JP2010238538A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の始動の際に耐久性を損なわずにスムースにFCリレーの接続を行う。
【解決手段】燃料電池と、負荷と燃料電池との電気的な接続を入り切りするFCリレーと、FCリレーを開閉する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧V0まで単調に上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、燃料電池の電圧が、運転電圧V0よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第1の電圧V1と、第1の電圧V1よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第2の電圧V2との間でFCリレーの閉指令を出力する指令手段とを有する。
【選択図】図2
【解決手段】燃料電池と、負荷と燃料電池との電気的な接続を入り切りするFCリレーと、FCリレーを開閉する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧V0まで単調に上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、燃料電池の電圧が、運転電圧V0よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第1の電圧V1と、第1の電圧V1よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第2の電圧V2との間でFCリレーの閉指令を出力する指令手段とを有する。
【選択図】図2
Description
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両の始動時の制御に関する。
燃料極に燃料ガスとしての水素を供給し、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって発電すると共に酸化剤極に水を生成する燃料電池の実用化が検討されつつある。
このような燃料電池においては、始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とがそれぞれ通常運転の際の各圧力と同程度の場合には、水素ガスと空気がそれぞれ燃料極と酸化剤極の中で偏在し、このガスの偏在によって発生する電気化学反応で電極が劣化してしまう場合があった。そこで、燃料電池の始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とを通常の各供給圧力よりも高くすることによって電極の劣化を防止する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかし、燃料電池の始動の際に水素ガスと空気とを高圧で燃料電池に供給した場合、燃料電池の電圧の上昇速度が大きくなって燃料電池の電圧が上限電圧をオーバーシュートしてしまうという問題があった。このため、特許文献1には、燃料電池の始動の際に通常発電の際の圧力よりも高い圧力で水素ガスと空気とを供給する場合、燃料電池の電圧が上限電圧よりも低い所定の電圧に達したら、燃料電池から出力を取り出して車両駆動用モータや抵抗器などに出力する方法が提案されている。
ところで、電動車両に搭載されている燃料電池システムでは、燃料電池とモータとの接続を入り切りするFCリレーが設けられており、燃料電池が停止している際には燃料電池を負荷系統から切り離し、燃料電池が始動したら燃料電池を負荷系統に接続するようにしている。しかし、FCリレーを閉として燃料電池と負荷系統とを接続する際にFCリレーに大きな電流が流れてしまうとFCリレーが溶着したり損傷を受けたりする場合がある。
そこで、燃料電池の始動の際には燃料電池の電圧を一端、開回路電圧まで上昇させ、燃料電池からの電流が流出しない状態としてFCリレーを接続し、その後電圧を低下させて燃料電池から電気出力が供給されるようにする方法が用いられている。これは、燃料電池は電圧が開回路電圧まで上昇すると出力電流がゼロとなる特性を持っているからである。しかし、燃料電池の電圧を開回路電圧まで上昇させると高電圧によって燃料電池の耐久性を損なう場合があるという問題があった。
また、燃料電池の電圧が低い場合にはFCリレー接続の際に大きな電流は流れずFCリレーの損傷は抑制されるが、この場合には負荷系統と燃料電池の電圧との差が大きくなり、FCリレーを接続した際に発生する過渡電流によって漏電検出器が漏電を誤検知し、制御部が燃料電池システムを停止してしまう場合があった。
