Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

JP2004193063A - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP2004193063A
JP2004193063A JP2002362563A JP2002362563A JP2004193063A JP 2004193063 A JP2004193063 A JP 2004193063A JP 2002362563 A JP2002362563 A JP 2002362563A JP 2002362563 A JP2002362563 A JP 2002362563A JP 2004193063 A JP2004193063 A JP 2004193063A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
fuel cell
cell stack
power
cell system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002362563A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Isamu Kazama
勇 風間
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2002362563A priority Critical patent/JP2004193063A/en
Publication of JP2004193063A publication Critical patent/JP2004193063A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which reduction of cost can be realized by decreasing the maximum voltage in fluctuating power consumption of auxiliary machineries and by reducing a voltage-withstanding nature of a variety of parts. <P>SOLUTION: Upon the start-up of the fuel cell system, a relay 24a to connect or cut off a fuel cell stack 1 and a driving motor 21 is cut off under the control of a controller 11, and the auxiliary machineries 22 are actuated by setting a directive voltage to a DC/DC converter 27 for high voltage to control a direct current voltage between the fuel cell stack 1 and the driving motor 21 to be of a smaller value than an open voltage of the fuel cell stack 1, and after the directive voltage to the DC/DC converter 27 for high voltage is controlled to be in the vicinity of the open voltage of the fuel cell stack 1, the relay 24a is connected. By this, the fuel cell system can set the instruction voltage to the DC/DC converter 27 for high voltage low at the start-up, and as a result, reduction of cost can be realized by decreasing the voltage-withstanding nature of the variety of parts. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載されて、当該燃料電池車両の駆動力を発生させるための電力を発電させる燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、燃料電池の燃料極(水素極)に水素を多量に含む燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得る燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、例えば車両の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【0003】
このような燃料電池システムは、通常、DC/DC(Direct Current to Direct Current)コンバータを設け、燃料電池スタックの電力供給先に電力を供給するために、二次電池が発生する電力の直流電圧を燃料電池スタックが発生する電力の直流電圧に昇圧する一方で、二次電池を充電するために、燃料電池スタックが発生する電力の直流電圧を二次電池が発生する電力の直流電圧に降圧することが行われている。
【0004】
このような燃料電池システムとしては、DC/DCコンバータを介して燃料電池スタックに対して二次電池を並列に接続するとともに、燃料電池スタックとDC/DCコンバータとをダイオードを介して接続した技術が提案されている(特許文献1参照)。
【0005】
この燃料電池システムは、DC/DCコンバータの昇圧動作時の出力電圧の目標値を、燃料電池スタックの開放電圧の値からダイオードのオン電圧の値を差し引いた値よりも小さく、且つ、燃料電池スタックの起動に必要な電力を全て燃料電池スタックから供給した場合の平衡時の燃料電池スタックの出力電圧よりも大きい値に設定するものである。
【0006】
このように、この燃料電池システムは、燃料電池スタックと負荷との接続をダイオードを介して行うことにより、簡略な制御であるにもかかわらず、燃料電池スタックと負荷との接続時におけるDC/DCコンバータとの電圧不一致による過電流の発生を防止することができる。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−229943号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献1に記載された燃料電池システムにおいては、起動時には、ダイオードの作用によって燃料電池スタックからの電力の取り出しを抑制するので、DC/DCコンバータの出力電圧の目標値を燃料電池スタックの開放電圧付近の高い電圧に設定する必要がある。
【0009】
また、この燃料電池システムにおいては、起動時に燃料電池スタックからの電力取り出しを完全に抑制しようとするならば、DC/DCコンバータの出力電圧の目標値を燃料電池スタックの開放電圧以上の高い電圧に設定する必要がある。したがって、燃料電池システムにおいては、補機類の作動が、このような高い電圧を用いて開始されることになる。
【0010】
しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、補機類の作動開始時であって消費電力が安定しない間に、補機類の消費電力変動に対するDC/DCコンバータの応答遅れに起因する僅かな誤差により、電圧が大きく変動し、燃料電池スタックの開放電圧を大きく超えてしまうという事態を招来するおそれがあった。
【0011】
したがって、従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの開放電圧を大きく超える電圧に対する耐性を高くするために、例えばダイオードをはじめとする各種部品に高い耐電圧性が要求され、高いコストを要するという問題があった。
【0012】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、補機類の消費電力変動時の最大電圧を低下させて、各種部品の耐電圧性を下げることができ、コストの低減を図ることができる燃料電池システムを提供するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明では、起動時には、制御手段の制御により、燃料電池スタックと負荷とを遮断するようにリレー手段を動作させると共に、燃料電池スタックから負荷までの間における直流電圧を制御する電圧変換手段への指令電圧を、燃料電池スタックの開放電圧よりも小さな値として補機類を作動させ、その後電圧変換手段への指令電圧を、燃料電池スタックの開放電圧近辺に制御してから、リレー手段を接続することで、上述の課題を解決する。
【0014】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、起動時には、電圧変換手段への指令電圧を低く設定することにより、補機類の消費電力変動時の最大電圧を低下させることができ、結果として、各種部品の耐電圧性を下げることができ、コストの低減を図ることができる。
【0015】
また、この本発明に係る燃料電池システムによれば、電圧変換手段への指令電圧を、燃料電池スタックの開放電圧近辺に制御してから、燃料電池スタックと負荷との間でのリレー接続を行うことにより、急激に燃料電池スタックからの電力取り出しが開始されることはなく、燃料電池スタックと負荷との接続をダイオードを介して行うことが可能となる。これにより、燃料電池スタックからの電力取り出しを開始することが可能となる。したがって、本発明に係る燃料電池システムによれば、簡略な制御であるにもかかわらず、燃料電池スタックと負荷との接続時における電圧変換手段との電圧不一致による過電流の発生を防止することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0017】
[燃料電池システムの構成]
本発明は、例えば図1や図2に示すように構成された燃料電池システムに適用される。この燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、当該車両の駆動源となる電力を発生させるものである。
【0018】
この燃料電池システムは、図1に示すように、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスが供給される空気極1aと燃料ガスが供給される水素極1bとを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック1による発電は、水素極1bにて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン(H+)が高分子電解質膜を通過して空気極1aに到達し、この水素イオンが空気極1aにて酸素と結合して水(HO)を生成することによって行われる。
【0019】
また、燃料電池システムは、各部の動作を制御して燃料電池スタック1の発電反応を制御するコントローラ11を備える。このコントローラ11は、例えば図示しないROM(Read Only Memory)等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷に対して電力供給を行う一連の処理手順を記述した燃料電池起動プログラムを格納し、当該燃料電池起動プログラムを図示しないCPU(Central Processing Unit)等によって実行することにより、後述の各部を制御する。
