JP2006351325A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a mobile generator such as a vehicle, a ship, and a portable generator. .
低温時に燃料電池を発電させようとした場合、自己の反応によって生じた生成水が凍結し、発電が停止する問題がある。このような問題を解決するために、燃料電池の外部に可変抵抗を備える燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、可変抵抗値を小さくすることで燃料電池を短絡させ、燃料電池の発電反応に伴う反応熱を増加させ、燃料電池を昇温させることを可能にしている。
しかしながら、短絡回路を用いて燃料電池の暖機運転を行う場合にも、燃料電池で発電するために燃料電池に空気（酸素）を供給する空気供給装置等の補機に電力供給する必要がある。通常、燃料電池車両は、２次電池を搭載しており、燃料電池の暖機運転中は２次電池から補機に電力供給することができる。 However, even when the fuel cell is warmed up using a short circuit, it is necessary to supply power to an auxiliary device such as an air supply device that supplies air (oxygen) to the fuel cell in order to generate power in the fuel cell. . Normally, a fuel cell vehicle is equipped with a secondary battery, and power can be supplied from the secondary battery to the auxiliary machine during the warm-up operation of the fuel cell.
しかし、低温環境下（例えば−２０℃以下）では２次電池の性能が低下し、２次電池から取り出せる電力も低下し、温度によってはほとんど電力が取り出せないこともある。そのため、２次電池の電力だけに依存する低温始動システムは、車両用として好ましくない。また、最近では２次電池の代わりにキャパシタを搭載する燃料電池車両も提案されているが、キャパシタも貯蔵できる電力は限られている。 However, in a low temperature environment (for example, −20 ° C. or lower), the performance of the secondary battery is lowered, the power that can be taken out from the secondary battery is also lowered, and depending on the temperature, almost no power can be taken out. Therefore, a cold start system that depends only on the power of the secondary battery is not preferable for a vehicle. Recently, a fuel cell vehicle in which a capacitor is mounted instead of a secondary battery has been proposed, but the power that can be stored in the capacitor is limited.
本発明は上記点に鑑み、低温環境下においても燃料電池を効率よく暖機することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of efficiently warming up a fuel cell even in a low temperature environment.
上記目的を達成するため、本発明は以下の各手段を採用している。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
本発明の第１の特徴は、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、燃料電池を発電させるための補機（２２）と、燃料電池の電流または電圧の少なくとも一方を制御し、燃料電池を所定の作動点で発電させる制御手段（１３、５０）とを備え、制御手段は、補機を作動させるために必要な電力が得られる燃料電池の作動点のうち電圧が低い方の作動点付近で燃料電池を発電させ、燃料電池の発電電力を補機に供給することである。 A first feature of the present invention is a fuel cell system including a fuel cell (10) that generates electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas, and an auxiliary device (22) for generating electric power from the fuel cell; And control means (13, 50) for controlling at least one of the current or voltage of the fuel cell and generating power at the predetermined operating point, and the control means has electric power necessary for operating the auxiliary machine. The fuel cell is caused to generate power in the vicinity of the operating point with the lower voltage among the operating points of the obtained fuel cell, and the generated power of the fuel cell is supplied to the auxiliary machine.
これにより、燃料電池からの電力供給により補機を作動させることができるので、２次電池から補機に電力供給する必要がなく、低温環境下においても燃料電池の暖機性を確保することができる。また、必要補機動力が得られる燃料電池の作動点のうち電圧が低い方の作動点付近で燃料電池を発電させることで、燃料電池の電圧を低下させて発電効率を低下させることができ、燃料電池の自己発熱量を増大させることができる。これにより、燃料電池の暖機運転を効率よく行うことができる。 As a result, since the auxiliary machine can be operated by supplying power from the fuel cell, it is not necessary to supply power from the secondary battery to the auxiliary machine, and the warm-up property of the fuel cell can be ensured even in a low temperature environment. it can. In addition, by generating the fuel cell near the lower operating point of the fuel cell operating point where the required auxiliary power can be obtained, the voltage of the fuel cell can be reduced and the power generation efficiency can be decreased, The self-heating amount of the fuel cell can be increased. Thereby, the warm-up operation of the fuel cell can be performed efficiently.