そこで、本発明は、燃料電池の始動の際に耐久性を損なわずにスムースにFCリレーの接続を行うことを目的とする。
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、負荷と燃料電池との電気的な接続を入り切りするFCリレーと、FCリレーを開閉する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、燃料電池の電圧が、運転電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第1の電圧と、第1の電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第2の電圧との間でFCリレーの閉指令を出力する指令手段と、を有することを特徴とする。
本発明の燃料電池システムにおいて、第1の電圧は、燃料電池の始動の際の単位時間当たりの電圧上昇レートにFCリレーの閉指令出力からFCリレーの閉動作完了までの時間を掛けた電圧を運転電圧から引いた電圧であること、としても好適である。
本発明の燃料電池システムにおいて、充放電可能な二次電池と、二次電池と負荷との間に接続された電圧変換器と、を備え、燃料電池は、電圧変換器と共通の電路を介して負荷に電力を供給し、FCリレーは、燃料電池と共通の電路との電気的な接続を入り切りし、第2の電圧は、FCリレーを閉じた際に二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内に過渡的に発生する電圧変動が所定の閾値以下となるような電圧であること、としても好適である。
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムは、二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内の漏電を検出する漏電検出器を備え、制御部は、漏電検出器からの閾値以上の信号が所定の時間継続した場合に漏電が発生したものと判断する漏電判断手段を有すること、としても好適であるし、FCリレーの閉指令出力の後、所定の時間だけ漏電検出器からの信号をマスクする漏電判定マスク手段を有すること、としても好適である。
本発明の電動車両は、上記の燃料電池システムを搭載したものである。
本発明は、燃料電池の始動の際に耐久性を損なわずにスムースにFCリレーの接続を行うことができるという効果を奏する。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図1に示すように、電動車両200に搭載されている燃料電池システム100は、充放電可能な二次電池12と、二次電池12の電圧を昇圧または降圧する昇降圧コンバータ13と、昇降圧コンバータ13の直流電力を交流電力に変換して走行用モータ15に供給するインバータ14と、燃料電池11と、を備えている。
二次電池12は充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成され、その電圧は走行用モータ15の駆動電圧よりも低い電圧であるが、走行用モータの駆動電圧と同等あるいは高い電圧であってもよい。昇降圧コンバータ13は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって二次電池12から供給された一次側の電圧を走行用モータ駆動用の二次側の電圧に電圧変換するものであり、基準電路32が二次電池12のマイナス側電路34とインバータ14のマイナス側電路39とに共通に接続され、一次側電路31が二次電池12のプラス側電路33に接続され、二次側電路35がインバータ14のプラス側電路38に接続された非絶縁型の双方向DC−DCコンバータである。また、二次電池12のプラス側電路33とマイナス側電路34には二次電池12と負荷系統との接続を入り切りするシステムリレー25が設けられている。
燃料電池11は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電するもので、水素ガスは高圧の水素タンク17から水素供給弁18を介して燃料極(アノード)に供給され、空気は空気圧縮機19によって酸化剤極(カソード)に供給される。燃料電池11のプラス側電路36は昇降圧コンバータ13の二次側電路35にFCリレー24と逆流防止ダイオード23を介して接続され、燃料電池11のマイナス側電路37はFCリレー24を介して昇降圧コンバータ13の基準電路32に接続されている。昇降圧コンバータ13の二次側電路35はインバータ14のプラス側電路38に接続され、昇降圧コンバータ13の基準電路32はインバータ14のマイナス側電路39に接続されているので、燃料電池11のプラス側電路36とマイナス側電路37はそれぞれインバータ14のプラス側電路38とマイナス側電路39にFCリレー24を介して接続されている。FCリレー24は負荷系統と燃料電池11との接続を入り切りするもので、FCリレー24が閉となると燃料電池11は昇降圧コンバータ13の二次側と接続され、燃料電池11の発電電力は二次電池12の一次側電力を昇圧した二次側電力と共にインバータ14に供給されて車輪60を回転させる走行用モータ15を駆動する。この際、燃料電池11の電圧は昇降圧コンバータ13の出力電圧、インバータ14の入力電圧と同一電圧となる。また、空気圧縮機19や冷却水ポンプ、水素ポンプなど燃料電池11の補機16の駆動電力は二次電池12から供給される。