【0020】
この燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスとしての空気は、例えばコンプレッサモータによって駆動されて外気を取り込むエアコンプレッサといった空気供給系2から圧送されることで、燃料電池スタック1に供給される。このとき、コントローラ11は、外部からの燃料電池スタック1の発電要求に応じて、空気供給系2におけるエアコンプレッサの駆動量を制御し、空気流量及び空気圧力を制御する。そして、空気は、燃料電池スタック1の発電反応に使用され、余剰分が燃料電池スタック1から排出される。
【0021】
また、燃料電池システムにおいては、空気極1aからの排気用の配管上に空気調圧弁4が備えられる。コントローラ11は、空気極1aの入り口付近に設けられた圧力センサ3からのセンサ信号を読み込み、この値に応じて、空気極1aにおける空気圧力を発電要求に応じた圧力とするように、空気調圧弁4の開度を制御する。
【0022】
一方、燃料ガスは、例えば高圧水素貯蔵タンク等の水素供給系5に蓄積され、コントローラ11の制御のもとに、水素調圧弁6によって圧力調整されて燃料電池スタック1に供給される。このとき、コントローラ11は、水素極1bの入り口付近に設けられた圧力センサ8からのセンサ信号を読み込み、この値に応じて、水素極1bにおける水素圧力を発電要求に応じた圧力とするように、水素調圧弁6の開度を制御し、燃料ガス流量及び燃料ガス圧力を制御する。そして、燃料ガスは、空気と共に燃料電池スタック1の発電反応に使用され、余剰分が燃料電池スタック1から排出される。
【0023】
また、燃料電池システムにおいては、水素極1bからの排気用の配管上に、パージ弁9が備えられる。水素極1bから排出された燃料ガスは、通常、パージ弁9が閉じられていることにより、パージ弁9の上流に接続された還流用配管10を介して、水素調圧弁6の下流側に設けられたイジェクタ7に供給され、ここで水素貯蔵タンク2からの燃料ガスと合流されて再度燃料電池スタック1に供給される。これは、セル電圧の安定化を図る目的で水素のストイキ比(供給流量/消費流量)を1以上とするために、消費しきれなかった燃料ガスを再度水素極1bに供給するためである。コントローラ11は、例えば不純物による燃料電池スタック1の水つまり等に起因したセル電圧の低下を検知すると、パージ弁9を開放し、水素と共に水分を排出させる。
【0024】
つぎに、このようなガス系を構成する燃料電池システムの電気系の構成について説明する。
【0025】
燃料電池システムは、図2に示すように、駆動モータ21を駆動するに際して、補機類22及び弱電補機類23を駆動し、燃料電池スタック1に発電反応をさせ、燃料電池スタック1にて発電した電力をリレーボックス24及びインバータ25を介して駆動モータ21に供給する。
【0026】
補機類22は、燃料電池スタック1の発電や車両の運転に必要な各種機器であり、例えば上述した空気供給系2におけるコンプレッサモータ等が含まれる。この補機類22は、燃料電池スタック1および高電圧用バッテリ26から高圧用DC/DCコンバータ27を介して供給される電力により駆動される。
【0027】
高電圧用バッテリ26は、燃料電池スタック1によって発電された余剰電力及び燃料電池車両が減速する際の駆動モータ21による回生電力を蓄積するために設けられる。また、高電圧用バッテリ26は、駆動モータ21で消費される走行電力や補機類22等によって消費される補機電力を賄うのに十分な発電が燃料電池スタック1によって行われなかった場合には、放電して駆動モータ21や補機類22等に給電し、不足電力を補う。
【0028】
高圧用DC/DCコンバータ27は、燃料電池スタック1の電力供給先に電力を供給するために、高電圧用バッテリ26が発生する電力の直流電圧を燃料電池スタック1が発生する電力の直流電圧に昇圧する一方で、高電圧用バッテリ26を充電するために、燃料電池スタック1が発生する電力の直流電圧を高電圧用バッテリ26が発生する電力の直流電圧に降圧するものである。このとき、高圧用DC/DCコンバータ27は、スタック用DC/DCコンバータ24からインバータ25までの間における電圧がコントローラ11から与えられた指令電圧となるように、電圧センサ28の値に基づいて高電圧用バッテリ26に対する充電又は放電を行うことにより、電圧を制御する。
【0029】
ここで、この高圧用DC/DCコンバータ27の動作を具体的に説明するために、燃料電池スタック1の電流対電圧(電力)特性を表すと、例えば図3に示すような傾向が得られる。すなわち、燃料電池1の電圧は、図3中の曲線aに示すように、燃料電池スタック1の電流が増加するのにともない、所定の開放電圧V0から急激に下降した後、略一定の値をとり、所定の電流値以上になるとさらに急激に下降する、といった特性を有する。また、燃料電池1の電力は、図3中の曲線bに示すように、燃料電池スタック1の電流が増加するのにともない、単調に増加するといった特性を有する。したがって、図3から、燃料電池システムにおいては、例えば燃料電池スタック1から20kWの電力を出力させたい場合には、コントローラ11の制御のもとに、高圧用DC/DCコンバータ27に対して300Vを指示すればよいことがわかる。このとき、駆動モータ21の消費電力が30kWであった場合には、高圧用DC/DCコンバータ27は、スタック用DC/DCコンバータ24からインバータ25までの間における電圧を300Vにするため、コントローラ11の制御のもとに、高電圧用バッテリ26に対して10kWの電力を放電するように制御することになる。
【0030】
リレーボックス24は、燃料電池スタック1から駆動モータ21への電力供給ラインに接続されている。このリレーボックス24には、コントローラ11の制御のもとにオン/オフ動作することによって燃料電池スタック1と駆動モータ21とを接続又は遮断するリレー24aが設けられる。また、このリレーボックス24には、駆動モータ21から燃料電池スタック1への電流の流入を防止するために、ダイオード24bが、リレー24aと高圧用DC/DCコンバータ27の接続部との間に位置して一体に設けられる。
【0031】
インバータ25は、燃料電池スタック1から供給される直流電力を交流に変換し、変換して得られた電力を駆動モータ21に供給することにより、駆動モータ21の制御を行う。このとき、インバータ25は、駆動モータ21がコントローラ11から与えられる指令トルクを発生するように、駆動モータ21を制御する。また、インバータ25には、後述するように、高圧用DC/DCコンバータ27の応答と補機類22の消費電力変動との誤差を吸収するために、例えばコンデンサ25aが内部に設けられる。
【0032】
電圧センサ28は、リレーボックス24からインバータ25までの間における電圧を測定する。この電圧センサ28によって測定された電圧値は、上述したように、高圧用DC/DCコンバータ27による電圧変換のために行われる高電圧用バッテリ26の制御に用いられる。
【0033】
弱電補機類23は、例えば14V系といった弱電の補機類からなり、スタック用高圧用DC/DCコンバータ27とインバータ25との間に、低電圧用DC/DCコンバータ29を介して接続される。
【0034】
低電圧用DC/DCコンバータ29は、低電圧用バッテリ30を充電するために、燃料電池スタック1が発生する電力の直流電圧を低電圧用バッテリ30が発生する電力の直流電圧に降圧するものであり、コントローラ11の制御のもとに、例えば200Vといった強電を14Vに変換し、降圧した電力を弱電補機類23及び低電圧用バッテリ30に供給する。
【0035】
低電圧用バッテリ30は、例えば14V系といった弱電用の二次電池であり、弱電補機類23と低電圧用DC/DCコンバータ29との間に接続される。低電圧用バッテリ30は、弱電補機類23によって消費される補機電力を賄うのに十分な発電が燃料電池スタック1によって行われなかった場合には、放電して弱電補機類23に給電し、不足電力を補う。
【0036】
このような各部を備える燃料電池システムは、以下に示す動作を行うことにより、高圧用DC/DCコンバータ27への指令電圧を制御する。
【0037】
[燃料電池システムの起動制御処理]
つぎに、上述した燃料電池システムを起動させるに際して、コントローラ11により実行する起動制御処理について図4を参照して説明する。
【0038】
コントローラ11では、図4に示すように、図示しない開始スイッチがオン状態にされると、ステップS1において、リレーボックス24におけるリレー24aをオフ状態として燃料電池スタック1と駆動モータ21とを遮断した状態で、高圧用DC/DCコンバータ27の起動を開始する。このとき、コントローラ11は、高圧用DC/DCコンバータ27への指令電圧として、燃料電池スタック1の開放電圧よりも小さく、且つ、補機類22における各補機の作動可能な下限電圧よりは大きい値を指令する。
【0039】
続いて、ステップS2においては、コントローラ11により、高圧用DC/DCコンバータ27の起動が完了したか否かを判定する。この判定は、例えば、ステップS1にて指令した電圧と、電圧センサ28によって測定された実電圧との差分が、所定値以内であるか否かに基づいて行われる。コントローラ11は、高圧用DC/DCコンバータ27の起動が完了していないと判定した場合には、高圧用DC/DCコンバータ27の起動が完了したと判定するまでステップS2の処理を繰り返す。
【0040】
一方、コントローラ11は、ステップS2にて高圧用DC/DCコンバータ27の起動が完了したものと判定した場合には、ステップS3へと処理を移行し、燃料電池スタック1の発電に必要な補機類22の作動を開始する。具体的には、燃料電池システムにおいては、例えば、燃料電池スタック1に空気を供給するコンプレッサモータや、燃料電池スタック1に冷却水を循環させるための水ポンプ等の作動が開始される。
【0041】
続いて、ステップS4においては、コントローラ11により、ステップS3における補機類22の作動開始から、例えば数秒乃至数十秒といった所定時間だけ経過したか否かを判定する。この所定時間は、補機類22が運転を開始して消費電力が十分に安定する時間を予め測定しておき、この時間を設定するのが望ましい。コントローラ11は、補機類22の作動開始から所定時間だけ経過していないと判定した場合には、所定時間だけ経過したと判定するまでステップS4の処理を繰り返す。
【0042】
一方、コントローラ11は、ステップS4にて補機類22の作動開始から所定時間だけ経過したと判定した場合には、ステップS5へと処理を移行し、燃料電池スタック1の電圧、すなわち、開放電圧が、所定値以上であるか否かを判定する。コントローラ11は、燃料電池スタック1の電圧が所定値よりも小さいと判定した場合には、所定値以上であると判定するまでステップS5の処理を繰り返す。
【0043】
コントローラ11は、ステップS5にて燃料電池スタック1の電圧が所定値以上であると判定した場合には、ステップS6においては、高圧用DC/DCコンバータ27への指令電圧を、燃料電池スタック1の開放電圧近辺、すなわち、ステップS5における所定値+αに相当する電圧値まで上昇させる。
【0044】
続いて、テップS7においては、コントローラ11により、ステップS6にて指令した指令電圧(所定値+α)と、電圧センサ28によって測定された実電圧との差分である偏差が、所定偏差以内であるか否かを判定する。コントローラ11は、偏差が所定偏差よりも大きいと判定した場合には、所定偏差以内であると判定するまでステップS7の処理を繰り返す。
【0045】
そして、コントローラ11は、ステップS7にて偏差が所定偏差以内であるものと判定した場合には、ステップS8においては、リレー24aをオン状態とし、燃料電池スタック1と駆動モータ21とを接続する。
