能としたものが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−２０９４６９号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５９２０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の出力電流が電気負荷に供給可能な状態で燃料電池を起動すると、反応ガスが十分に供給されていない燃料電池起動時において、燃料電池で出力可能な電流よりも大きな電流が電気負荷に供給される場合があり、燃料電池の性能を維持する上で好ましくない。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、起動時における燃料電池の保護を厚くして、燃料電池に対する信頼性を高めることができる燃料電池システムの起動方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料電池の発電電力を電流制限器を介して電気負荷（例えば、後述する実施の形態における駆動用モータ５、エアコンプレッサ用モータ１１等の電気負荷１０）に接続し、燃料電池が所定の運転状態になった時に該電流制限器を作動させて電気負荷への供給電流を制限する燃料電池システムの起動方法において、燃料電池の発電開始時に、反応ガスを供給して発電を開始させ、燃料電池の発電電圧が所定値以上に達した時に、制限抵抗（例えば、後述する実施の形態におけるプリチャージ抵抗Ｒ）を介して該電流制限器内のコンデンサ（例えば、後述する実施の形態におけるコンデンサ１７）を充電するプリチャージを行い、プリチャージ中は前記電流制限器を停止して燃料電池から該電気負荷への電力供給を停止させ、プリチャージ完了後に、電流制限器を作動させて燃料電池から該電気負荷への電力供給を開始することを特徴とする燃料電池システムの起動方法である。
【０００８】
この発明によれば、燃料電池のセルの電圧が所定値以上に達するまでプリチャージを行わないため、反応ガスが十分供給されていない燃料電池の発電開始時において、プリチャージにより燃料電池から電流が流れることを防止でき、燃料電池の性能劣化を防止できる。加えて、プリチャージ中は燃料電池から電気負荷への電力供給を停止させているため、プリチャージ中に燃料電池で出力可能な電流よりも大きな電流が電気負荷に供給されることを防止できる。従って、燃料電池起動時における燃料電池に対する信頼性を向上させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本実施の形態においては、燃料電池を車両に搭載した場合について説明する。
図１は、本発明の適用される燃料電池システムの概略構成図である。同図に示したように、本実施の形態における燃料電池システムは、燃料電池３とキャパシタ４を電源装置として備えている。
【００１０】
燃料電池３は、固体高分子膜をアノードとカソードとで挟持してなる燃料電池セルを、複数積層させて一体化させた構造となっている。前記燃料電池３のアノードには例えば高圧水素タンク９が接続され、前記水素タンク９からアノードに水素が供給される。また、燃料電池３のカソードにはエアコンプレッサ８が接続されており、前記エアコンプレッサ８からカソードに空気（酸素）が供給される。アノードの反応面に水素が供給されると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソードの方に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【００１１】
前記燃料電池３は、プリチャージ回路１２に接続されている。図２は図１に示したプリチャージ回路１２を示すブロック図である。同図に示したように、プリチャージ回路１２は、並列に接続されたメインコンタクタ１３とプリチャージコンタクタ１４とを備えている。前記コンタクタ１３，１４は、燃料電池３の正極、負極とに接続路を介して接続されている。燃料電池３の正極とコンタクタ１３，１４の接続路には、燃料電池３からコンタクタ１３、１４に電流を流す向きに、ダイオードＤが設けられている。また、燃料電池３の正極とプリチャージコンタクタ１４の接続路には、前記ダイオードＤの下流側にプリチャージ抵抗Ｒが設けられている。そして、これらのコンタクタ１３，１４はそれぞれ開閉可能なスイッチを備えており、後述する制御装置（ＥＣＵ）７により開閉制御される。これらのスイッチを開閉制御することにより、後述する電流制限器６に燃料電池３からの電流が供給もしくは遮断される。
【００１２】
前記電流制限器６はプリチャージ回路１２を介して前記燃料電池３に接続されている。前記電流制限器６は、キャパシタ４や駆動用モータ５、エアコンプレッサ用モータ１１にも接続され、燃料電池３が所定の運転状態の時、例えば発電電圧の低下、反応ガスの供給不足等の発電不調時に、後述する制御装置７からの所定のスイッチング信号により、燃料電池３から電気負荷１０への供給電流を制限して燃料電池２を保護するようになっている。本実施形態においては、これらのモータ５，１１が燃料電池３の電気負荷１０を構成している。
前記エアコンプレッサ用モータ１１は前記エアコンプレッサ８に連結され、前記エアコンプレッサ用モータ１１によりエアコンプレッサ８が駆動される。したがって、燃料電池３で発電する電力の一部は、反応ガス（酸化剤ガス）を供給するエアコンプレッサ８を駆動するために使用される。
【００１３】
キャパシタ４は例えば電気二重層キャパシタとされ、前記燃料電池３の発電電流で充電されるとともに、該キャパシタ４が蓄えた電力を駆動用モータ５や前記エアコンプレッサ用モータ１１に供給して燃料電池３の発電を補助する機能も備えている。また、キャパシタ４は、前記電流制限器６や電気負荷１０に開閉装置１６を介して接続され、開閉装置１６のスイッチ（図示せず）を開閉制御することにより、キャパシタ４からの電流が電気負荷１０に供給もしくは遮断される。
【００１４】
燃料電池３およびキャパシタ４に接続された駆動用モータ５は、この燃料電池３やキャパシタ４から供給された電力を駆動力としている。この駆動力は、リダクション或いはトランスミッションＴ／Ｍを介して駆動輪（図示せず）に伝達され、これにより、燃料電池車両が走行する。
