JP7594993B2 - Fuel Cell Systems - 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.
燃料電池システムの状態を判定するために、燃料電池の電圧閾値により異常を判定する燃料電池システムが存在する。燃料電池システムは、所定の電圧閾値に対する判定結果に基づいて、起動するか否かを判定することができる。 To determine the state of the fuel cell system, there are fuel cell systems that determine whether there is an abnormality based on the voltage threshold of the fuel cell. The fuel cell system can determine whether to start up or not based on the result of the determination for a certain voltage threshold.
燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後から燃料電池の電圧が所定の電圧閾値以上に到達したか否かの判定結果に基づいて、燃料電池システムの起動を継続することが可能か否かを診断する燃料電池システムが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 A fuel cell system is disclosed that diagnoses whether or not it is possible to continue starting the fuel cell system based on the result of determining whether or not the voltage of the fuel cell reaches or exceeds a predetermined voltage threshold immediately after fuel gas and oxidant gas are supplied to the fuel cell (see, for example, Patent Document 1).
また、燃料電池の電圧を所定電圧に変換する昇圧コンバータ(DCDCコンバータ)と、昇圧コンバータと負荷との間に接続される蓄電装置とを備える燃料電池システムが存在する。燃料電池システムは、燃料電池による発電を停止した際に、燃料電池の電圧が蓄電装置の電圧よりも高くなるように燃料電池セルの枚数を設定し、発電を停止した際に燃料電池で発生する電力を昇圧コンバータに設けられたダイオードによる経路等によって蓄電装置に充電可能な状態とすることで、昇圧コンバータを動かさずに受動的な降圧動作(以下、「パッシブ降圧」とも呼ぶ)によって燃料電池の高電位回避を行うことができつつ、必要十分な燃料電池セルの枚数を確保し、燃料電池の出力を最適とした状態とすることができる。 There is also a fuel cell system that includes a boost converter (DC-DC converter) that converts the voltage of the fuel cell to a predetermined voltage, and a power storage device connected between the boost converter and a load. The fuel cell system sets the number of fuel cell cells so that the voltage of the fuel cell is higher than the voltage of the power storage device when power generation by the fuel cell is stopped, and makes it possible to charge the power generated by the fuel cell when power generation is stopped to the power storage device through a path using a diode provided in the boost converter, etc., thereby ensuring a sufficient number of fuel cell cells and optimizing the output of the fuel cell while preventing a high potential of the fuel cell through a passive step-down operation (hereinafter also referred to as "passive step-down") without operating the step-up converter.
昇圧コンバータを適用した燃料電池システムにおいてパッシブ降圧が行われる場合、昇圧コンバータの2次側に接続された蓄電装置の電圧が低いほど燃料電池と蓄電装置との電位差が大きくなるため、受動的な降圧動作で大きな電流が流れることとなる。燃料電池へ供給される酸化剤ガスは、目標発電量に対して水素と不足なく反応するように供給されるよう、供給量が制御されるが、燃料電池と蓄電装置との電位差が大きくなることで、目標発電量に対して酸化剤ガスが不足してしまう(以下、「エア欠状態」とも呼ぶ)。すなわち、パッシブ降圧により、燃料電池の目標発電量以上の電力が意図せず燃料電池から持ち出される現象が生じ、その結果、エア欠状態となり燃料電池の電力-電流特性が悪化する。例えば、燃料電池システムがフォークリフト等の産業車両で利用されている場合において、坂道を継続して上り続けているときなど、通常よりも大きな出力が要求された場合、蓄電装置からの持ち出しが大きくなるため、蓄電装置のSOC(State Of Charge)が下がって蓄電装置の電圧が低下する。このため、燃料電池の電力-電圧特性(PV特性)が悪化するとともに、蓄電装置が過放電状態となり、燃料電池システムが停止してしまう場合もある。本発明の一側面に係る目的は、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長を行うことが可能な燃料電池システムを提供することである。 When passive step-down is performed in a fuel cell system using a boost converter, the lower the voltage of the power storage device connected to the secondary side of the boost converter, the larger the potential difference between the fuel cell and the power storage device, and a large current flows due to the passive step-down operation. The amount of oxidant gas supplied to the fuel cell is controlled so that it reacts with hydrogen adequately for the target power generation, but the large potential difference between the fuel cell and the power storage device causes a shortage of oxidant gas for the target power generation (hereinafter referred to as an "air shortage state"). In other words, passive step-down causes a phenomenon in which power greater than the target power generation of the fuel cell is unintentionally taken out of the fuel cell, resulting in an air shortage state and a deterioration in the power-current characteristics of the fuel cell. For example, when a fuel cell system is used in an industrial vehicle such as a forklift, if a larger output than normal is required, such as when the vehicle is continuously climbing a slope, the amount of power taken out of the power storage device increases, causing the SOC (State of Charge) of the power storage device to decrease and the voltage of the power storage device to decrease. This can cause the power-voltage characteristics (PV characteristics) of the fuel cell to deteriorate, and the power storage device to enter an over-discharge state, causing the fuel cell system to shut down. One aspect of the present invention aims to provide a fuel cell system that can extend the operating time of the fuel cell system in response to a power shortage in the power storage device.
