JP7346972B2 - fuel cell system - Google Patents

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Description

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

従来、車両に搭載され、燃料電池で発電した電力を回転電機に供給する燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1)。特許文献1の燃料電池システムでは、燃料電池で発電した電力を回転電機に直接供給することで、車両を走行させる。特許文献2の燃料電池システムでは、燃料電池で発電した電力を一旦二次電池に供給し、二次電池から回転電機に電力を供給することで、車両を走行させる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system is known that is mounted on a vehicle and supplies electric power generated by a fuel cell to a rotating electric machine (for example, Patent Document 1). In the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, electric power generated by a fuel cell is directly supplied to a rotating electric machine to run a vehicle. In the fuel cell system disclosed in Patent Document 2, electric power generated by the fuel cell is once supplied to a secondary battery, and the secondary battery supplies electric power to a rotating electric machine to run a vehicle.

特開2016-35873号公報Japanese Patent Application Publication No. 2016-35873 特開2017-117599号公報JP 2017-117599 Publication

特許文献1の燃料電池システムでは、燃料電池の停止指示を受けた場合に、燃料電池を乾燥モードにする。乾燥モード中に発電した電力は、空調装置に供給され、空調装置で使用される。すなわち、燃料電池で発電した電力を、車両を走行させるためのエネルギ以外に使用している。このため、例えば、空調が不要な場合には、燃料電池で発電した電力が捨てられる。この結果、車両のエネルギロスが発生する。 In the fuel cell system of Patent Document 1, when receiving an instruction to stop the fuel cell, the fuel cell is placed in a dry mode. The electric power generated during the drying mode is supplied to and used by the air conditioner. That is, the electric power generated by the fuel cell is used for purposes other than energy for driving the vehicle. Therefore, for example, if air conditioning is not required, the power generated by the fuel cell is discarded. As a result, energy loss occurs in the vehicle.

一方、特許文献2の燃料電池システムは、燃料電池を二次電池の状態に応じて発電させる。このため、燃料電池が長時間にわたって発電を続けることがある。燃料電池が長時間にわたって発電を続けると、燃料電池の劣化が促進される。 On the other hand, the fuel cell system disclosed in Patent Document 2 causes the fuel cell to generate electricity according to the state of the secondary battery. For this reason, the fuel cell may continue to generate electricity for a long time. If a fuel cell continues to generate electricity for a long period of time, deterioration of the fuel cell will be accelerated.

本発明の課題は、車両のエネルギロスを抑えながら、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can suppress deterioration of a fuel cell while suppressing energy loss in a vehicle.

本発明に係る燃料電池システムは、車両に搭載される。燃料電池システムは、回転電機と、二次電池と、燃料電池と、内部抵抗調整手段と、制御部と、を備える。回転電機は、車両の駆動輪を駆動する。二次電池は、回転電機に電力を供給する。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスが供給されて発電し、二次電池に電力を供給する。内部抵抗調整手段は、燃料電池の内部抵抗を調整する。制御部は、燃料電池システムを制御する。制御部は、燃料電池を停止させる前に、内部抵抗調整手段によって燃料電池の温度を上昇させて燃料電池の内部抵抗を上昇させる。 The fuel cell system according to the present invention is mounted on a vehicle. The fuel cell system includes a rotating electric machine, a secondary battery, a fuel cell, an internal resistance adjustment means, and a control unit. The rotating electric machine drives the drive wheels of the vehicle. The secondary battery supplies power to the rotating electric machine. A fuel cell is supplied with fuel gas and oxidant gas to generate electricity, and supplies power to a secondary battery. The internal resistance adjusting means adjusts the internal resistance of the fuel cell. The control unit controls the fuel cell system. Before stopping the fuel cell, the control section increases the temperature of the fuel cell using the internal resistance adjusting means to increase the internal resistance of the fuel cell.

この構成によれば、燃料電池を停止させる前に燃料電池の内部抵抗を上昇させることができる。燃料電池は、内部抵抗が上昇すると燃料電池に使用される触媒の劣化が抑制される。また、燃料電池を停止させるまでの間に発電した電力は、二次電池に供給される。二次電池に供給された電力は、車両が走行する際に、回転電機に供給され、駆動輪を駆動させるために用いられる。すなわち、車両が走行する際のエネルギとして用いられる。これによって、車両のエネルギロスを抑えながら、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供できる。 According to this configuration, the internal resistance of the fuel cell can be increased before the fuel cell is stopped. In a fuel cell, when the internal resistance increases, deterioration of the catalyst used in the fuel cell is suppressed. Furthermore, the power generated until the fuel cell is stopped is supplied to the secondary battery. The electric power supplied to the secondary battery is supplied to the rotating electrical machine and used to drive the drive wheels when the vehicle is running. That is, it is used as energy when the vehicle runs. As a result, it is possible to provide a fuel cell system that can suppress deterioration of the fuel cell while suppressing energy loss in the vehicle.

内部抵抗調整手段は、燃料電池を冷却する冷却部であってもよい。制御部は、冷却部を停止し燃料電池の温度を上昇させて燃料電池の内部抵抗を上昇させる第1制御を行ってもよい。 The internal resistance adjusting means may be a cooling unit that cools the fuel cell. The control unit may perform first control to increase the internal resistance of the fuel cell by stopping the cooling unit and increasing the temperature of the fuel cell.

この構成によれば、燃料電池を冷却する冷却部が停止するので、燃料電池の内部温度が上昇する。燃料電池の内部温度が上昇すると、燃料電池内部の湿度が低下する。これによって、燃料電池の内部抵抗が上昇する。この結果、燃料電池の劣化を抑制できる。 According to this configuration, since the cooling unit that cools the fuel cell stops, the internal temperature of the fuel cell increases. When the internal temperature of the fuel cell increases, the humidity inside the fuel cell decreases. This increases the internal resistance of the fuel cell. As a result, deterioration of the fuel cell can be suppressed.