また、本発明の第２の特徴は、制御手段は、補機および走行用モータを作動させるために必要な電力が得られる燃料電池の作動点のうち電圧が低い方の作動点付近で燃料電池を発電させ、燃料電池の発電電力を補機および走行用モータに供給することである。このように、補機に加えて走行用モータの必要動力も考慮して燃料電池の作動点を決定することで、車両を走行させながら燃料電池の暖機を行うことができる。 Further, the second feature of the present invention is that the control means has a fuel cell near the operating point with the lower voltage among the operating points of the fuel cell that can obtain the power required to operate the auxiliary machine and the traveling motor. Is generated, and the power generated by the fuel cell is supplied to the auxiliary machine and the traveling motor. Thus, by determining the operating point of the fuel cell in consideration of the necessary power of the traveling motor in addition to the auxiliary machine, the fuel cell can be warmed up while the vehicle is traveling.
また、本発明の第３の特徴は、補機には、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段が少なくとも含まれていることである。これにより、燃料電池における発電を確保することができる。なお、水素ポンプにより燃料電池から排出される未反応水素を含むオフガスを燃料電池に再循環させる構成であれば、水素ポンプの動力も補機動力に含めることができる。さらに、２次電池に充電する必要があれば、その充電電力も必要補機動力として扱うことができる。 The third feature of the present invention is that the auxiliary machine includes at least oxidant gas supply means for supplying oxidant gas to the fuel cell. Thereby, the electric power generation in a fuel cell is securable. Note that the power of the hydrogen pump can be included in the auxiliary power as long as off gas containing unreacted hydrogen discharged from the fuel cell by the hydrogen pump is recirculated to the fuel cell. Furthermore, if it is necessary to charge the secondary battery, the charging power can also be handled as necessary auxiliary machine power.
また、本発明の第４の特徴は、制御手段は、燃料電池が出力可能な電流と電圧との関係である電流電圧特性を取得し、電流電圧特性から電圧が低い方の作動点を決定することである。 According to a fourth feature of the present invention, the control means acquires a current-voltage characteristic that is a relationship between a current and a voltage that can be output by the fuel cell, and determines an operating point with a lower voltage from the current-voltage characteristic. That is.
また、本発明の第５の特徴は、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、制御手段は、燃料電池の電流を制御するものであり、電圧検出手段にて検出した電圧が電圧が低い方の作動点に対応する電圧値を上回っている場合には、電流電圧特性を新たに取得し、新たに取得した電流電圧特性から電圧が低い方の作動点を決定することである。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided voltage detection means for detecting the voltage of the fuel cell, and the control means controls the current of the fuel cell, and the voltage detected by the voltage detection means is equal to the voltage. When the voltage value corresponding to the lower operating point is exceeded, the current-voltage characteristic is newly acquired, and the operating point with the lower voltage is determined from the newly acquired current-voltage characteristic.
これにより、昇温に伴って燃料電池の電流値が上昇した場合には、燃料電池の発電状態に応じた最適な作動点で暖機運転を行うことができ、燃料電池の暖機をより効率よく行うことができる。 As a result, when the current value of the fuel cell increases as the temperature rises, the warm-up operation can be performed at the optimum operating point according to the power generation state of the fuel cell, and the warm-up of the fuel cell is more efficient. Can be done well.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の一実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, the fuel cell system is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using the fuel cell as a power source.