【0046】
燃料電池システムは、このような一連の工程を経ることにより、起動を完了する。
【0047】
燃料電池システムは、このようにしてリレー24aがオン状態とされた後には、コントローラ11の制御のもとに、高圧用DC/DCコンバータ27の出力電圧が燃料電池スタック1の出力電圧よりも小さくなるように、高圧用DC/DCコンバータ27への指令電圧を徐々に変化させていく。したがって、燃料電池システムは、ダイオード24bの作用により、燃料電池スタック1から駆動モータ21への電力供給を滑らかに開始することができる。
【0048】
ここで、燃料電池システムにおいては、ステップS5にてコントローラ11による高圧用DC/DCコンバータ27への指令電圧を燃料電池スタック1の開放電圧近辺まで上昇させる前に、コントローラ11の制御のもとに、降圧専用の低電圧用DC/DCコンバータ29の動作を停止させ、その後、ステップS8にてリレー24aをオン状態とするまでの間は、弱電補機類23の電力を、低電圧用バッテリ30のみから供給するようにする。
【0049】
これにより、燃料電池システムは、リレーボックス24からインバータ25までの間における各部によって構成される強電系にかかる電力変動を抑制することができ、結果として、リレーボックス24からインバータ25までの間における最大電圧を低下させることができる。
【0050】
なお、燃料電池システムにおいては、ステップS4においては、補機類22の消費電力の安定の是非を、補機類22の作動開始からの経過時間を用いて推定しているが、補機類22の消費電力の安定の是非を推定する手法としては、例えば、所定の電力変動検出手段により、高電圧用バッテリ26の電圧及び電流から電力を演算し、その電力の変動が所定値以内であるものと判定した場合にステップS5へと処理を移行する、といった手法を用いることもできる。
【0051】
燃料電池システムにおいては、この手法を用いることにより、より正確に補機類22の消費電力が安定した旨を検出することができることから、安定した旨が検出されれば直ちに以後の工程へと処理を移行することができ、起動時間を必要最小限とすることができる。
【0052】
[実施形態の効果]
上述した燃料電池システムにおいては、図5(a)に補機類22の消費電力の時間変化を示すように、起動時には、補機類22の消費電力が安定せずに大きく変動する。なお、ここでは、補機類22として、エアコンプレッサと水ポンプとを取り上げ、エアコンプレッサの消費電力特性を曲線aで示し、水ポンプの消費電力特性を曲線bで示している。これらの特性から、燃料電池システムにおいては、高圧用DC/DCコンバータ27の起動時刻をT1とし、水素の供給が開始される時刻をT2とすると、時刻T2の直後から、エアコンプレッサ及び水ポンプともに、消費電力が大きく変動する。ここで、燃料電池システムにおいては、上述したように、補機類22の消費電力変動に対する高圧用DC/DCコンバータ27の応答遅れに起因する僅かな誤差を吸収するための対策としては、通常は、インバータ25の内部に設けられたコンデンサ25aのみとなる。
【0053】
したがって、図5(b)の曲線cに本発明との比較例としての電圧の時間変化を示すように、補機類22の消費電力変動に対する高圧用DC/DCコンバータ27の応答遅れに起因する僅かな誤差により、高圧用DC/DCコンバータ27からインバータ25までの間における電圧が大きく変動することになる。
【0054】
なお、この比較例は、図5(b)中の電圧レベルdに示すように、起動時に、コントローラ11による高圧用DC/DCコンバータ27への指令電圧を、図5(b)中の曲線eで示す燃料電池スタック1の開放電圧よりも高い電圧に設定した場合である。
【0055】
このように、比較例においては、本来の作動電圧が高いことから、変動によって燃料電池スタック1の開放電圧を大きく超えてしまう場合も生じる。したがって、比較例においては、燃料電池スタック1の開放電圧を大きく超える電圧にも耐え得るために、例えばリレー24aやダイオード24bをはじめとする各種部品に高い耐電圧性が要求され、必然的にコストが高くなることになる。
【0056】
これに対して、上述の燃料電池システムにおいては、図5(b)中の曲線fに示すように、起動開始から補機類22の消費電力が安定するまでの間は、コントローラ11により、高圧用DC/DCコンバータ27への指令電圧を低く設定する。
【0057】
これにより、燃料電池システムにおいては、補機類22の消費電力変動時のリレーボックス24からインバータ25までの間における電圧が、図5(b)中の曲線gに示すように推移させることになり、この電圧が変動したとしても、その最大電圧を低下させることができる。この結果、燃料電池システムにおいては、例えばリレー24aやダイオード24bをはじめとする各種部品の耐電圧性を、燃料電池スタック1の開放電圧程度にまで下げることができ、コストの低減を図ることができる。
【0058】
また、上述の燃料電池システムにおいては、補機類22の消費電力が安定するまでの間、コントローラ11による高圧用DC/DCコンバータ27への指令電圧を低く設定した後には、コントローラ11による高圧用DC/DCコンバータ27への指令電圧を、燃料電池スタック1の開放電圧近辺に制御してから、燃料電池スタック1と駆動モータ21との間でリレー接続を行う。すなわち、燃料電池システムにおいては、図4中のステップS5及びステップS6にて述べた所定値(図5(b)中の電圧レベルh)の近辺電圧である所定値+α(図5(b)中の電圧レベルi)まで上昇させ、その後の時刻Tで、燃料電池スタック1と駆動モータ21との間でリレー接続を行う。
【0059】
したがって、燃料電池システムにおいては、急激に燃料電池スタック1からの電力取り出しが開始されることはなく、燃料電池スタック1と駆動モータ21との接続をダイオード24bを介して行うことにより、燃料電池スタック1からの電力取り出しを開始することが可能となり、簡略な制御であるにもかかわらず、燃料電池スタック1と駆動モータ21との接続時における高圧用DC/DCコンバータ27との電圧不一致による過電流の発生を防止することができる。
【0060】
さらに、燃料電池システムにおいては、補機類22の消費電力の安定の是非を、高電圧用バッテリ26の電力変動に基づいて行うこともでき、この場合には、より正確に補機類22の消費電力が安定した旨を検出することができるので、起動時間を短縮化することができる。
【0061】
さらにまた、燃料電池システムにおいては、リレー24aをオン状態とするまでの間は、弱電補機類23の電力を、低電圧用バッテリ30のみから供給することにより、リレーボックス24からインバータ25までの間における各部によって構成される強電系にかかる電力変動を抑制することができ、結果として、スタック用高圧用DC/DCコンバータ27からインバータ25までの間における最大電圧を低下させることができる。
【0062】
また、燃料電池システムにおいては、スタック用高圧用DC/DCコンバータ27におけるリレー24aがオン状態とされた後には、コントローラ11の制御のもとに、高圧用DC/DCコンバータ27の出力電圧が燃料電池スタック1の出力電圧よりも小さくなるように、指令電圧を徐々に変化させていくことにより、ダイオード24bの作用によって燃料電池スタック1から駆動モータ21への電力供給を滑らかに開始することができる。
【0063】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態として示す燃料電池システムのガス系の構成を示すブロック図である。
【図2】同燃料電池システムの電気系の構成を示すブロック図である。
【図3】同燃料電池システムにおける燃料電池スタックの電流対電圧(電力)特性例を表す図である。
【図4】同燃料電池システムにおけるDC/DCコンバータへの指令電圧を制御する際の一連の工程を示すフローチャートである。
【図5】同燃料電池システムにおける補機類の消費電力の時間変化と、電圧の時間変化とを示す図である。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
1a 空気極
1b 水素極
2 空気供給系
3 圧力センサ
4 空気調圧弁
5 水素供給系
6 水素調圧弁
7 イジェクタ
8 圧力センサ
9 パージ弁
10 還流用配管
11 コントローラ
21 駆動モータ
22 補機類
23 弱電補機類
24 リレーボックス
24a リレー
24b ダイオード
25 インバータ
25a コンデンサ
26 高電圧用バッテリ
27 高圧用DC/DCコンバータ
28 電圧センサ
29 低電圧用DC/DCコンバータ
30 低電圧用バッテリ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system mounted on, for example, a fuel cell vehicle to generate electric power for generating a driving force of the fuel cell vehicle.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a fuel gas containing a large amount of hydrogen has been supplied to a fuel electrode (hydrogen electrode) of a fuel cell, and air has been supplied to an air electrode, and the hydrogen and oxygen have been electrochemically reacted via an electrolyte membrane. 2. Description of the Related Art A fuel cell system that obtains generated power is known. Such fuel cell systems are expected to be put to practical use, for example, as power sources for vehicles, and research and development for practical use are being actively conducted.
[0003]
Such a fuel cell system is usually provided with a DC / DC (Direct Current to Direct Current) converter, and in order to supply power to a power supply destination of the fuel cell stack, a DC voltage of power generated by the secondary battery is supplied. To increase the DC voltage of the power generated by the fuel cell stack, while reducing the DC voltage of the power generated by the fuel cell stack to the DC voltage of the power generated by the secondary battery in order to charge the secondary battery Has been done.
[0004]