内部抵抗調整手段は、酸化剤ガスを加湿する加湿部であってもよい。制御部は、加湿部を停止させて燃料電池の内部抵抗を上昇させる第2制御を行ってもよい。 The internal resistance adjusting means may be a humidifier that humidifies the oxidant gas. The control unit may perform second control to increase the internal resistance of the fuel cell by stopping the humidifying unit.

この構成によれば、酸化剤ガスを加湿する加湿部が停止するので、酸化剤ガスは無加湿状態になる。酸化剤ガスが無加湿状態になると、燃料電池の内部抵抗が上昇する。これによって、燃料電池の劣化を抑制できる。 According to this configuration, the humidifying section that humidifies the oxidizing gas stops, so the oxidizing gas is in a non-humidified state. When the oxidant gas is not humidified, the internal resistance of the fuel cell increases. Thereby, deterioration of the fuel cell can be suppressed.

制御部は、燃料電池を停止させる準備を行ってもよい。制御部は、準備を開始する際の充電率に応じて第1制御および第2制御のいずれか一方、または、両方を行ってもよい。制御部は、燃料電池の内部抵抗値が所定抵抗値になった場合に、燃料電池を停止させてもよい。 The control unit may prepare to stop the fuel cell. The control unit may perform either or both of the first control and the second control depending on the charging rate at the time of starting preparation. The control unit may stop the fuel cell when the internal resistance value of the fuel cell reaches a predetermined resistance value.

この構成によれば、制御部は、準備を開始する際の充電率に応じて第1制御および第2制御のいずれか一方、または、両方を行って、燃料電池の内部抵抗を上昇させる。これによって、充電率に応じて、内部抵抗を上昇させる時間を短くすることができる。すなわち、第1制御のみを行うよりも、第1制御と、第2制御の両方を行う方が、より短い時間で内部抵抗を上昇させることができる。このため、例えば、充電率に応じて、第1制御と、第2制御と、を選択的に行い、内部抵抗を上昇させる時間を調整できる。 According to this configuration, the control unit increases the internal resistance of the fuel cell by performing either or both of the first control and the second control depending on the charging rate at the time of starting preparation. Thereby, the time for increasing the internal resistance can be shortened depending on the charging rate. That is, performing both the first control and the second control can increase the internal resistance in a shorter time than performing only the first control. Therefore, for example, it is possible to selectively perform the first control and the second control depending on the charging rate, and adjust the time for increasing the internal resistance.

制御部は、準備を開始する際の充電率が所定充電率より小さい場合に、第1制御および第2制御を行ってもよい。 The control unit may perform the first control and the second control when the charging rate at the time of starting preparation is smaller than the predetermined charging rate.

この構成によれば、制御部は、充電率が所定充電率以下の場合は、素早く内部抵抗を上昇させることができる。すなわち、充電率が所定充電率以下の場合は、二次電池の電力が不足する機会が多くなる。二次電池の電力が不足する機会が多くなると、制御部が燃料電池を停止させてから、次に燃料電池を起動させるまでの時間が短い場合もある。このため、制御部は、第1制御と第2制御の両方を行い、早期に内部抵抗を上昇させる。これによって、充電率が所定充電率以下の場合であっても、燃料電池の劣化を抑制できる。 According to this configuration, the control unit can quickly increase the internal resistance when the charging rate is equal to or lower than the predetermined charging rate. That is, when the charging rate is below the predetermined charging rate, there are many chances that the secondary battery will run out of power. When there are many opportunities for the secondary battery to run out of power, the time from when the control unit stops the fuel cell to when it next starts the fuel cell may be short. Therefore, the control section performs both the first control and the second control to increase the internal resistance at an early stage. Thereby, even if the charging rate is below the predetermined charging rate, deterioration of the fuel cell can be suppressed.

燃料電池は、燃料ガスをアノードに供給し、酸化剤ガスをカソードに供給し、カソードは、セラミックス系材料からなる担体に白金系材料からなる触媒を担持させた電極触媒を含んでもよい。 In a fuel cell, fuel gas is supplied to an anode, and oxidant gas is supplied to a cathode, and the cathode may include an electrode catalyst in which a catalyst made of a platinum-based material is supported on a carrier made of a ceramic-based material.

この構成によれば、カソードにセラミックス系担体に白金系材料からなる触媒を担持させているので、燃料電池内部または酸化剤ガスが低加湿状態となると、白金系材料の粗大化/溶出の進行が抑制される。これによって、燃料電池の劣化が抑制される。 According to this configuration, a catalyst made of a platinum-based material is supported on a ceramic carrier in the cathode, so that when the interior of the fuel cell or the oxidant gas is in a low humidified state, coarsening/elution of the platinum-based material is prevented. suppressed. This suppresses deterioration of the fuel cell.

本発明によれば、車両のエネルギロスを抑えながら、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system that can suppress deterioration of a fuel cell while suppressing energy loss in a vehicle.

本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略構成を示すシステム図。1 is a system diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池内部の概略構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a schematic internal configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による制御部の制御フローを示す図。FIG. 3 is a diagram showing a control flow of a control unit according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの制御状態を示すタイミングチャート。1 is a timing chart showing a control state of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、燃料電池システム1は、モータジェネレータ(回転電機の一例)2と、駆動用電池(二次電池の一例)4と、燃料電池(以下FCと記す)6と、加湿部(内部抵抗調整手段の一例)8と、冷却部(内部抵抗調整手段の一例)10と、制御部12と、水素循環ポンプ14と、水素タンク16と、DC-DCコンバータ18と、を備える。本実施形態では、燃料電池システム1は、例えば、レンジエクステンダー型プラグイン燃料電池自動車(PFCV)等の車両Cに搭載される。燃料電池システム1は、主として駆動用電池4の充電が必要な際に起動され、FC6で発電した電力をDC-DCコンバータ18で電圧を変換したのち駆動用電池4に供給する。また、駆動用電池4からのモータジェネレータ2への出力が不足する場合は、一時的にモータジェネレータ2への電力の供給を行う。 As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a motor generator (an example of a rotating electrical machine) 2, a driving battery (an example of a secondary battery) 4, a fuel cell (hereinafter referred to as FC) 6, and a humidifier. (an example of internal resistance adjusting means) 8, a cooling section (an example of internal resistance adjusting means) 10, a control section 12, a hydrogen circulation pump 14, a hydrogen tank 16, and a DC-DC converter 18. In this embodiment, the fuel cell system 1 is mounted on a vehicle C such as a range extender type plug-in fuel cell vehicle (PFCV). The fuel cell system 1 is activated mainly when it is necessary to charge the driving battery 4, and converts the voltage of the electric power generated by the FC 6 using the DC-DC converter 18, and then supplies it to the driving battery 4. Further, when the output from the drive battery 4 to the motor generator 2 is insufficient, power is temporarily supplied to the motor generator 2.