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、走行用モータ１１、二次電池１２、補機２２等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell (FC stack) 10 that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The
燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
In the
（水素極側） Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側） ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数積層されて構成されている。各燃料電池セルは、電解質膜が一対のセパレータで挟まれた構成となっている。
(Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
In the present embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路３０ｂとが設けられている。
The fuel cell system includes an
空気供給経路２０ａには、空気圧送用の送風機２１が設けられている。この送風機２１は補機としての電動モータ２２によって駆動される。空気排出経路２０ｂには、空気排出経路２０ｂを開閉する空気排出経路開閉弁２４が設けられている。燃料電池１０に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁２４を開弁するとともに、電動モータ２２によって送風機２１を駆動する。補機としての電動モータ２２は、インバータ２３を介して二次電池１２と接続されている。電動モータ２２は、本発明の補機および酸化剤ガス供給手段に相当している。
The
空気供給経路２０ａと空気排出経路２０ｂには、加湿器２５が設けられている。この加湿器２５は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて送風機２１の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。
A
水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２、および水素供給経路３０ａを開閉する水素供給経路開閉弁３３が設けられている。水素排出経路３０ｂには、水素排出経路３０ｂを開閉する水素排出経路開閉弁３４が設けられている。
The
燃料電池１０に水素を供給する際には、水素供給経路開閉弁３３を開弁するとともに、水素調圧弁３２によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３４によって開閉される。水素排出経路３０ｂは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。
When supplying hydrogen to the
燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システムが設けられている。
The
冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファン４４を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、およびファン４４による風量制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。電動モータ４２は、図示を省略しているが、送風機用電動モータ２２と同様、インバータを介して二次電池１２と接続されている。
The cooling system includes a
また、冷却水経路４０における燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４５が設けられている。この温度センサ４５により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０の温度ＴFCを間接的に検出することができる。
Further, a
燃料電池１０と二次電池１２との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２、あるいは二次電池１２から燃料電池１０への、電力の流れをコントロールするものである。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と後述の制御部５０が本発明の制御手段に相当している。
The
燃料電池１０および二次電池１２と走行用モータ１１との間にインバータ１４が配置されている。このインバータ１４により、走行用モータ１１の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。
An
そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３とインバータ１４の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池１０からだけでなく二次電池１２からも走行用モータ１１に電力を供給することができる。また、燃料電池１０の発電時に余った電力や、走行用モータ１１によって回生された電力を、二次電池１２に蓄えることができる。
When the DC-
燃料電池システムには、燃料電池１０の電圧を検出する電圧センサ１５と、燃料電池１０の発電電流を検出する電流センサ１６が設けられている。さらに燃料電池システムには、燃料電池１０の両電極とＤＣ−ＤＣコンバータ１３とを結ぶ電流経路上に燃料電池１０と電力消費機器との間を電気的に開閉可能なスイッチ１７が設けられている。燃料電池１０の運転時にはスイッチ１７が接続された状態となり、燃料電池１０の停止時には、スイッチ１７が開放され、安全性確保のために燃料電池１０が絶縁された状態となる。
The fuel cell system is provided with a
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。本実施形態の制御部５０は、燃料電池１０の発電効率が変化した場合のＩ−Ｖ特性をマップとして予め用意し、このＩ−Ｖ特性マップをＲＯＭなどの記憶装置に格納している。
The fuel cell system is provided with a control unit (ECU) 50 that performs various controls. The