As such a fuel cell system, there is a technique in which a secondary battery is connected in parallel to a fuel cell stack via a DC / DC converter, and the fuel cell stack and the DC / DC converter are connected via a diode. It has been proposed (see Patent Document 1).
[0005]
In this fuel cell system, the target value of the output voltage during the step-up operation of the DC / DC converter is smaller than the value obtained by subtracting the value of the on-voltage of the diode from the value of the open voltage of the fuel cell stack, and Is set to a value larger than the output voltage of the fuel cell stack at the time of equilibrium when all the electric power necessary for starting the fuel cell is supplied from the fuel cell stack.
[0006]
As described above, this fuel cell system performs the connection between the fuel cell stack and the load through the diode, despite the simple control, by performing the connection between the fuel cell stack and the load via the diode. It is possible to prevent occurrence of overcurrent due to voltage mismatch with the converter.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-229943 A
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the fuel cell system described in Patent Document 1 described above, at the time of startup, the operation of the diode suppresses the extraction of power from the fuel cell stack, so that the target value of the output voltage of the DC / DC converter is set to the fuel cell. It is necessary to set a high voltage near the open voltage of the stack.
[0009]
Further, in this fuel cell system, if it is intended to completely suppress the extraction of power from the fuel cell stack at the time of startup, the target value of the output voltage of the DC / DC converter is set to a higher voltage than the open voltage of the fuel cell stack. Must be set. Therefore, in the fuel cell system, the operation of the accessories is started using such a high voltage.
[0010]
However, in the conventional fuel cell system, a small error caused by a response delay of the DC / DC converter with respect to fluctuations in the power consumption of the auxiliary devices during the start of the operation of the auxiliary devices while the power consumption is not stable is caused. However, there is a risk that the voltage may fluctuate greatly and greatly exceed the open voltage of the fuel cell stack.
[0011]
Therefore, in the conventional fuel cell system, in order to increase the resistance to the voltage greatly exceeding the open voltage of the fuel cell stack, for example, various parts including the diode are required to have high withstand voltage and high cost is required. There was a problem.
[0012]
In view of the above, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and it is possible to reduce the withstand voltage of various parts by lowering the maximum voltage when the power consumption of the auxiliary devices fluctuates, thereby reducing costs. It is intended to provide a fuel cell system capable of achieving the following.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, at the time of startup, the relay unit is operated so as to cut off the fuel cell stack and the load by the control of the control unit, and the voltage conversion unit controls the DC voltage from the fuel cell stack to the load. The command voltage is set to a value smaller than the open-circuit voltage of the fuel cell stack, the accessories are operated, and thereafter, the command voltage to the voltage conversion unit is controlled to be close to the open-circuit voltage of the fuel cell stack, and then the relay unit is connected. This solves the above-mentioned problem.
[0014]
【The invention's effect】
According to the fuel cell system of the present invention, at the time of startup, by setting the command voltage to the voltage conversion means to be low, it is possible to reduce the maximum voltage when the power consumption of the auxiliary devices fluctuates. The withstand voltage of the component can be reduced, and the cost can be reduced.
[0015]
Also, according to the fuel cell system of the present invention, the relay connection between the fuel cell stack and the load is performed after controlling the command voltage to the voltage conversion means to around the open voltage of the fuel cell stack. As a result, the electric power is not suddenly started to be taken out from the fuel cell stack, and the connection between the fuel cell stack and the load can be performed via the diode. This makes it possible to start taking out power from the fuel cell stack. Therefore, according to the fuel cell system of the present invention, it is possible to prevent the occurrence of an overcurrent due to a voltage mismatch between the voltage converting unit and the fuel cell stack when the fuel cell stack is connected to the load, despite the simple control. it can.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
[Configuration of fuel cell system]
The present invention is applied to a fuel cell system configured as shown in FIGS. 1 and 2, for example. This fuel cell system is mounted on, for example, a vehicle and generates electric power serving as a drive source of the vehicle.