モータジェネレータ2は、減速機(図示せず)および駆動軸2aを介して駆動輪2bを駆動する。モータジェネレータ2は、インバータ2cを介して、駆動用電池4と接続される。また、インバータ2cは、制御部12と電気的に接続される。本実施形態では、モータジェネレータ2は、三相交流モータであり、制御部12からの指示に基づき、インバータ2cを介して力行と回生とに制御される。インバータ2cは、制御部12から力行を指示されると、駆動用電池4から電力を受け取り、モータジェネレータ2に電力を供給して力行させる。一方、インバータ2cは、制御部12から回生を指示されると、モータジェネレータ2で発電した電力を受け取り、駆動用電池4に電力を供給する。 Motor generator 2 drives drive wheels 2b via a reduction gear (not shown) and drive shaft 2a. Motor generator 2 is connected to drive battery 4 via inverter 2c. Further, the inverter 2c is electrically connected to the control section 12. In this embodiment, the motor generator 2 is a three-phase AC motor, and is controlled to perform power running and regeneration via the inverter 2c based on instructions from the control unit 12. When instructed by the control unit 12 to perform power running, the inverter 2c receives power from the drive battery 4, supplies power to the motor generator 2, and causes the motor generator 2 to perform power running. On the other hand, when inverter 2 c is instructed to perform regeneration by control unit 12 , inverter 2 c receives electric power generated by motor generator 2 and supplies electric power to drive battery 4 .

駆動用電池4は、モータジェネレータ2に電力を供給する。本実施形態では、駆動用電池4は、リチウムイオン電池等の二次電池で構成され、複数の電池セルをまとめて構成された図示しない電池モジュールを有する。駆動用電池4は、モータジェネレータ2の電源として機能する。さらに駆動用電池4は、電池モジュールの電圧などから充電率(State Of Charge、以下、SOC)を算出する電池制御部4aに接続される。駆動用電池4は、電池制御部4aを介して制御部12と電気的に接続される。 Drive battery 4 supplies power to motor generator 2 . In the present embodiment, the driving battery 4 is composed of a secondary battery such as a lithium ion battery, and has a battery module (not shown) that is composed of a plurality of battery cells. Drive battery 4 functions as a power source for motor generator 2 . Further, the driving battery 4 is connected to a battery control unit 4a that calculates a state of charge (hereinafter referred to as SOC) from the voltage of the battery module and the like. The driving battery 4 is electrically connected to the control section 12 via the battery control section 4a.

FC6は、駆動用電池4に電力を供給する。FC6には、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとによってFC6は発電する。本実施形態では、燃料ガスは水素(H)であり、酸化剤ガスは、空気である。FC6は、圧縮され高圧となった高圧水素を貯蔵する水素タンク16と、連通路16cを介して接続される。連通路16c上には、連通路16cを開閉する元弁16aと、水素タンク16の高圧水素を減圧する減圧弁16bと、が設けられる。減圧された水素は、後述するアノード32に供給される。アノード32で分解されなかった水素は、アノード側排気通路16dを介して排気される。しかし、排気される水素の一部は、水素循環ポンプ14を経由してアノード32に再び供給される。元弁16a、減圧弁16b、および、水素循環ポンプ14は、制御部12と電気的に接続される。 The FC 6 supplies power to the driving battery 4. Fuel gas and oxidizing gas are supplied to the FC 6, and the FC 6 generates electricity using the supplied fuel gas and oxidizing gas. In this embodiment, the fuel gas is hydrogen (H 2 ), and the oxidant gas is air. The FC 6 is connected via a communication path 16c to a hydrogen tank 16 that stores compressed high-pressure hydrogen. A main valve 16a that opens and closes the communication path 16c and a pressure reducing valve 16b that reduces the pressure of high-pressure hydrogen in the hydrogen tank 16 are provided on the communication path 16c. The reduced pressure hydrogen is supplied to an anode 32, which will be described later. Hydrogen that has not been decomposed by the anode 32 is exhausted through the anode side exhaust passage 16d. However, a portion of the exhausted hydrogen is supplied back to the anode 32 via the hydrogen circulation pump 14. The main valve 16a, the pressure reducing valve 16b, and the hydrogen circulation pump 14 are electrically connected to the control unit 12.

また、FC6は、車両Cの外部の空気を取り込み圧縮する空気圧縮機8bと、圧縮された空気を加湿する加湿部8と、空気連通路8aを介して接続される。空気は、後述するカソード33に供給される。カソード33で反応しなかった空気は、カソード側排気通路8cを介して排気される。 Further, the FC 6 is connected to an air compressor 8b that takes in and compresses air outside the vehicle C, and a humidifier 8 that humidifies the compressed air, via an air communication path 8a. Air is supplied to the cathode 33, which will be described later. Air that has not reacted at the cathode 33 is exhausted through the cathode side exhaust passage 8c.