【００１５】
前記燃料電池３やプリチャージ回路１２、電流制限器６、電気負荷１０、開閉装置１６には制御装置（ＥＣＵ）７が接続してある。この制御装置７は、アクセルペダルの踏み込み量Ａｐや車速ＶｃやイグニッションスイッチＩＧの開閉等から電気負荷１０に必要な電力を算出して、この算出した電力に基づいてこれらの機器３、１２、６、１０、１６にそれぞれ制御信号を送信する。
【００１６】
また、前記燃料電池３には、燃料電池を構成する燃料電池セルの電圧を検出するセル電圧検出センサ１５が設けられている。このセンサ１５にて検出したセルの電圧が制御装置７に送信されると、制御装置７は前記電圧に基づいて燃料電池３の起動制御を行う。これについて図３を用いて説明する。
【００１７】
図３は本実施の形態における燃料電池システムの起動方法を示すフローチャートである。同図に示したように、ステップＳ１０で、燃料電池３の起動制御を開始すると、ステップＳ１２で、キャパシタ４の開閉装置１６の制御を行い、キャパシタ４の電力を電気負荷１０に供給可能とする。そして、ステップＳ１４で、キャパシタ４の開閉装置１６の接続が終了したかどうかの判定を行い、判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ１６の処理に進み、判定結果がＮＯの場合には再度ステップＳ１４の処理を行う。
【００１８】
そして、ステップＳ１６で、燃料電池システム起動処理を開始する。この処理は、水素タンク９、エアコンプレッサ８から燃料電池３に水素ガス、酸化剤ガスを供給することにより行う。このとき、エアコンプレッサ８に連結されたエアコンプッサ用モータ１１は、キャパシタ４からの電力により駆動される。ついで、ステップＳ１８で、燃料電池システム起動処理が完了したかどうかの判定を行う。この起動処理完了の判定は、セル電圧検出センサ１５で検出された燃料電池３のセル電圧が所定値以上かどうかを制御装置７で判定することにより行う。このとき、制御装置７の制御信号により、プリチャージ回路１２の両コンタクタ１３、１４のスイッチは開かれ、プリチャージを行わないようにする。これにより、反応ガスが十分に供給されていない燃料電池３の発電開始時において、プリチャージにより燃料電池３から電流が流れることを防止でき、燃料電池３の性能劣化を防止することができる。このステップＳ１８の判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ２０の処理に進み、判定結果がＮＯの場合には、再度ステップＳ１８の処理を行う。
【００１９】
ステップＳ２０では、燃料電池３のプリチャージ制御を行う。この制御はプリチャージ回路１２を接続することにより行う。まず、プリチャージ回路１２のプリチャージコンタクタ１４のスイッチを閉じる制御を行い、燃料電池３の電流をプリチャージコンタクタ１４を介して電流制限器６の入力側のコンデンサ１７（図２参照）に供給してプリチャージを行う。このとき、電流制限器６により燃料電池３と電気負荷１０との接続は遮断されている。このように、プリチャージ中は燃料電池３から電気負荷１０への電力供給を停止させているため、プリチャージ中に燃料電池３で出力可能な電流よりも大きな電流が電気負荷１０に供給されることを防止できる。
【００２０】
ステップＳ２２で、燃料電池３のプリチャージが完了したかどうかの判定を行い、判定結果がＹＥＳであればステップＳ２４の処理に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２２の処理を継続して行う。
そして、ステップＳ２４では、プリチャージコンタクタ１４のスイッチを開くとともに、メインコンタクタ１３のスイッチを閉じる制御を行う。そして、電流制限器６を作動させて、燃料電池３で発電した電流を電気負荷１０に供給する制御を行い、一連の処理を終了する。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態における燃料電池起動方法によれば、燃料電池起動時における燃料電池３に対する信頼性を向上させることができる。
【００２２】
なお、本発明の適用対象は、上述した燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途にも適用することができるのはもちろんである。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、起動時の燃料電池からプリチャージによる電流が流れることを防止でき、燃料電池の性能劣化を防止できる。加えて、プリチャージ中に燃料電池で出力可能な電流よりも大きな電流が電気負荷に供給されることを防止できるため、燃料電池起動時における燃料電池に対する信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池が適用される燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示したプリチャージ回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの起動方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
３燃料電池
５駆動用モータ
６電流制限器
１０電気負荷
１１エアコンプレッサ用モータ

Claims

燃料電池の発電電力を電流制限器を介して電気負荷に接続し、燃料電池が所定の運転状態になった時に該電流制限器を作動させて電気負荷への供給電流を制限する燃料電池システムの起動方法において、
燃料電池の発電開始時に、
反応ガスを供給して発電を開始させ、
燃料電池の発電電圧が所定値以上に達した時に、制限抵抗を介して該電流制限器内のコンデンサを充電するプリチャージを行い、
プリチャージ中は前記電流制限器を停止して燃料電池から該電気負荷への電力供給を停止させ、
プリチャージ完了後に、電流制限器を作動させて燃料電池から該電気負荷への電力供給を開始することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。