[0018]
As shown in FIG. 1, this fuel cell system includes a fuel cell stack 1 that generates power by supplying a fuel gas containing a large amount of hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen for generating a power generation reaction. In this fuel cell stack 1, a fuel cell structure in which an air electrode 1a to which an oxidizing gas is supplied and a hydrogen electrode 1b to which a fuel gas is supplied is sandwiched by a separator with a solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween. It is configured by stacking a plurality of cell structures. That is, in the power generation by the fuel cell stack 1, in the hydrogen electrode 1b, hydrogen emits electrons and is ionized, and the generated hydrogen ions (H +) pass through the polymer electrolyte membrane and reach the air electrode 1a. The hydrogen ions combine with oxygen at the air electrode 1a to form water (H 2 O).
[0019]
Further, the fuel cell system includes a controller 11 that controls the operation of each unit to control the power generation reaction of the fuel cell stack 1. The controller 11 stores a fuel cell start-up program describing a series of processing procedures for starting up the fuel cell system and supplying power to a load in a storage unit such as a ROM (Read Only Memory) not shown, By executing the fuel cell start-up program by a CPU (Central Processing Unit) (not shown) or the like, each unit described later is controlled.
[0020]
In this fuel cell system, air as an oxidant gas is supplied to the fuel cell stack 1 by being pumped from an air supply system 2 such as an air compressor driven by a compressor motor to take in outside air. At this time, the controller 11 controls the driving amount of the air compressor in the air supply system 2 in response to a power generation request from the fuel cell stack 1 from the outside, and controls the air flow rate and the air pressure. Then, the air is used for the power generation reaction of the fuel cell stack 1, and a surplus is discharged from the fuel cell stack 1.
[0021]
In the fuel cell system, an air pressure regulating valve 4 is provided on a pipe for exhaust from the air electrode 1a. The controller 11 reads a sensor signal from the pressure sensor 3 provided near the entrance of the air electrode 1a, and adjusts the air pressure at the air electrode 1a according to this value so that the air pressure at the air electrode 1a becomes a pressure corresponding to the power generation request. The opening of the pressure valve 4 is controlled.
[0022]
On the other hand, the fuel gas is accumulated in a hydrogen supply system 5 such as a high-pressure hydrogen storage tank, and the pressure is adjusted by a hydrogen pressure regulating valve 6 under the control of a controller 11 to be supplied to the fuel cell stack 1. At this time, the controller 11 reads a sensor signal from the pressure sensor 8 provided near the entrance of the hydrogen electrode 1b, and according to this value, sets the hydrogen pressure at the hydrogen electrode 1b to a pressure according to the power generation request. The opening degree of the hydrogen pressure regulating valve 6 is controlled to control the fuel gas flow rate and the fuel gas pressure. The fuel gas is used together with the air for the power generation reaction of the fuel cell stack 1, and the surplus is discharged from the fuel cell stack 1.
[0023]
In the fuel cell system, a purge valve 9 is provided on a pipe for exhaust from the hydrogen electrode 1b. Normally, the fuel gas discharged from the hydrogen electrode 1b is provided on the downstream side of the hydrogen pressure regulating valve 6 through the recirculation pipe 10 connected upstream of the purge valve 9 when the purge valve 9 is closed. The ejected fuel is supplied to the ejector 7, where it is combined with the fuel gas from the hydrogen storage tank 2 and supplied again to the fuel cell stack 1. This is to supply the unconsumed fuel gas to the hydrogen electrode 1b again in order to set the stoichiometric ratio of hydrogen (supply flow rate / consumption flow rate) to 1 or more for the purpose of stabilizing the cell voltage. When detecting a decrease in cell voltage due to, for example, water in the fuel cell stack 1 due to impurities, the controller 11 opens the purge valve 9 to discharge moisture along with hydrogen.
[0024]
Next, the configuration of the electric system of the fuel cell system constituting such a gas system will be described.
[0025]
As shown in FIG. 2, when driving the drive motor 21, the fuel cell system drives the auxiliary devices 22 and the weak electric auxiliary devices 23 to cause the fuel cell stack 1 to perform a power generation reaction. The generated power is supplied to the drive motor 21 via the relay box 24 and the inverter 25.
[0026]
The accessories 22 are various devices necessary for power generation of the fuel cell stack 1 and operation of the vehicle, and include, for example, the compressor motor in the air supply system 2 described above. The accessories 22 are driven by electric power supplied from the fuel cell stack 1 and the high-voltage battery 26 via the high-voltage DC / DC converter 27.
[0027]
The high-voltage battery 26 is provided to accumulate surplus power generated by the fuel cell stack 1 and regenerative power by the drive motor 21 when the fuel cell vehicle decelerates. The high-voltage battery 26 is used when the fuel cell stack 1 does not generate enough power to cover the traveling power consumed by the drive motor 21 and the auxiliary power consumed by the auxiliary equipment 22 and the like. Discharges and supplies power to the drive motor 21 and the auxiliary devices 22 to compensate for the insufficient power.
[0028]
The high-voltage DC / DC converter 27 converts the DC voltage of the power generated by the high-voltage battery 26 into the DC voltage of the power generated by the fuel cell stack 1 in order to supply power to the power supply destination of the fuel cell stack 1. In order to charge the high-voltage battery 26 while increasing the voltage, the DC voltage of the power generated by the fuel cell stack 1 is reduced to the DC voltage of the power generated by the high-voltage battery 26. At this time, the high-voltage DC / DC converter 27 sets the high voltage based on the value of the voltage sensor 28 such that the voltage between the stack DC / DC converter 24 and the inverter 25 becomes the command voltage given from the controller 11. The voltage is controlled by charging or discharging the voltage battery 26.
[0029]
Here, in order to specifically describe the operation of the high-voltage DC / DC converter 27, if a current-voltage (power) characteristic of the fuel cell stack 1 is expressed, for example, a tendency shown in FIG. 3 is obtained. That is, as shown by a curve a in FIG. 3, as the current of the fuel cell stack 1 increases, the voltage of the fuel cell 1 rapidly drops from a predetermined open voltage V0, and then becomes a substantially constant value. In particular, when the current value exceeds a predetermined current value, the current value drops sharply. Further, as shown by a curve b in FIG. 3, the electric power of the fuel cell 1 has a characteristic that it monotonically increases as the current of the fuel cell stack 1 increases. Therefore, from FIG. 3, in the fuel cell system, for example, when it is desired to output 20 kW of power from the fuel cell stack 1, 300 V is supplied to the high-voltage DC / DC converter 27 under the control of the controller 11. It is understood that it is sufficient to instruct. At this time, if the power consumption of the drive motor 21 is 30 kW, the high-voltage DC / DC converter 27 sets the voltage between the stack DC / DC converter 24 and the inverter 25 to 300 V. Is controlled so as to discharge 10 kW of power to the high-voltage battery 26.
[0030]
The relay box 24 is connected to a power supply line from the fuel cell stack 1 to the drive motor 21. The relay box 24 is provided with a relay 24a that connects or disconnects the fuel cell stack 1 and the drive motor 21 by performing an on / off operation under the control of the controller 11. In order to prevent current from flowing from the drive motor 21 to the fuel cell stack 1, a diode 24 b is provided in the relay box 24 between the relay 24 a and the connection part of the high-voltage DC / DC converter 27. And are provided integrally.