FC6は、燃料電池出力センサ(燃料電池出力検知部の一例)20と、内部抵抗計値測センサ(内部抵抗検知部の一例)22と、温度センサ(温度検知部の一例)24と、セルスタック26と、を有する。燃料電池出力センサ20は、FC6の出力を検知する。内部抵抗値計測センサ22は、FC6の内部抵抗値を検知する。温度センサ24は、FC6のセルスタック26の温度を検知する。セルスタック26は、後述する単セル30が複数個並べられて構成される。燃料電池出力センサ20、内部抵抗値計測センサ22、および、温度センサ24は、制御部12と電気的に接続される。 The FC6 includes a fuel cell output sensor (an example of a fuel cell output detection section) 20, an internal resistance measurement sensor (an example of an internal resistance detection section) 22, a temperature sensor (an example of a temperature detection section) 24, and a cell stack. 26. Fuel cell output sensor 20 detects the output of FC6. Internal resistance value measurement sensor 22 detects the internal resistance value of FC6. The temperature sensor 24 detects the temperature of the cell stack 26 of the FC 6. The cell stack 26 is configured by arranging a plurality of single cells 30, which will be described later. The fuel cell output sensor 20, internal resistance value measurement sensor 22, and temperature sensor 24 are electrically connected to the control unit 12.

図2に示すように、単セル30は、電解質膜31と、アノード(燃料極または負極)32と、カソード(空気極または正極)33と、アノード側セパレータ34と、カソード側セパレータ35と、外部回路36と、を備える。本実施形態では、FC6は、電解質膜31として固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池である。外部回路36は、各単セル30で発電した電力を取り出し、駆動用電池4、または、モータジェネレータ2に電力を供給するための回路である。外部回路36は、電力を取り出すための負荷部36bを挟んでアノード32と、カソード33を電気的に接続する。 As shown in FIG. 2, the single cell 30 includes an electrolyte membrane 31, an anode (fuel electrode or negative electrode) 32, a cathode (air electrode or positive electrode) 33, an anode separator 34, a cathode separator 35, and an external A circuit 36 is provided. In this embodiment, the FC 6 is a solid polymer fuel cell that uses a solid polymer membrane as the electrolyte membrane 31. The external circuit 36 is a circuit for extracting the electric power generated by each single cell 30 and supplying the electric power to the driving battery 4 or the motor generator 2. The external circuit 36 electrically connects the anode 32 and the cathode 33 across a load section 36b for extracting power.

アノード32は、アノード側電極触媒層32aと、アノード側拡散層32bと、を含む。アノード側電極触媒層32aは、電解質膜31と接して設けられる。本実施形態では、アノード側電極触媒層32aは、カーボン系材料からなる担体、もしくは、酸化スズ(SnO)などのセラミックス系材料からなる担体に、白金(Pt)系材料からなる触媒を担持した電極触媒で構成される。アノード32には、水素タンク16から元弁16a、減圧弁16b、およびアノード側セパレータ34に設けられた溝(図示せず)を経由した水素が供給される。アノード32に供給された水素は、アノード側拡散層32bによって拡散されたのち、アノード側電極触媒層32aの電極触媒によって水素イオンと電子に分解される。水素イオンは、電解質膜31を通過してカソード側電極触媒層33aに移動する。電子は、電流となって外部回路36を経由して、カソード33へ移動する。 The anode 32 includes an anode-side electrode catalyst layer 32a and an anode-side diffusion layer 32b. The anode side electrode catalyst layer 32a is provided in contact with the electrolyte membrane 31. In this embodiment, the anode side electrode catalyst layer 32a has a catalyst made of a platinum (Pt)-based material supported on a carrier made of a carbon-based material or a ceramic material such as tin oxide (SnO 2 ). Consists of an electrocatalyst. Hydrogen is supplied to the anode 32 from the hydrogen tank 16 via the main valve 16a, the pressure reducing valve 16b, and a groove (not shown) provided in the anode side separator 34. Hydrogen supplied to the anode 32 is diffused by the anode-side diffusion layer 32b, and then decomposed into hydrogen ions and electrons by the electrode catalyst of the anode-side electrode catalyst layer 32a. The hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 31 and move to the cathode electrode catalyst layer 33a. The electrons become a current and move to the cathode 33 via the external circuit 36.

カソード33は、アノード32と電解質膜31を挟んで反対側に設けられる。カソード33は、カソード側電極触媒層33aと、カソード側拡散層33bと、を含む。カソード側電極触媒層33aは、電解質膜31と接して設けられる。本実施形態では、カソード側電極触媒層33aは、酸化スズ(SnO)などのセラミックス系材料からなる担体に、白金(Pt)系材料からなる触媒を担持した電極触媒で構成される。カソード33には、空気圧縮機8b、加湿部8、カソード側セパレータ35の溝(図示せず)を経由した空気が供給される。カソード33に供給された空気中の酸素(O)は、カソード側拡散層33bによって拡散されたのち、カソード側電極触媒層33aの電極触媒によって電解質膜31を経由した水素イオン、および、外部回路36を経由した電子と反応し、水(HO)を生成する。 The cathode 33 is provided on the opposite side of the anode 32 with the electrolyte membrane 31 in between. The cathode 33 includes a cathode electrode catalyst layer 33a and a cathode diffusion layer 33b. The cathode side electrode catalyst layer 33a is provided in contact with the electrolyte membrane 31. In this embodiment, the cathode side electrode catalyst layer 33a is composed of an electrode catalyst in which a catalyst made of a platinum (Pt)-based material is supported on a carrier made of a ceramic-based material such as tin oxide (SnO 2 ). The cathode 33 is supplied with air that has passed through the air compressor 8b, the humidifier 8, and a groove (not shown) in the cathode separator 35. Oxygen (O 2 ) in the air supplied to the cathode 33 is diffused by the cathode side diffusion layer 33b, and then is converted into hydrogen ions and the external circuit via the electrolyte membrane 31 by the electrode catalyst of the cathode side electrode catalyst layer 33a. It reacts with the electrons passed through 36 to produce water (H 2 O).