制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、電圧センサ１５からの電圧信号、温度センサ１６からの温度信号、電流センサ１６からの電流信号、温度センサ４５からの温度信号が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４、２３、電動モータ２２、空気排出経路開閉弁２３、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３、水素排出経路開閉弁３４、電動モータ４２、ファン４４等に制御信号を出力するように構成されている。
The
図２は、燃料電池１０、走行用モータ１１、２次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４の詳細を示す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing details of the
インバータ１４は３相の交流電圧を発生するインバータであり、走行用モータ１１に回転磁界を発生させることで走行用モータ１１の回転子を回転させ、その回転力を車輪に伝え車両を走行させるものである。本実施形態では、走行用モータ１１として３相交流モータを用いている。走行用モータ１１は、３個のモータコイル１１ａ〜１１ｃを有している。コイル１１ａ〜１１ｃは、各相のインピーダンスであり、抵抗成分とインダクタンス成分で構成される。
The
インバータ１４は、スイッチング素子１４ａ〜１４ｆとコンデンサ１４ｇを有している。スイッチング素子１４ａ〜１４ｆは、例えばＩＧＢＴを用いることができる。各スイッチング素子１４ａ〜１４ｆの近傍には、素子破壊防止用のダイオードが設けられている。各スイッチング素子１４ａ〜１４ｆのオンオフ制御は制御部５０によって行われる。
The
スイッチング素子１４ａ〜１４ｆは、第１スイッチング素子１４ａと第２スイッチング素子１４ｂとが直列接続され、第３スイッチング素子１４ｃと第４スイッチング素子１４ｄとが直列接続され、第５スイッチング素子１４ｅと第６スイッチング素子１４ｆとが直列接続されている。以下、直列接続された一対のスイッチング素子を「直列接続スイッチング素子」ともいう。
The
インバータ１４には、直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆが３組設けられ、これらが燃料電池１に対して並列に配置されている。走行用モータ１１の出力線（出力端子）は、それぞれ一対のスイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆの間に接続されている。
The
ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は昇降圧チョッパ回路であり、燃料電池１０および２次電池１２が出力した電圧を調整する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３による変圧を行うことで、燃料電池１０で発生した電力を２次電池１２に充電したり、２次電池１２に蓄えられた電力を走行用モータ１１や補機２２に供給することができる。燃料電池１０および２次電池１２の電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能である。
The DC-
ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、スイッチング素子１３ａ〜１３ｄとコイル１３ｅを有している。スイッチング素子１３ａ〜１３ｄは、例えばＩＧＢＴを用いることができる。各スイッチング素子１３ａ〜１３ｄの近傍には、素子破壊防止用のダイオードが設けられている。スイッチング素子１３ａ〜１３ｄは、直列接続された一対のスイッチング素子が２組（１３ａ、１３ｂと１３ｃ、１３ｄ）設けられている。
The DC-
燃料電池１０から２次電池１２に電力を供給する場合には、スイッチング素子１３ａとスイッチング素子１３ｄを同時にオンオフ制御する。スイッチング素子１３ａとスイッチング素子１３ｄを同時にオンすると、コイル１３ｅに図２における右方向に向かって電流が流れる。次に、スイッチング素子１３ａとスイッチング素子１３ｄを同時にオフすると、コイル１３ｅに蓄えられた電流はスイッチング素子１３ｂ、１３ｃのダイオードを通って２次電池１２に供給される。このように、スイッチング素子１３ａ、１３ｄのオンオフ制御を行うことで、燃料電池１０が発電した電力を２次電池１２に充電することができる。各スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのオンオフ制御は制御部５０によって行われる。
When power is supplied from the
次に、本実施形態の燃料電池システムの起動制御を図３に基づいて説明する。図３は、燃料電池システムの起動制御を示すフローチャートであり、制御部５０のＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムにしたがって行う処理を示している。図３に示す燃料電池の起動制御は、運転者によるキースイッチオンで開始される。なお、燃料電池１０を発電させる前に必要となる電力、例えば制御部５０や送風機２１用の電動モータ２２への電力は２次電池１２あるいは図示しない低電圧バッテリ（１４Ｖ）から供給する。
Next, start control of the fuel cell system of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing start-up control of the fuel cell system, and shows processing performed by the CPU of the
まず、温度センサ４５で燃料電池１０の温度ＴFCを検出し（Ｓ１０）、燃料電池温度ＴFCが所定温度Ｔ１を下回っているか否かを判定する（Ｓ１１）。第１の所定温度Ｔ１は、燃料電池１の暖機運転の必要性を判断するための温度であり、任意に設定できる値である。この結果、燃料電池温度ＴFCが第１の所定温度Ｔ１より低くない場合は、暖機運転制御が不要であると判断できるため、本制御を終了する。
First, to detect the temperature T FC of the
一方、燃料電池温度ＴFCが所定温度Ｔ１より低い場合は、暖機運転制御が必要であると判断できるのでスイッチ１７を閉じる（Ｓ１２）。スイッチ１７を閉じることで、燃料電池１０とＤＣ−ＤＣコンバータ１３およびインバータ１４とが電気的に接続される。
On the other hand, if the fuel cell temperature T FC is lower than the predetermined temperature T1, the