二次電池12のプラス側電路33とマイナス側電路34との間には一次側の電圧を平滑化する一次側コンデンサ20が接続され、一次側コンデンサ20には両端の電圧を検出する電圧センサ41が設けられている。また、インバータ14のプラス側電路38とマイナス側電路39との間には二次側の電圧を平滑にする二次側コンデンサ21が設けられ、二次側コンデンサ21にも両端の電圧を検出する電圧センサ42が設けられている。一次側コンデンサ20の両端の電圧は昇降圧コンバータ13の入力電圧である一次側電圧VLであり、二次側コンデンサ21の両端の電圧は昇降圧コンバータ13の出力電圧である二次側電圧VHである。また、燃料電池11のプラス側電路36とマイナス側電路37との間には燃料電池11の電圧を検出する電圧センサ43が設けられている。
昇降圧コンバータ13の入力側の一次側電路31と基準電路32との間には放電抵抗26,27とが直列に接続され、その中間は接地されている。同様に昇降圧コンバータ13の出力側の二次側電路35と基準電路32との間にも放電抵抗28,29が直列に接続され、その中間は接地されている。また、基準電路32には基準電路32の電圧を計測する電圧センサ44が取り付けられている。
制御部50は、内部に信号処理を行うCPUとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータであり、燃料電池11、空気圧縮機19、水素供給弁18、昇降圧コンバータ13、インバータ14、走行用モータ15、補機16、FCリレー24、システムリレー25は制御部50に接続され、制御部50の指令によって動作するよう構成されている。また、二次電池12と各電圧センサ41〜44はそれぞれ制御部50に接続され、二次電池12の状態と各電圧センサ41〜44の検出信号が制御部50に入力されるよう構成されている。電動車両200には燃料電池システム100を始動停止させるスイッチであるイグニッションキー30が設けられている。イグニッションキー30は制御部50に接続され、イグニッションキー30のオンオフ信号が制御部50に入力されるよう構成されている。
以上のように構成された燃料電池システム100の動作について図2を参照して説明する。図2において線aは昇降圧コンバータ13の出力電圧である二次側電圧VHを示し、線bは燃料電池11の電圧であるFC電圧VFを示す。燃料電池11は図2に示すように、電圧ゼロの状態から始動される。
図2に示す時間t0に運転者がイグニッションキー30をオンするとそのオン信号が制御部50に入力され、制御部50はシステムリレー25を閉として二次電池12を系統に接続する。二次電池12が系統に接続されると二次電池12から供給される電力によって一次側コンデンサ20が充電される。一次側コンデンサ20が充電されたら制御部50は昇降圧コンバータ13の昇圧動作を開始して二次側コンデンサ21を充電し、電圧センサ42によって検出される二次側電圧VHを上昇させていく。二次側電圧VHが開回路電圧OCVに達したら二次側コンデンサ21の充電が完了し二次電池12からの電力供給が可能となるので、制御部50は図2に示す時間t1に走行用モータ15に電力を供給する準備が完了したことを示すReadyのランプを点灯させる。このReadyランプ点灯後、運転者がアクセルを踏み込むと、二次電池12からの電力が車輪60を回転させる走行用モータ15に供給され、電動車両200は走行を開始することができる。二次電池12から電力が走行用モータ15に供給されても燃料電池11はFCリレー24が開状態となっているので系統から切り離されており、電力は燃料電池11には流れこまない。
制御部50は、図2に示す時間t1に水素系統を加圧する指令を出力する。この指令によって水素供給弁18が開となり、水素タンク17から燃料電池11への水素の供給が開始される。水素が供給されると燃料電池11の燃料極の圧力が上昇するが、まだ酸化剤極に空気が供給されていないので燃料電池11の内部では電気化学反応が起きず、燃料電池11は発電しないので、燃料電池11のFC電圧VFは始動電圧と同様のゼロとなっている。