このような電極触媒では、長時間発電することで白金系材料が溶出又は粗大化しFC6が劣化する。これを抑制するために、FC6を停止させる際は、FC6の内部抵抗を高めておくことが好ましい。しかし、カソード側電極触媒層33aを、セラミックス系材料からなる担体に、白金(Pt)系材料からなる触媒を担持した電極触媒で構成した場合に、長時間の発電によって多量の生成水が発生するため、FC6の停止時の内部抵抗が上がり難くなる。これは、セラミックス系材料は、担体周囲の雰囲気中の水蒸気を吸着できる特性を有する親水性担体材料であることに起因する。 In such an electrode catalyst, when power is generated for a long time, the platinum-based material is eluted or coarsened, and the FC6 deteriorates. In order to suppress this, when stopping the FC6, it is preferable to increase the internal resistance of the FC6. However, when the cathode-side electrode catalyst layer 33a is constructed of an electrode catalyst in which a catalyst made of a platinum (Pt)-based material is supported on a carrier made of a ceramic-based material, a large amount of generated water is generated during long-term power generation. Therefore, it becomes difficult for the internal resistance to rise when the FC6 is stopped. This is because the ceramic material is a hydrophilic carrier material that has the property of adsorbing water vapor in the atmosphere around the carrier.

また、カソード側電極触媒層33aを、セラミックス系材料からなる担体とした場合に、FC6の内部の湿度が低いほど、FC6の内部抵抗が上がる傾向がある。これは、FC6の内部の湿度が低いほど、担体周囲の雰囲気中の酸素分圧が増加し、担体表面に酸素が吸着しやすくなることに起因する。セラミックス系材料は、酸素が吸着することで内部抵抗が増加する特性を有する担体材料である。このような傾向は、セラミックス系材料の中でも、酸化スズが顕著である。 Further, when the cathode side electrode catalyst layer 33a is a carrier made of a ceramic material, the internal resistance of the FC6 tends to increase as the humidity inside the FC6 decreases. This is because the lower the humidity inside the FC6, the higher the oxygen partial pressure in the atmosphere around the carrier, and the easier it is for oxygen to be adsorbed onto the carrier surface. Ceramic materials are carrier materials that have a characteristic that internal resistance increases when oxygen is adsorbed. This tendency is remarkable for tin oxide among ceramic materials.

図1に示すように、冷却部10は、FC6を冷却する。冷却部10は、ラジエータ10aと、冷却通路10bと、冷却ポンプ(図示せず)を有する。ラジエータ10aは、冷却通路10bの通路上に設けられる。冷却通路10bは、FC6の各単セル30に張り巡らされる。冷却通路10bの内部は、冷媒が通過し、FC6の各単セル30で発熱した熱を冷媒が吸収する。熱を吸収した冷媒は、ラジエータ10aで熱交換されて冷却される。冷却ポンプは、制御部12と電気的に接続され、冷却ポンプが停止すると冷却部10が停止する。 As shown in FIG. 1, the cooling unit 10 cools the FC 6. The cooling unit 10 includes a radiator 10a, a cooling passage 10b, and a cooling pump (not shown). The radiator 10a is provided on the cooling passage 10b. The cooling passage 10b extends around each unit cell 30 of the FC6. A refrigerant passes through the inside of the cooling passage 10b, and absorbs the heat generated by each unit cell 30 of the FC6. The refrigerant that has absorbed heat is cooled by heat exchange with the radiator 10a. The cooling pump is electrically connected to the control unit 12, and when the cooling pump stops, the cooling unit 10 stops.

制御部12は、ECU(Electrоnic Control Unit)13に記憶されるソフトウェアによって実現される機能構成である。ECU13は、実際には、演算装置と、メモリと、入出力バッファ等とを含むマイクロコンピュータによって構成される。ECU13は、各センサおよび各種装置からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、燃料電池システム1が、所望の運転状態となるように少なくとも元弁16a、減圧弁16b、空気圧縮機8b、加湿部8、負荷部36b、および冷却部10を制御する。また、制御部12は、駆動用電池4の充電率を取得し、車両Cの走行状態などに応じて目標充電率Btを算出する。制御部12は、FC6を起動して発電させ、DC-DCコンバータ18を制御して目標充電率Btまで駆動用電池4を充電する。さらに、制御部12は、車両Cに要求される出力を演算し、インバータ2cを介してモータジェネレータ2を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)により処理することも可能である。また、各種装置は、ECU13と電気的に接続される。 The control unit 12 is a functional configuration realized by software stored in an ECU (Electronic Control Unit) 13. The ECU 13 is actually constituted by a microcomputer including an arithmetic unit, a memory, an input/output buffer, and the like. Based on signals from each sensor and various devices, as well as maps and programs stored in memory, the ECU 13 controls at least the main valve 16a, the pressure reducing valve 16b, and the air compressor so that the fuel cell system 1 is in a desired operating state. The humidifying section 8b, the humidifying section 8, the load section 36b, and the cooling section 10 are controlled. Further, the control unit 12 acquires the charging rate of the driving battery 4, and calculates a target charging rate Bt according to the driving state of the vehicle C and the like. The control unit 12 starts the FC 6 to generate electricity, controls the DC-DC converter 18, and charges the drive battery 4 to the target charging rate Bt. Further, the control unit 12 calculates the output required of the vehicle C and controls the motor generator 2 via the inverter 2c. Note that various controls are not limited to processing by software, and may also be processed by dedicated hardware (electronic circuits). Further, various devices are electrically connected to the ECU 13.

次に、図3のフローチャートおよび図4のタイミングチャート用いて、本実施形態の制御部12の制御手順について説明する。なお、図4のタイミングチャートは、冷却部10を停止させる第1制御と、加湿部8を停止させる第2制御を両方行った場合のタイミングチャートである。 Next, the control procedure of the control unit 12 of this embodiment will be explained using the flowchart of FIG. 3 and the timing chart of FIG. 4. In addition, the timing chart of FIG. 4 is a timing chart when both the 1st control which stops the cooling part 10 and the 2nd control which stops the humidification part 8 are performed.