次に、燃料電池１０に空気と水素の供給を開始する（Ｓ１３）。空気については、予め決めておいた初期供給量を送風機２１から供給する。その際、まだ燃料電池１０は発電していないので、２次電池１２からインバータ２３を介して電動モータ２２に電力供給する。また、所望の空気圧力になるように空気排出経路開閉弁２４を調整する。水素については、水素供給経路開閉弁３３を開け、水素調圧弁３２にて供給水素圧を所望の圧力に調整する。その後、燃料電池１０で水素が消費されると圧力が低下するため、その分だけ水素が供給される。
Next, supply of air and hydrogen to the
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の直列接続スイッチング素子１３ａ、１３ｂをオンにする（Ｓ１４）。これにより、燃料電池１０を短絡する回路が形成される。この状態で電流センサ１６で電流値ＩFCを検出し電圧センサ１５で電圧値ＶFCを検出し（Ｓ１５）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング素子１３ａ、１３ｂをオフにする（Ｓ１６）。
Next, the serial
次に、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を推定する（Ｓ１７）。ここでは、Ｉ−Ｖ特性マップを用い、Ｓ１５で測定した電流値ＩFCと電圧値ＶFCとから、この作動点に適合する燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を推定する。そして、推定した燃料電池１０のＩ−Ｖ特性から燃料電池１０の作動点を決定する（Ｓ１８）。
Next, the IV characteristic of the
ここで、燃料電池１０の作動点の決定方法について図４に基づいて説明する。図４（ａ）は、燃料電池１０が発電する際の電流Ｉと電圧Ｖの関係を示している。図４（ｂ）は、燃料電池１０の電力と必要補機動力との関係を示している。ここでいう必要補機動力は、燃料電池１０が所定電流で発電するように送風機２１用の電動モータ２２を作動させるために最低限必要となる動力である。
Here, a method of determining the operating point of the
図４（ａ）において、実線が燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を示し、破線で囲んだ部分が水素の化学エネルギーを示している。図４に示す水素のエネルギーのうち、斜線で示す部分が電気エネルギーに変換され、残りの電気エネルギーに変換できない分は熱エネルギーに変換され、燃料電池１の自己発熱となる。
In FIG. 4A, the solid line indicates the IV characteristic of the
図４（ａ）より、燃料電池１０の発電効率を低下させると、発生する電気エネルギーが低下する分、発生する熱エネルギーが増大することがわかる。発電効率とは、水素を消費したエネルギーに対する燃料電池１０が発電したエネルギーの比率である。燃料電池１０を定電流制御した場合には、電圧の低下とともに発電効率が低下する。燃料電池１０の発電効率は、反応ガス（水素、酸素）の供給量を定常運転時より減少させたり、燃料電池１０の電極間を抵抗を小さくして燃料電池１０の電極間の電圧を低下させることで調整することができる。
From FIG. 4A, it can be seen that when the power generation efficiency of the
図４（ｂ）に示すように、燃料電池１０の電力は電流が大きくなるにしたがって上昇し、所定電流においてピークを示した後で低下する。また、必要補機動力は、燃料電池１０の電流が大きくなるにしたがって大きくなる。燃料電池１０の電力と必要補機動力は２箇所で交差する。本実施形態では、燃料電池１０の電力と必要補機動力とが交差する点のうち、電圧が低く電流が大きい方の点（電流値：Ｉａ、電圧値：Ｖａ）を燃料電池１０の作動点ａとしている。燃料電池１０の作動点ａで作動させることで、燃料電池１０の電力を燃料電池１０が発電するために必要となる必要補機動力とすることができる。
As shown in FIG. 4B, the power of the
次に、燃料電池１０への供給空気量を制御する（Ｓ１９）。ここでは、燃料電池１０が作動点ａで作動するために必要な空気量が供給されるように電動モータ２２を制御する。そして、燃料電池１０の出力電流が一定値となるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３を制御する（Ｓ２０）。ここでは、燃料電池１０の出力電流がＩａとなるように制御する。そして、インバータ２３を介して電動モータ２２に電力を供給する（Ｓ２１）。これにより、送風機２１で燃料電池１０に空気が供給される。
Next, the amount of air supplied to the
次に、電圧センサ１５で燃料電池１０の電圧値ＶFCを検出し（Ｓ２２）、燃料電池１０の電圧値ＶFCが所定電圧Ｖｂを上回っているか否かを判定する（Ｓ２３）。所定電圧Ｖｂは、燃料電池１０の発電状態を判定するための値であり、任意に設定することができる。この結果、燃料電池１０の電圧値ＶFCが所定電圧Ｖｂを上回っていないと判定された場合には、Ｓ２２に戻り、燃料電池１０の電圧値ＶFCが所定電圧Ｖｂを上回るまでＳ２２とＳ２３を繰り返す。
Next, the voltage value V FC of the
ここで、Ｓ２３で燃料電池１０の電圧値を判定している理由を図５に基づいて説明する。図５は、燃料電池１０の温度が上昇した場合のＩ−Ｖ特性の変化を示している。
Here, the reason why the voltage value of the
燃料電池１０の温度が上昇すると、アノード極やカソード極の触媒活性が向上したり、電解質膜の導電率が向上することによって、燃料電池１０の発電効率が向上する。そして、Ｓ２０で定電流制御をしているので、燃料電池１０の電圧が上昇し、図５に示すように燃料電池１０の作動点がａからａ’に移動する。燃料電池１０の発電効率が向上することで、燃料電池１０は必要補機動力以上発電してしまうことになる。
When the temperature of the
そこで本実施形態では、燃料電池１０の電流を増大させることで、燃料電池１０の作動点をａ’からｂにし、電圧を低下させることで、燃料電池１０の発電効率を低下させ、燃料電池１０の自己発熱量を増大させることができる。作動点ｂは、電圧上昇後の燃料電池１０の電力と必要補機動力とが交差する点のうち、電圧が低く電流が大きい方の点（電流値：Ｉｂ、電圧値：Ｖｂ）である。