[0031]
The inverter 25 controls the drive motor 21 by converting DC power supplied from the fuel cell stack 1 into AC and supplying the converted power to the drive motor 21. At this time, the inverter 25 controls the drive motor 21 so that the drive motor 21 generates a command torque given from the controller 11. As will be described later, the inverter 25 is provided with, for example, a capacitor 25a in order to absorb an error between a response of the high-voltage DC / DC converter 27 and a fluctuation in power consumption of the accessories 22.
[0032]
The voltage sensor 28 measures a voltage between the relay box 24 and the inverter 25. The voltage value measured by the voltage sensor 28 is used for controlling the high-voltage battery 26 for voltage conversion by the high-voltage DC / DC converter 27, as described above.
[0033]
The low-voltage auxiliary devices 23 include low-voltage auxiliary devices such as a 14 V system, and are connected between the high-voltage DC / DC converter 27 for the stack and the inverter 25 via the low-voltage DC / DC converter 29. .
[0034]
The low-voltage DC / DC converter 29 reduces the DC voltage of the power generated by the fuel cell stack 1 to the DC voltage of the power generated by the low-voltage battery 30 in order to charge the low-voltage battery 30. Yes, under the control of the controller 11, converts a high voltage of, for example, 200V to 14V, and supplies the stepped-down power to the lightly-powered auxiliary equipment 23 and the low-voltage battery 30.
[0035]
The low-voltage battery 30 is, for example, a low-voltage secondary battery such as a 14 V system, and is connected between the low-voltage auxiliary equipment 23 and the low-voltage DC / DC converter 29. When the fuel cell stack 1 does not generate enough power to supply the auxiliary power consumed by the weak electrical accessories 23, the low voltage battery 30 discharges and supplies power to the weak electrical accessories 23. And make up for the lack of power.
[0036]
The fuel cell system including such components controls the command voltage to the high-voltage DC / DC converter 27 by performing the following operations.
[0037]
[Startup control process of fuel cell system]
Next, an activation control process executed by the controller 11 when the above-described fuel cell system is activated will be described with reference to FIG.
[0038]
In the controller 11, as shown in FIG. 4, when a start switch (not shown) is turned on, in step S1, the relay 24a in the relay box 24 is turned off to shut off the fuel cell stack 1 and the drive motor 21. Then, the activation of the high-voltage DC / DC converter 27 is started. At this time, the controller 11 sets the command voltage to the high-voltage DC / DC converter 27 to be lower than the open-circuit voltage of the fuel cell stack 1 and higher than the lower limit voltage at which the accessories in the accessories 22 can operate. Specify the value.
[0039]
Subsequently, in step S2, the controller 11 determines whether the activation of the high-voltage DC / DC converter 27 has been completed. This determination is made, for example, based on whether the difference between the voltage commanded in step S1 and the actual voltage measured by the voltage sensor 28 is within a predetermined value. If the controller 11 determines that the activation of the high-voltage DC / DC converter 27 has not been completed, the controller 11 repeats the process of step S2 until it determines that the activation of the high-voltage DC / DC converter 27 has been completed.
[0040]
On the other hand, if the controller 11 determines in step S2 that the activation of the high-voltage DC / DC converter 27 has been completed, the controller 11 shifts the processing to step S3, where the auxiliary equipment necessary for the power generation of the fuel cell stack 1 is performed. The operation of class 22 is started. Specifically, in the fuel cell system, for example, the operation of a compressor motor for supplying air to the fuel cell stack 1 and a water pump for circulating cooling water through the fuel cell stack 1 are started.
[0041]
Subsequently, in step S4, the controller 11 determines whether a predetermined time, for example, several seconds to several tens of seconds has elapsed from the start of the operation of the accessories 22 in step S3. As the predetermined time, it is desirable to measure in advance the time when the auxiliary equipment 22 starts operating and the power consumption is sufficiently stabilized, and set this time. If the controller 11 determines that the predetermined time has not elapsed from the start of the operation of the auxiliary devices 22, the controller 11 repeats the process of step S4 until it determines that the predetermined time has elapsed.
[0042]
On the other hand, if the controller 11 determines in step S4 that the predetermined time has elapsed from the start of the operation of the accessories 22, the process proceeds to step S5, and the voltage of the fuel cell stack 1, that is, the open voltage Is greater than or equal to a predetermined value. When the controller 11 determines that the voltage of the fuel cell stack 1 is lower than the predetermined value, the controller 11 repeats the process of step S5 until it determines that the voltage is higher than the predetermined value.
[0043]
If the controller 11 determines in step S5 that the voltage of the fuel cell stack 1 is equal to or higher than the predetermined value, in step S6, the controller 11 sends the command voltage to the high-voltage DC / DC converter 27 to the fuel cell stack 1 The voltage is increased to a value near the open voltage, that is, a voltage value corresponding to the predetermined value + α in step S5.
[0044]
Subsequently, in step S7, the controller 11 determines whether the deviation between the command voltage (predetermined value + α) commanded in step S6 and the actual voltage measured by the voltage sensor 28 is within the predetermined deviation. Determine whether or not. If the controller 11 determines that the deviation is larger than the predetermined deviation, the controller 11 repeats the process of step S7 until it determines that the deviation is within the predetermined deviation.
[0045]
If the controller 11 determines in step S7 that the deviation is within the predetermined deviation, the controller 11 turns on the relay 24a and connects the fuel cell stack 1 and the drive motor 21 in step S8.
[0046]
The fuel cell system completes startup by going through such a series of steps.
[0047]
After the relay 24 a is turned on in this manner, the output voltage of the high-voltage DC / DC converter 27 is lower than the output voltage of the fuel cell stack 1 under the control of the controller 11. Thus, the command voltage to the high-voltage DC / DC converter 27 is gradually changed. Therefore, the fuel cell system can smoothly start supplying power from the fuel cell stack 1 to the drive motor 21 by the action of the diode 24b.
[0048]
Here, in the fuel cell system, before the command voltage to the high-voltage DC / DC converter 27 by the controller 11 is increased to near the open voltage of the fuel cell stack 1 in step S5, under the control of the controller 11 Then, the operation of the low-voltage DC / DC converter 29 dedicated to step-down is stopped, and thereafter, until the relay 24a is turned on in step S8, the power of the low-voltage auxiliary equipment 23 is reduced to the low-voltage battery 30. Only supply from.
[0049]
This allows the fuel cell system to suppress power fluctuations on the high-power system formed by each unit between the relay box 24 and the inverter 25. As a result, the maximum The voltage can be reduced.
[0050]
In the fuel cell system, in step S4, the necessity of stabilizing the power consumption of the accessories 22 is estimated using the elapsed time from the start of the operation of the accessories 22. As a method of estimating whether power consumption is stable or not, for example, a method in which predetermined power fluctuation detection means calculates power from the voltage and current of the high-voltage battery 26 and the power fluctuation is within a predetermined value When the determination is made, the method may shift to step S5.
[0051]
In the fuel cell system, it is possible to more accurately detect that the power consumption of the auxiliary equipment 22 has been stabilized by using this method. Can be shifted, and the start-up time can be minimized.
[0052]
[Effects of Embodiment]
In the above-described fuel cell system, as shown in FIG. 5 (a), the power consumption of the auxiliary equipment 22 varies over time without activation, as shown in FIG. Here, an air compressor and a water pump are taken as the auxiliary devices 22, and the power consumption characteristics of the air compressor are indicated by a curve a, and the power consumption characteristics of the water pump are indicated by a curve b. From these characteristics, in the fuel cell system, assuming that the activation time of the high-pressure DC / DC converter 27 is T1 and the time at which the supply of hydrogen is started is T2, immediately after the time T2, both the air compressor and the water pump are used. Power consumption fluctuates greatly. Here, in the fuel cell system, as described above, as a countermeasure for absorbing a slight error caused by a response delay of the high-voltage DC / DC converter 27 with respect to the fluctuation of the power consumption of the auxiliary equipment 22, usually, a measure is taken. , Only the capacitor 25 a provided inside the inverter 25.