制御部12は、電池制御部4aからSOCを取得し、SOCがFC6の停止準備を開始する充電率である目標充電率Btとなったか否か判定する(S1)。制御部12は、SOCが目標充電率Btとなった場合に(S1 Yes)、FC6を停止させる準備を開始する(S2 図4の時刻t1参照)。ここで、制御部12は、目標充電率Btが所定充電率Bp以上か否か判定する(S3)。制御部12は、目標充電率Btが所定充電率Bp以上の場合は(S3 Yes)、冷却部10を停止させる第1制御を行う。一方、制御部12は、目標充電率Btが所定充電率Bpより小さい場合は(S3 No)、第1制御に加えて、加湿部8を停止させる第2制御を行う(S8)。すなわち、制御部12は、FC6を停止させる前に、FCの内部抵抗値Rfを上昇させる。制御部12は、SOCが目標充電率Btとなるまでは、FC6に発電を続けさせる(S1 No)。 The control unit 12 acquires the SOC from the battery control unit 4a, and determines whether the SOC has reached the target charging rate Bt, which is the charging rate at which preparations for stopping the FC 6 are started (S1). When the SOC reaches the target charging rate Bt (S1 Yes), the control unit 12 starts preparations to stop the FC 6 (S2 see time t1 in FIG. 4). Here, the control unit 12 determines whether the target charging rate Bt is equal to or higher than the predetermined charging rate Bp (S3). When the target charging rate Bt is equal to or higher than the predetermined charging rate Bp (S3 Yes), the control unit 12 performs first control to stop the cooling unit 10. On the other hand, if the target charging rate Bt is smaller than the predetermined charging rate Bp (S3 No), the control unit 12 performs a second control to stop the humidifying unit 8 in addition to the first control (S8). That is, the control unit 12 increases the internal resistance value Rf of the FC before stopping the FC 6. The control unit 12 causes the FC 6 to continue generating power until the SOC reaches the target charging rate Bt (S1 No).

図4のタイミングチャートの時刻t1から時刻t3までの間に示すように、冷却部10を停止させるとFC温度Tfが上昇する。FC温度Tfが上昇すると、FC内部の湿度が低下する。FC6内部の湿度が低下すると、内部抵抗値Rfが上昇し、FC出力Pfが低下する。また、第1制御に加えて、加湿部8を停止させる第2制御を行うと、カソード33に供給される空気の湿度が、加湿部8が稼働している状態よりも低くなる低加湿状態となる。これによって、内部抵抗値Rfが第1制御のみを行うよりも、早期に上昇する。 As shown in the timing chart of FIG. 4 from time t1 to time t3, when the cooling unit 10 is stopped, the FC temperature Tf increases. When the FC temperature Tf increases, the humidity inside the FC decreases. When the humidity inside the FC 6 decreases, the internal resistance value Rf increases and the FC output Pf decreases. In addition to the first control, when the second control of stopping the humidifying section 8 is performed, the humidity of the air supplied to the cathode 33 is set to a low humidifying state where the humidity is lower than the state where the humidifying section 8 is operating. Become. As a result, the internal resistance value Rf increases earlier than when only the first control is performed.

一方、FC温度Tfが上昇しすぎると、FCに異常が発生することもある。そこで、図3のフローチャートに示すように、制御部12は、FC温度TfがFC強制停止温度Tmax以上か否か判定する(S5)。制御部12は、FC温度Tfが、FC強制停止温度Tmax以上となる場合は、強制的にFCを停止させる(S5 Yes)。制御部12は、FC温度TfがFC強制停止温度Tmaxより小さい場合は(S5 No)、SOCに応じて第1制御および第2制御のいずれか一方、または、両方を行う。 On the other hand, if the FC temperature Tf rises too much, an abnormality may occur in the FC. Therefore, as shown in the flowchart of FIG. 3, the control unit 12 determines whether the FC temperature Tf is equal to or higher than the FC forced stop temperature Tmax (S5). The control unit 12 forcibly stops the FC when the FC temperature Tf becomes equal to or higher than the FC forced stop temperature Tmax (S5 Yes). If the FC temperature Tf is lower than the FC forced stop temperature Tmax (S5 No), the control unit 12 performs either or both of the first control and the second control depending on the SOC.

制御部12は、内部抵抗値Rfが所定抵抗値Rt以上になった場合は(S6 Yes)、空気圧縮機8bを停止させ、元弁16aを閉じて(図4の時刻t3参照)、FCを停止させる(S7)。制御部12は、FC6を停止させたのち処理をスタートに戻す。一方、制御部12は、内部抵抗値Rfが所定抵抗値Rtより小さい場合は(S6 No)、処理をS5の前に戻して、SOCに応じて第1制御および第2制御のいずれか一方、または、両方を行い続けて、内部抵抗値Rfを上昇させる。 When the internal resistance value Rf becomes equal to or higher than the predetermined resistance value Rt (S6 Yes), the control unit 12 stops the air compressor 8b, closes the main valve 16a (see time t3 in FIG. 4), and turns on the FC. It is stopped (S7). After stopping the FC 6, the control unit 12 returns the process to the start. On the other hand, if the internal resistance value Rf is smaller than the predetermined resistance value Rt (S6 No), the control unit 12 returns the process to before S5 and performs either the first control or the second control depending on the SOC. Alternatively, both may be continued to increase the internal resistance value Rf.

図4のタイミングチャートの時刻t1からt3以降に示すように、制御部12は、FC6を停止させるまでの間に発電した電力は、駆動用電池4に供給される。駆動用電池4に供給された電力は、車両Cが走行する際に、モータジェネレータ2に供給され、駆動輪2bを駆動させるために用いられる。すなわち、車両Cが走行する際のエネルギとして用いられる。 As shown from time t1 to time t3 in the timing chart of FIG. 4, the power generated by the control unit 12 before stopping the FC 6 is supplied to the drive battery 4. The electric power supplied to the drive battery 4 is supplied to the motor generator 2 and used to drive the drive wheels 2b when the vehicle C runs. That is, it is used as energy when the vehicle C travels.