水素系統の加圧開始の後、図2に示す時間t2に二次側電圧VHをOCVから運転電圧V0に低下させると共に、空気圧縮機19の始動指令を出力する。この指令によって空気圧縮機19が始動し、燃料電池11への空気の供給が開始される。そして、図2に示す時間t3に二次側電圧VHの運転電圧V0への低下が終了し、その後、二次側電圧VHは運転電圧V0に保持される。運転電圧V0は、例えば、開回路電圧OCVの90%程度の電圧である。
一方、時間t2に空気圧縮機19が始動され、空気が燃料電池11に供給され始めると燃料電池11の内部で水素と空気中の酸素との電気化学反応が始まり、電圧センサ43によって検出される燃料電池11のFC電圧VFは始動電圧のゼロから図2の線bに示すように次第に上昇していく。そして、図2に示す時間t6に燃料電池11のFC電圧VFは運転電圧V0に達する。この時、昇降圧コンバータ13の出力電圧である二次側電圧VHは運転電圧V0に保持されているので、燃料電池のFC電圧VFも運転電圧V0に保持され、開回路電圧OCVまで上昇しない。この間、燃料電池11のFC電圧VFは単調に上昇していく。制御部50は、燃料電池11のFC電圧VFが運転電圧V0に達した後、図2に示す時間t6から時間t7の間、燃料電池システム100の状態を保持して燃料電池システム100の動作の安定を確認する。制御部50は、燃料電池システム100の安定が確認されたら燃料電池システム100の始動動作を終了し、図2に示す時間t7に燃料電池システム100を通常運転に移行する。
燃料電池11のFC電圧VFが上昇している間は、逆流防止ダイオードでブロックされるため燃料電池11を系統に接続しても電流は流れ出さない。従って、燃料電池11のFCリレー24を燃料電池11の電圧が上昇している間に閉としてもリレー24の閉の瞬間に大きな電流が流れてFCリレー24が溶着してしまうことがなくなる。しかし、制御部50からFCリレー24を閉とする指令が出力されてから実際にFCリレー24の閉動作が完了するまでには図2に示すΔtだけの動作時間がかかってしまうので、燃料電池11のFC電圧VFが運転電圧V0に上昇しきる直前にFCリレー24の閉指令を出力すると、実際にFCリレー24の閉動作が完了するタイミングには燃料電池11のFC電圧VFが運転電圧V0となっており、FCリレー24が閉となった瞬間に大きな電流が流れ出してFCリレー24が溶着してしまう場合がある。
そこで、図2に示すように、燃料電池11のFC電圧VFが運転電圧V0に達する前にFCリレー24の閉動作が完了する様に、燃料電池11の電圧が運転電圧よりも低い第1の電圧V1となったタイミングでFCリレー24の閉指令を出力するようにする。V1は運転電圧V0から燃料電池11のFC電圧VFの電圧上昇レートにFCリレー24の動作時間Δtを掛けた電圧を差し引いた電圧である。上昇レートが変化する場合には、変化する上昇レートにFCの動作時間Δtを掛けた電圧を運転電圧V0から差し引いた電圧である。例えば、動作時間Δtを幾つかの時間Δt’に区分してその区分毎の上昇レートにΔt’を掛けて得られた電圧を合計した電圧を運転電圧V0から差し引くようにしてもよい。
一方、燃料電池11のFC電圧VFがゼロに近い状態でFCリレー24を接続した場合、FCリレー24には大きな電流が流れず、FCリレー24は溶着してしまうことが無い。しかし、昇降圧コンバータ13によって二次側電圧VHは運転電圧V0に昇圧されているので、FCリレー24を閉にして燃料電池11と昇降圧コンバータ13、インバータ14とを接続すると過渡的に放電抵抗26〜29の接地点の間に電流が流れる。この電流によって昇降圧コンバータ13の基準電路32に取り付けられている電圧センサ44が電圧の変動を検知し、制御部50は漏電が発生したものと誤判断して燃料電池システム100を停止させてしまう場合がある。この電圧センサ44によって検出される電圧の変化は、燃料電池11のFC電圧VFと昇降圧コンバータ13の出力電圧である二次側電圧VHとの差が大きいほど大きくなるので、漏電発生の誤判断を防止するためには、燃料電池11のFC電圧VFと二次側電圧VHとの差があまり大きくならないようなタイミングでFCリレー24を接続することが必要である。そこで、FCリレー24の閉指令は燃料電池11のFC電圧VFが第2の電圧V2以上において行う。第2の電圧V2は、FCリレー24を閉じた際に二次電池12と昇降圧コンバータ13と燃料電池11とを含む電気系統内に過渡的に発生する電流によって漏電発生と判断される電圧変動を電圧センサ44で検出しない最低の電圧である。
以上、述べたように、本実施形態は、FCリレー24の閉指令を燃料電池11のFC電圧VFが第1の電圧V1と第2の電圧V2との間、すなわち、図2に示す時間t4と時間t5との間に行うことで、FCリレー24の溶着防止と漏電の誤判断の発生を抑制し、燃料電池システム100をスムースに始動することができる。また、始動の際に燃料電池11のFC電圧VFは開回路電圧OCVまで上昇しないので、燃料電池11の耐久性を損なうことを抑制することができる。