Therefore, in the present embodiment, by increasing the current of the
燃料電池１０の作動点ｂで作動させることで、燃料電池１０の電力を燃料電池１０が発電するために必要となる必要補機動力とすることができる。作動点ｂでは、作動点ａより燃料電池１０の発電効率が向上しているので、燃料電池１０の自己発熱量が増大し、燃料電池１０の暖機を促進することができる。
By operating at the operating point b of the
Ｓ２３で燃料電池１０の電圧値ＶFCが所定電圧Ｖｂを上回ると判定された場合には、電流センサ１６で燃料電池１０の電流値ＩFCを検出し（Ｓ２４）、燃料電池１０の電流値ＩFCが所定電流Ｉｂを上回っているか否かを判定する（Ｓ２５）。所定電流Ｉｂは、作動点ａの電流値Ｉａより大きい値として設定される。
When it is determined in S23 that the voltage value V FC of the
この結果、燃料電池１０の電流値ＩFCが所定電流Ｉｂを上回っていないと判定された場合には、Ｓ１７に戻り、燃料電池１０の電流値ＩFCが所定電流Ｉｂを上回るまで、Ｓ１７〜Ｓ２５の処理を繰り返し行う。すなわち、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を推定し直し（Ｓ１７）、燃料電池１０の作動点をｂに決定し（Ｓ１８）、燃料電池１０の電流がＩｂとなるように、供給空量の制御（Ｓ１９）、電流値の制御（Ｓ２０）等を行う。
As a result, if it is determined that the current value I FC of the
Ｓ２５で燃料電池１０の電流値ＩFCが所定電流Ｉｂを上回っていると判定された場合には、燃料電池１０が充分に昇温していると判断することができ、暖機運転を終了する（Ｓ２６）。
If it is determined in S25 that the current value I FC of the
以上のように、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を取得し、必要補機動力が得られる燃料電池１０の作動点付近で燃料電池１０を発電させ、燃料電池１０の発電電力を補機２２に供給することで、燃料電池１０からの電力供給により補機２２を作動させることができる。また、必要補機動力が得られる燃料電池１０の作動点のうち電圧が低い方の作動点付近で燃料電池１０を発電させることで、燃料電池１０の電圧を低下させて発電効率を低下させることができ、燃料電池１０の自己発熱量を増大させることができる。これにより、燃料電池１０の暖機運転を効率よく行うことができる。
As described above, the IV characteristics of the
また、燃料電池１０により補機動力を確保することで、２次電池１２から補機２２に電力供給する必要がなく、２次電池１２の性能が低下する低温環境下においても燃料電池１０の暖機性を確保することができる。さらに、既存のＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４を用いて燃料電池１０の電力制御を行うことで、可変抵抗等の機器を新たに追加する必要もない。
In addition, by securing auxiliary machine power with the
また、昇温に伴う燃料電池１０の電流値上昇を検出した場合に、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を取得し直し、燃料電池１０の作動点を設定し直すことで、燃料電池１０の発電状態に応じた最適な作動点で暖機運転を行うことができ、燃料電池１０の暖機をより効率よく行うことができる。
Further, when an increase in the current value of the
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、燃料電池１０の低温始動性を悪化させることを防ぐために燃料電池１０に冷却水を循環させていないが、低温始動性が確保できるのであれば、燃料電池１０に冷却水を循環させてもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the cooling water is not circulated in the
また、上記実施形態では、燃料電池１０から排出される未反応水素を含むオフガスを燃料電池１０に再循環させるように構成されていないが、水素ポンプやエジェクタ等の循環手段を用いてオフガスを供給水素に合流させ、燃料電池１０に再循環させるように構成してもよい。
Further, in the above embodiment, the off gas containing unreacted hydrogen discharged from the
また、上記実施形態では、必要補機動力は送風機２１用の電動モータ２２の必要動力としたが、これに限定するものではない。例えば、オフガスを水素ポンプにより燃料電池１０に再循環する構成であれば、水素ポンプの動力も補機動力に含めて、燃料電池１０の作動点を決定する。また、２次電池１２に充電する必要があれば、その充電電力も必要補機動力として扱うことができる。
In the above embodiment, the necessary auxiliary power is the required power of the
また、上記実施形態は、車両の停止時に燃料電池１０の暖機を行うものであるが、同様の考えを用いて車両を走行させながら本発明の暖機制御を行ってもよい。この場合には、必要補機動力に加え、走行用モータ１１を作動させるのに必要となる必要走行電力を考慮して燃料電池１０の作動点を決定する。これにより、車両を走行させながら燃料電池１０の暖機を行うことができる。
Moreover, although the said embodiment warms up the
また、上記実施形態では、Ｓ２５で燃料電池１０の電流値に基づいて燃料電池１０の暖機状態を判定しているが、温度センサ４５で燃料電池１０の温度を検出し、燃料電池温度に基づいて暖機状態を判定してもよい。
In the above embodiment, the warm-up state of the
また、上記実施形態では、Ｓ２０で燃料電池１０を定電流制御するように構成したが、燃料電池１０の電圧値をＶａに制御する定電圧制御を行ってもよい。この場合には、燃料電池１０の発電効率向上に伴い、燃料電池１０の電流値が上昇するので、Ｓ２２とＳ２３で燃料電池１０の電流値ＩFCが所定電流値Ｉｂを上回っているか否かを判定すればよい。