また、時刻t3以降に示すように、制御部12は、このようにSOCに応じて第1制御および第2制御のいずれか一方、または、両方を行うことで、FC6の停止準備中のみならず停止させた後も、内部抵抗値Rfは上昇させることができる。これは、セラミックス系材料は、FC電圧(図示なし)が高くなると内部抵抗が増加する基本特性を持つことに起因する。この特性は、セラミックス系材料の中でも、酸化スズが顕著である。内部抵抗が上昇するとFC6の劣化が抑制される。より具体的には、セラミックス系材料の場合、FC6が停止中に内部抵抗が増加することで、担体表面の電子密度が低下し、劣化に繋がる白金系材料の電子移動を抑制できる。特に担体材料が酸化スズの場合、劣化に繋がる白金系材料の電子移動を抑制しやすい。すなわち、カソード33にセラミックス系担体に白金系材料からなる触媒を担持させた場合、FC6内部またはカソード33に供給する空気が低加湿状態となると、白金系材料の粗大化/溶出の進行が抑制される。特に、カソード33に酸化スズを用いた場合に、白金系材料の粗大化/溶出の進行が顕著に抑制される。これによって、FC6の劣化が抑制される。 Further, as shown after time t3, the control unit 12 performs either or both of the first control and the second control according to the SOC in this way, not only when the FC 6 is preparing to stop. Even after stopping, the internal resistance value Rf can be increased. This is due to the fact that ceramic materials have a basic characteristic that their internal resistance increases as the FC voltage (not shown) increases. This characteristic is remarkable in tin oxide among ceramic materials. When the internal resistance increases, deterioration of FC6 is suppressed. More specifically, in the case of a ceramic material, the internal resistance increases while the FC6 is stopped, and the electron density on the carrier surface decreases, making it possible to suppress electron transfer of the platinum material, which leads to deterioration. In particular, when the carrier material is tin oxide, it is easy to suppress electron transfer of the platinum-based material, which leads to deterioration. That is, when a catalyst made of a platinum-based material is supported on a ceramic carrier in the cathode 33, if the air supplied to the inside of the FC 6 or the cathode 33 is in a low humidified state, the progress of coarsening/elution of the platinum-based material is suppressed. Ru. In particular, when tin oxide is used for the cathode 33, the progress of coarsening/elution of the platinum-based material is significantly suppressed. This suppresses deterioration of FC6.

また、制御部12は、目標充電率Btが所定充電率Bpより小さい場合は、第1制御および第2制御を行うことで、素早く内部抵抗値Rfを上昇させる。すなわち、目標充電率Btが所定充電率Bpより小さい場合は、モータジェネレータ2に供給する駆動用電池4の電力が不足する機会が多くなる。これによって、FC6を停止させたのち短時間で再度起動させる必要が発生する頻度が高くなる。このため、制御部12は、第1制御と第2制御の両方を行い、早期に内部抵抗を上昇させる。 Moreover, when the target charging rate Bt is smaller than the predetermined charging rate Bp, the control unit 12 quickly increases the internal resistance value Rf by performing the first control and the second control. That is, when the target charging rate Bt is smaller than the predetermined charging rate Bp, there are many chances that the power of the driving battery 4 supplied to the motor generator 2 will be insufficient. This increases the frequency with which the FC 6 needs to be restarted within a short period of time after being stopped. Therefore, the control unit 12 performs both the first control and the second control to increase the internal resistance at an early stage.

以上説明した通り、本発明によれば、車両Cのエネルギロスを抑えながら、FC6の劣化を抑制できる燃料電池システム1を提供できる。 As explained above, according to the present invention, it is possible to provide the fuel cell system 1 that can suppress the deterioration of the FC 6 while suppressing the energy loss of the vehicle C.

<他の実施形態>
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。
<Other embodiments>
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made without departing from the gist of the invention. In particular, the plurality of modifications described in this specification can be arbitrarily combined as necessary.

(a)上記実施形態では、カソード33の電極触媒に用いる担体としてセラミックス系材料の酸化スズ用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。セラミックス系材料であれば公知の電極材料を用いることができる。また、担体に用いるセラミックス系材料としては、雰囲気中の水蒸気を吸着できる等の理由から親水性を有するセラミックスを用いるのが好ましい。このようなセラミックスとしては、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化ジルコニウムなどがある。 (a) In the above embodiment, tin oxide, which is a ceramic material, is used as the carrier for the electrode catalyst of the cathode 33, but the present invention is not limited to this. Any known electrode material can be used as long as it is a ceramic material. Further, as the ceramic material used for the carrier, it is preferable to use a hydrophilic ceramic material because it can adsorb water vapor in the atmosphere. Such ceramics include titanium oxide, silicon oxide, aluminum oxide, niobium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, zinc oxide, and zirconium oxide.

(b)上記実施形態では、アノード32の電極触媒として、カーボン系材料からなる担体、もしくは、酸化スズ(SnO)などのセラミックス系材料からなる担体に、白金(Pt)系材料からなる触媒を担持した電極触媒を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。アノード32の電極触媒は、公知の電極材料を用いることができる。 (b) In the above embodiment, as the electrode catalyst of the anode 32, a catalyst made of a platinum (Pt)-based material is placed on a carrier made of a carbon-based material or a carrier made of a ceramic-based material such as tin oxide (SnO 2 ). Although a supported electrocatalyst was used, the present invention is not limited thereto. As the electrode catalyst of the anode 32, a known electrode material can be used.