以上述べた実施形態では、漏電の検出は昇降圧コンバータ13の基準電路32に設けられた電圧センサ44によって行うこととして説明したが、接地端に流れる電流を測定する漏電検出器によって行うようにしてもよい。また、FCリレー24が閉となった際に流れる電流は過渡的な電流なので、電圧センサ44から制御部50への信号入力あるいは、漏電検出器から制御部50への信号入力が所定の時間だけ継続した際に漏電の判断を行うようにして漏電の誤判断を抑制して燃料電池システム100をスムースに始動するようにしても良いし、所定の時間だけ電圧センサ44の入力信号あるいは漏電検出器の入力信号を制御部50が判断しないように入力信号をマスクするようにしても良い。これによって、より低いFC電圧VFの状態でも漏電の誤判断による燃料電池システム100の停止を抑制しスムースに燃料電池システム100を始動することができる。
11 燃料電池、12 二次電池、13 昇降圧コンバータ、14 インバータ、15 走行用モータ、16 補機、17 水素タンク、18 水素供給弁、19 空気圧縮機、20 一次側コンデンサ、21 二次側コンデンサ、23 逆流防止ダイオード、24 FCリレー、25 システムリレー、26〜29 放電抵抗、30 イグニッションキー、31 一次側電路、32 基準電路、33,36,38 プラス側電路、34,37,39 マイナス側電路、35 二次側電路、41〜44 各電圧センサ、50 制御部、60 車輪、100 燃料電池システム、200 電動車両、V0 運転電圧、V1 第1の電圧、V2 第2の電圧、Δt 動作時間。
Claims (6)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
負荷と燃料電池との電気的な接続を入り切りするFCリレーと、
FCリレーを開閉する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
制御部は、
燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、
燃料電池の電圧が、運転電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第1の電圧と、第1の電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第2の電圧との間でFCリレーの閉指令を出力する指令手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
第1の電圧は、燃料電池の始動の際の単位時間当たりの電圧上昇レートにFCリレーの閉指令出力からFCリレーの閉動作完了までの時間を掛けた電圧を運転電圧から引いた電圧であること、
を特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1または2に記載の燃料電池システムであって、
充放電可能な二次電池と、
二次電池と負荷との間に接続された電圧変換器と、を備え、
燃料電池は、電圧変換器と共通の電路を介して負荷に電力を供給し、
FCリレーは、燃料電池と共通の電路との電気的な接続を入り切りし、
第2の電圧は、FCリレーを閉じた際に二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内に過渡的に発生する電圧変動が所定の閾値以下となるような電圧であること、
を特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池システムは、二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内の漏電を検出する漏電検出器を備え、
制御部は、漏電検出器からの閾値以上の信号が所定の時間継続した場合に漏電が発生したものと判断する漏電判断手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。 - 請求項3項に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池システムは、二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内の漏電を検出する漏電検出器を備え、
制御部は、FCリレーの閉指令出力の後、所定の時間だけ漏電検出器からの信号をマスクする漏電判定マスク手段を有すること、
を特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の燃料電池システムを搭載する電動車両。
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