Moreover, in the said embodiment, although comprised so that the constant current control of the
１０…燃料電池、１１…走行用モータ、１２…２次電池、１３…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１４…インバータ、１５…電圧センサ、１６…電流センサ、２２…電動モータ（補機）４５…温度センサ、５０…制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料電池を発電させるための補機（２２）と、
前記燃料電池の電流または電圧の少なくとも一方を制御し、前記燃料電池を所定の作動点で発電させる制御手段（１３、５０）とを備え、
前記制御手段は、前記補機を作動させるために必要な電力が得られる前記燃料電池の作動点のうち電圧が低い方の作動点付近で前記燃料電池を発電させ、前記燃料電池の発電電力を前記補機に供給することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell (10) for generating electricity by causing an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas,
An auxiliary machine (22) for generating electricity from the fuel cell;
Control means (13, 50) for controlling at least one of the current or voltage of the fuel cell and generating the fuel cell at a predetermined operating point;
The control means generates the fuel cell in the vicinity of an operating point having a lower voltage among operating points of the fuel cell from which electric power necessary for operating the auxiliary machine is obtained, and generates electric power generated by the fuel cell. A fuel cell system, wherein the fuel cell system is supplied to the auxiliary machine.
前記燃料電池を発電させるための補機（２２）と、
前記車両を走行させるための走行用モータ（１１）と、
前記燃料電池の電流または電圧の少なくとも一方を制御し、前記燃料電池を所定の作動点で発電させる制御手段（１３、５０）とを備え、
前記制御手段は、前記補機および前記走行用モータを作動させるために必要な電力が得られる前記燃料電池の作動点のうち電圧が低い方の作動点付近で前記燃料電池を発電させ、前記燃料電池の発電電力を前記補機および前記走行用モータに供給することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell (10) for generating electricity by causing an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas, and mounted on a vehicle,
An auxiliary machine (22) for generating electricity from the fuel cell;
A running motor (11) for running the vehicle;
Control means (13, 50) for controlling at least one of the current or voltage of the fuel cell and generating the fuel cell at a predetermined operating point;
The control means causes the fuel cell to generate power in the vicinity of an operating point having a lower voltage among operating points of the fuel cell from which electric power necessary for operating the auxiliary machine and the traveling motor is obtained, and the fuel A fuel cell system, wherein power generated by a battery is supplied to the auxiliary machine and the traveling motor.
前記制御手段は、前記燃料電池の電流を制御するものであり、前記電圧検出手段にて検出した電圧が前記電圧が低い方の作動点に対応する電圧値を上回っている場合には、前記電流電圧特性を新たに取得し、新たに取得した前記電流電圧特性から前記電圧が低い方の作動点を決定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
Voltage detecting means for detecting the voltage of the fuel cell;
The control means controls the current of the fuel cell, and when the voltage detected by the voltage detection means exceeds the voltage value corresponding to the lower operating point, the current 5. The fuel cell system according to claim 4, wherein a voltage characteristic is newly acquired, and an operating point with a lower voltage is determined from the newly acquired current-voltage characteristic.
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