(c)上記実施形態では、目標充電率Btが所定充電率Bpよりも低い場合に第1制御および第2制御を行い、目標充電率Btが所定充電率Bp以上の場合に、第1制御を行う例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。制御部12は、FC6を停止させる準備を開始する際のSOCに応じて、第1制御と第2制御を選択的に組わせて行ってもよい。 (c) In the above embodiment, the first control and the second control are performed when the target charging rate Bt is lower than the predetermined charging rate Bp, and the first control is performed when the target charging rate Bt is equal to or higher than the predetermined charging rate Bp. Although the present invention has been described using an example in which the present invention is carried out, the present invention is not limited thereto. The control unit 12 may selectively combine the first control and the second control depending on the SOC at the time of starting preparations for stopping the FC 6.

1:燃料電池システム,2:モータジェネレータ(回転電機)
2b:駆動輪,4:駆動用電池(二次電池)
6:FC,8:加湿部,10:冷却部,12:制御部
32:アノード,33:カソード
Bp:所定充電率,Bt:目標充電率
C:車両,Rf:内部抵抗値,Rt:所定抵抗値
Tf:FC温度
1: Fuel cell system, 2: Motor generator (rotating electric machine)
2b: Drive wheel, 4: Drive battery (secondary battery)
6: FC, 8: Humidifying section, 10: Cooling section, 12: Control section 32: Anode, 33: Cathode Bp: Predetermined charging rate, Bt: Target charging rate C: Vehicle, Rf: Internal resistance value, Rt: Predetermined resistance Value Tf: FC temperature

Claims (4)

車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記車両の駆動輪を駆動する回転電機と、
前記回転電機に電力を供給する二次電池と、
燃料ガスと酸化剤ガスが供給されて発電し、前記二次電池に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池の内部抵抗を調整する内部抵抗調整手段と、
前記燃料電池システムを制御する制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、前記燃料ガスをアノードに供給し、前記酸化剤ガスをカソードに供給し、前記カソードは、セラミックス系材料からなる担体に白金系材料からなる触媒を担持させた電極触媒を含み、
前記内部抵抗調整手段は、前記燃料電池を冷却する冷却部であり、
前記制御部は、前記冷却部を停止し前記燃料電池の温度を上昇させて前記燃料電池の内部抵抗を上昇させる第1制御を行い、
前記燃料電池を停止させる前に、前記燃料電池の内部抵抗を上昇させる、
燃料電池システム。
A fuel cell system installed in a vehicle,
a rotating electric machine that drives drive wheels of the vehicle;
a secondary battery that supplies power to the rotating electrical machine;
a fuel cell supplied with fuel gas and oxidant gas to generate electricity and supply power to the secondary battery;
internal resistance adjustment means for adjusting the internal resistance of the fuel cell;
a control unit that controls the fuel cell system;
Equipped with
The fuel cell supplies the fuel gas to an anode, the oxidant gas to a cathode, and the cathode includes an electrode catalyst in which a catalyst made of a platinum-based material is supported on a carrier made of a ceramic-based material,
The internal resistance adjusting means is a cooling unit that cools the fuel cell,
The control unit performs first control to stop the cooling unit and increase the temperature of the fuel cell to increase the internal resistance of the fuel cell,
before stopping the fuel cell, increasing the internal resistance of the fuel cell;
fuel cell system.
車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記車両の駆動輪を駆動する回転電機と、
前記回転電機に電力を供給する二次電池と、
燃料ガスと酸化剤ガスが供給されて発電し、前記二次電池に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池の内部抵抗を調整する内部抵抗調整手段と、
前記燃料電池システムを制御する制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、前記燃料ガスをアノードに供給し、前記酸化剤ガスをカソードに供給し、前記カソードは、セラミックス系材料からなる担体に白金系材料からなる触媒を担持させた電極触媒を含み、
前記内部抵抗調整手段は、前記酸化剤ガスを加湿する加湿部であり、
前記制御部は、前記加湿部を停止させて前記燃料電池の内部抵抗を上昇させる第2制御を行い、
前記燃料電池を停止させる前に、前記燃料電池の内部抵抗を上昇させる、
燃料電池システム。
A fuel cell system installed in a vehicle,
a rotating electric machine that drives drive wheels of the vehicle;
a secondary battery that supplies power to the rotating electrical machine;
a fuel cell supplied with fuel gas and oxidant gas to generate electricity and supply power to the secondary battery;
internal resistance adjustment means for adjusting the internal resistance of the fuel cell;
a control unit that controls the fuel cell system;
Equipped with
The fuel cell supplies the fuel gas to an anode, the oxidant gas to a cathode, and the cathode includes an electrode catalyst in which a catalyst made of a platinum-based material is supported on a carrier made of a ceramic-based material,
The internal resistance adjusting means is a humidifier that humidifies the oxidant gas,
The control unit performs second control to stop the humidification unit and increase internal resistance of the fuel cell,
before stopping the fuel cell, increasing the internal resistance of the fuel cell;
fuel cell system.
前記内部抵抗調整手段は、前記酸化剤ガスを加湿する加湿部であり、
前記制御部は、前記加湿部を停止させて前記燃料電池の内部抵抗を上昇させる第2制御を行い、
前記燃料電池を停止させる準備を行い、
前記準備を開始する際の充電率に応じて前記第1制御および前記第2制御のいずれか一方、または、両方を行い、
前記燃料電池の内部抵抗値が所定抵抗値になった場合に、前記燃料電池を停止させる、
請求項に記載の燃料電池システム。
The internal resistance adjusting means is a humidifier that humidifies the oxidant gas,
The control unit performs second control to stop the humidification unit and increase internal resistance of the fuel cell,
preparing to stop the fuel cell;
Performing one or both of the first control and the second control depending on the charging rate when starting the preparation,
stopping the fuel cell when the internal resistance value of the fuel cell reaches a predetermined resistance value;
The fuel cell system according to claim 1 .
前記制御部は、前記準備を開始する際の充電率が所定充電率より小さい場合に、前記第1制御および前記第2制御を行う、
請求項に記載の燃料電池システム。
The control unit performs the first control and the second control when the charging rate at the time of starting the preparation is smaller than a predetermined charging rate.
The fuel cell system according to claim 3 .
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