[0053]
Therefore, as shown by a curve c in FIG. 5B showing a time change of the voltage as a comparative example with the present invention, it is caused by a response delay of the high-voltage DC / DC converter 27 with respect to the fluctuation of the power consumption of the accessories 22. Due to a slight error, the voltage between the high-voltage DC / DC converter 27 and the inverter 25 greatly fluctuates.
[0054]
In this comparative example, as shown by the voltage level d in FIG. 5B, at the time of startup, the command voltage to the high-voltage DC / DC converter 27 by the controller 11 is changed to a curve e in FIG. 5B. This is a case where the voltage is set to be higher than the open-circuit voltage of the fuel cell stack 1 indicated by.
[0055]
As described above, in the comparative example, since the original operating voltage is high, the open circuit voltage of the fuel cell stack 1 may greatly exceed due to the fluctuation. Therefore, in the comparative example, in order to be able to withstand a voltage that greatly exceeds the open-circuit voltage of the fuel cell stack 1, for example, various parts including the relay 24a and the diode 24b are required to have high withstand voltage, and the cost is inevitably reduced. Will be higher.
[0056]
On the other hand, in the above-described fuel cell system, as shown by a curve f in FIG. 5B, the controller 11 controls the high voltage from the start to the time when the power consumption of the accessories 22 is stabilized. Command voltage to the DC / DC converter 27 is set low.
[0057]
As a result, in the fuel cell system, the voltage between the relay box 24 and the inverter 25 when the power consumption of the accessories 22 fluctuates is changed as shown by a curve g in FIG. 5B. Even if this voltage fluctuates, the maximum voltage can be reduced. As a result, in the fuel cell system, the withstand voltage of various components including, for example, the relay 24a and the diode 24b can be reduced to about the open voltage of the fuel cell stack 1, and the cost can be reduced. .
[0058]
In the above-described fuel cell system, after the command voltage to the high-voltage DC / DC converter 27 by the controller 11 is set low until the power consumption of the auxiliary equipment 22 is stabilized, the high-voltage After the command voltage to the DC / DC converter 27 is controlled near the open voltage of the fuel cell stack 1, a relay connection is made between the fuel cell stack 1 and the drive motor 21. That is, in the fuel cell system, the predetermined value + α (in FIG. 5B), which is a voltage near the predetermined value (the voltage level h in FIG. 5B) described in steps S5 and S6 in FIG. At the voltage level i), and thereafter at time T 3 Then, a relay connection is made between the fuel cell stack 1 and the drive motor 21.
[0059]
Therefore, in the fuel cell system, the power is not suddenly started to be taken out of the fuel cell stack 1 and the connection between the fuel cell stack 1 and the drive motor 21 is made via the diode 24b. 1 can be started, and despite the simple control, the overcurrent caused by the voltage mismatch between the high-voltage DC / DC converter 27 and the connection between the fuel cell stack 1 and the drive motor 21 Can be prevented from occurring.
[0060]
Further, in the fuel cell system, the stability of the power consumption of the auxiliary equipment 22 can be determined based on the power fluctuation of the high-voltage battery 26. In this case, the power consumption of the auxiliary equipment 22 can be more accurately determined. Since it is possible to detect that the power consumption is stable, the startup time can be reduced.
[0061]
Furthermore, in the fuel cell system, until the relay 24a is turned on, the electric power of the weak electric auxiliary equipment 23 is supplied only from the low-voltage battery 30 so that the electric power from the relay box 24 to the inverter 25 is maintained. It is possible to suppress power fluctuations applied to the high-power system constituted by the respective sections between them, and as a result, it is possible to reduce the maximum voltage between the high-voltage DC / DC converter for stack 27 and the inverter 25.
[0062]
Further, in the fuel cell system, after the relay 24a of the high voltage DC / DC converter 27 for the stack is turned on, the output voltage of the high voltage DC / DC converter 27 is controlled under the control of the controller 11. By gradually changing the command voltage so as to be lower than the output voltage of the battery stack 1, the power supply from the fuel cell stack 1 to the drive motor 21 can be started smoothly by the action of the diode 24b. .
[0063]
The above embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and even if it is in a form other than this embodiment, as long as it does not deviate from the technical idea according to the present invention, Of course, various changes are possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a gas system of a fuel cell system shown as an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of an electric system of the fuel cell system.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of current-voltage (power) characteristics of a fuel cell stack in the fuel cell system.
FIG. 4 is a flowchart showing a series of steps when controlling a command voltage to a DC / DC converter in the fuel cell system.
FIG. 5 is a diagram showing a change over time in power consumption of accessories and a change over time in voltage in the fuel cell system.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell stack
1a Air electrode
1b Hydrogen electrode
2 Air supply system
3 Pressure sensor
4 Air pressure regulating valve
5 Hydrogen supply system
6 Hydrogen pressure regulating valve
7 Ejector
8 Pressure sensor
9 Purge valve
10 Pipe for reflux
11 Controller
21 Drive motor
22 Auxiliary equipment
23 Light Electric Auxiliary Equipment
24 relay box
24a relay
24b diode
25 Inverter
25a capacitor
26 Battery for high voltage
27 DC / DC converter for high voltage
28 Voltage sensor
29 DC / DC Converter for Low Voltage
30 Battery for low voltage

Claims (4)

燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタックを起動するに際して補機類を駆動し、前記燃料電池スタックにて発電した電力を負荷に供給する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックから前記負荷までの間における直流電圧を制御する電圧変換手段と、
前記電圧変換手段を介して前記燃料電池スタックと並列に前記負荷及び前記補機類に接続される二次電池と、
前記燃料電池スタックと前記電圧変換手段の接続部との間に設けられ、前記燃料電池スタックと前記負荷とを接続又は遮断するリレー手段と、
前記リレー手段と前記接続部との間に設けられ、前記負荷から前記燃料電池スタックへの電流の流入を防止するダイオードと、
起動時には、前記リレー手段を遮断するとともに、前記電圧変換手段への指令電圧を、前記燃料電池スタックの開放電圧よりも小さな値として前記補機類を作動させ、その後前記電圧変換手段への指令電圧を、前記燃料電池スタックの開放電圧近辺に制御してから、前記リレー手段を接続させる制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell system that drives auxiliary equipment when starting a fuel cell stack that generates power using fuel gas and air, and supplies power generated by the fuel cell stack to a load,
Voltage conversion means for controlling a DC voltage between the fuel cell stack and the load,
A secondary battery connected to the load and the accessories in parallel with the fuel cell stack via the voltage conversion means;
Relay means provided between the fuel cell stack and the connection portion of the voltage conversion means, for connecting or disconnecting the fuel cell stack and the load,
A diode provided between the relay means and the connection portion, for preventing a current from flowing from the load to the fuel cell stack;
At the time of start-up, the relay unit is shut off, the command voltage to the voltage conversion unit is set to a value smaller than the open-circuit voltage of the fuel cell stack, the accessories are operated, and then the command voltage to the voltage conversion unit is turned on. And a control unit for connecting the relay unit after controlling the voltage around the open voltage of the fuel cell stack.
前記二次電池の電力変動を検出する電力変動検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記電力変動検出手段によって前記二次電池の電力変動が所定値以内であると判定した場合に、前記電圧変換手段への指令電圧を、前記燃料電池スタックの開放電圧近辺に制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
Further comprising a power fluctuation detecting means for detecting power fluctuation of the secondary battery,
The control means controls the command voltage to the voltage conversion means to be close to the open voltage of the fuel cell stack when the power fluctuation detection means determines that the power fluctuation of the secondary battery is within a predetermined value. The fuel cell system according to claim 1, wherein:
前記補機類よりも低い電圧で作動する弱電補機類と、
前記二次電池よりも低い電圧の弱電用二次電池と、
前記燃料電池スタックにて発電した電力の直流電圧を降圧し、前記弱電補機類及び前記弱電二次電池に供給する降圧用電圧変換手段とを備え、
前記制御手段は、起動時には、前記降圧用電圧変換手段の動作を停止させ、前記弱電補機類への電力供給を前記弱電用二次電池からのみとすること
を特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料電池システム。
Weak electric auxiliary machines operating at a lower voltage than the auxiliary machines;
A low-voltage secondary battery with a lower voltage than the secondary battery,
Step-down voltage conversion means for stepping down a DC voltage of electric power generated by the fuel cell stack and supplying the stepped-down power supply to the weak electric auxiliary devices and the weak electric secondary battery,
The control means stops the operation of the step-down voltage conversion means at the time of start-up, and supplies power to the weak electricity auxiliary devices only from the weak electricity secondary battery. Item 3. The fuel cell system according to Item 2.
前記制御手段は、前記リレー手段の接続後には、前記電圧変換手段の出力電圧が前記燃料電池スタックの出力電圧よりも小さくなるように、指令電圧を変化させることを特徴とする請求項1〜請求項3の何れかに記載の燃料電池システム。The control means changes a command voltage such that an output voltage of the voltage conversion means becomes lower than an output voltage of the fuel cell stack after connection of the relay means. Item 4. The fuel cell system according to any one of Items 3.
JP2002362563A 2002-12-13 2002-12-13 Fuel cell system Pending JP2004193063A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002362563A JP2004193063A (en) 2002-12-13 2002-12-13 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002362563A JP2004193063A (en) 2002-12-13 2002-12-13 Fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004193063A true JP2004193063A (en) 2004-07-08

Family

ID=32760976

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002362563A Pending JP2004193063A (en) 2002-12-13 2002-12-13 Fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004193063A (en)

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6953100B2 (en) * 2002-05-24 2005-10-11 Ballard Power Systems Ag Method and apparatus to regulate the supply of power to an electric drive using a hybrid energy supply system in a vehicle
JP2006286320A (en) * 2005-03-31 2006-10-19 Honda Motor Co Ltd Electric system of fuel cell, fuel cell vehicle and electric power supply method
JP2007226996A (en) * 2006-02-21 2007-09-06 Toyota Motor Corp Battery pack structure
KR100787245B1 (en) 2006-11-28 2007-12-21 (주)퓨얼셀 파워 Fuel cell system including reliable power distributor
US7456519B2 (en) 2004-07-29 2008-11-25 Hitachi, Ltd. Power conversion system
JP2008301558A (en) * 2007-05-29 2008-12-11 Fujitsu Ten Ltd Controller for fuel cell system and fuel cell system
US7527112B2 (en) 2005-03-31 2009-05-05 Honda Motor Co., Ltd. Electric system for fuel cell, fuel cell vehicle, and method of supplying electric power
JP2009110911A (en) * 2007-10-26 2009-05-21 Hyundai Motor Co Ltd Method of controlling sequence of fuel cell hybrid vehicle
JP2009224036A (en) * 2008-03-13 2009-10-01 Honda Motor Co Ltd Method of starting operation of fuel cell system
JP2010238544A (en) * 2009-03-31 2010-10-21 Toyota Motor Corp Fuel cell system and electric vehicle with the fuel cell system mounted
KR101619572B1 (en) 2013-12-18 2016-05-18 현대오트론 주식회사 Method of generating injected current for fuel cell stack and apparatus performing the same
CN110015204A (en) * 2017-07-28 2019-07-16 郑州宇通客车股份有限公司 A kind of electric power supply system of fuel cell and fuel cell system

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6953100B2 (en) * 2002-05-24 2005-10-11 Ballard Power Systems Ag Method and apparatus to regulate the supply of power to an electric drive using a hybrid energy supply system in a vehicle
US7456519B2 (en) 2004-07-29 2008-11-25 Hitachi, Ltd. Power conversion system
US8293414B2 (en) 2005-03-31 2012-10-23 Honda Motor Co., Ltd. Electric system for fuel cell, fuel cell vehicle, and method of supplying electric power
JP4555136B2 (en) * 2005-03-31 2010-09-29 本田技研工業株式会社 Fuel cell electrical system, fuel cell vehicle and power supply method
US7438984B2 (en) 2005-03-31 2008-10-21 Honda Motor Co., Ltd. Electric system for fuel cell, fuel cell vehicle, and method of supplying electric power
US7527112B2 (en) 2005-03-31 2009-05-05 Honda Motor Co., Ltd. Electric system for fuel cell, fuel cell vehicle, and method of supplying electric power
US8343676B2 (en) 2005-03-31 2013-01-01 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell vehicle, and method of supplying electric power
JP2006286320A (en) * 2005-03-31 2006-10-19 Honda Motor Co Ltd Electric system of fuel cell, fuel cell vehicle and electric power supply method
JP2007226996A (en) * 2006-02-21 2007-09-06 Toyota Motor Corp Battery pack structure
KR100787245B1 (en) 2006-11-28 2007-12-21 (주)퓨얼셀 파워 Fuel cell system including reliable power distributor
JP2008301558A (en) * 2007-05-29 2008-12-11 Fujitsu Ten Ltd Controller for fuel cell system and fuel cell system
JP2009110911A (en) * 2007-10-26 2009-05-21 Hyundai Motor Co Ltd Method of controlling sequence of fuel cell hybrid vehicle
JP2009224036A (en) * 2008-03-13 2009-10-01 Honda Motor Co Ltd Method of starting operation of fuel cell system
JP2010238544A (en) * 2009-03-31 2010-10-21 Toyota Motor Corp Fuel cell system and electric vehicle with the fuel cell system mounted
KR101619572B1 (en) 2013-12-18 2016-05-18 현대오트론 주식회사 Method of generating injected current for fuel cell stack and apparatus performing the same
CN110015204A (en) * 2017-07-28 2019-07-16 郑州宇通客车股份有限公司 A kind of electric power supply system of fuel cell and fuel cell system
CN110015204B (en) * 2017-07-28 2024-04-05 宇通客车股份有限公司 Fuel cell power supply system and fuel cell system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8691453B2 (en) Fuel cell system
JP4868251B2 (en) Fuel cell system, anode gas generation amount estimation device, and anode gas generation amount estimation method
KR100987736B1 (en) Fuel battery system
JP3832417B2 (en) Fuel cell system
KR100987738B1 (en) Fuel cell system and mobile object
JP4827023B2 (en) Fuel cell system
KR102551676B1 (en) External power supply system and supply method of fuel cell vehicle
JP6090468B2 (en) Fuel cell system
JP4993293B2 (en) Fuel cell system and moving body
WO2009096229A1 (en) Fuel battery system
KR20080056322A (en) Fuel cell system
JP2011146326A (en) Fuel cell system
JP2005174855A (en) Fuel cell system
KR101151750B1 (en) Fuel cell system
JP2005253270A (en) Control device for fuel cell vehicle
JP2004193063A (en) Fuel cell system
JP5294097B2 (en) Fuel cell system
JP4940569B2 (en) Fuel cell system
JP6053013B2 (en) Fuel cell system
JP2005216828A (en) Fuel cell system
US8999591B2 (en) Fuel cell system for preventing excessive power generation
JP2007149621A (en) Fuel cell system and control method at start of its operation
JP2006109650A (en) Vehicle control unit and vehicle control method
JP2011210512A (en) Fuel cell system
JP5110411B2 (en) Fuel cell system