本発明に係る一つの態様の燃料電池システムは、燃料ガスと、酸化剤ガスと、により電力を生成する燃料電池スタックと、蓄電装置と、前記燃料電池スタック及び、前記蓄電装置と電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタックの電圧を所定の電圧に変換する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータ及び、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電量が負荷が要求する電力量よりも低い状態において、所定条件を満たした場合に、前記燃料電池スタックへ供給する前記酸化剤ガスの供給量を増加させる。 One aspect of the fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system including a fuel cell stack that generates electric power from a fuel gas and an oxidant gas, a power storage device, a boost converter that is electrically connected to the fuel cell stack and the power storage device and converts the voltage of the fuel cell stack to a predetermined voltage, and a control unit that controls the boost converter and the fuel cell stack, and the control unit increases the amount of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack when a predetermined condition is satisfied in a state in which the amount of power generated by the fuel cell stack is lower than the amount of power required by a load.
これにより、燃料電池スタックの発電量が負荷が要求する電力量よりも低い状態において、所定条件を満たした場合には、パッシブ降圧が行われているとして、燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガスの供給量を増加させエア欠状態を解消することで燃料電池スタックのPV特性を改善する。燃料電池スタックのPV特性が改善されることにより、燃料電池スタックの発電量が増加し、蓄電装置の電力の持ち出しを抑えることで、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長(延命)を行うことができる。 As a result, when the amount of power generated by the fuel cell stack is lower than the amount of power required by the load, if certain conditions are met, it is determined that passive step-down is occurring, and the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell stack is increased to eliminate the air shortage condition, thereby improving the PV characteristics of the fuel cell stack. By improving the PV characteristics of the fuel cell stack, the amount of power generated by the fuel cell stack increases, and by reducing the amount of power taken from the power storage device, the operating time (life extension) of the fuel cell system can be extended in the event of a power shortage in the power storage device.
また、所定条件は、前記燃料電池スタックの電圧が、前記蓄電装置の電圧より大きく、前記昇圧コンバータを流れる電流が0以上であり、前記昇圧コンバータのデューティ比が0である。これにより、DCDCコンバータの動作が行われていないにもかかわらず、受動的にDCDCコンバータに電流が流れている状態をいうパッシブ降圧が行われている場合には、燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガスの供給量を増加させることにより、燃料電池スタックの発電量を増加させ、蓄電装置の電力の持ち出しを抑えて、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長(延命)を行うことができる。 The specified conditions are that the voltage of the fuel cell stack is greater than the voltage of the power storage device, the current flowing through the boost converter is equal to or greater than 0, and the duty ratio of the boost converter is 0. As a result, when passive step-down is occurring, which refers to a state in which current passively flows through the DCDC converter even though the DCDC converter is not operating, the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell stack can be increased to increase the amount of power generated by the fuel cell stack, suppressing the power drawn from the power storage device and extending the operating time (life extension) of the fuel cell system in the event of a power shortage in the power storage device.
また、前記制御部は、前記燃料電池システムを構成する部品温度が閾値以上となった場合には、前記燃料電池スタックは供給される前記酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻す、または供給量を減少させる。これにより、燃料電池システムを稼働する各部品の稼働状態を通常状態に戻して温度上昇を防ぐことができ、過熱による燃料電池システムの故障を抑制することができる。 In addition, when the temperature of a component constituting the fuel cell system reaches or exceeds a threshold value, the control unit returns the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell stack to the original state before the increase, or reduces the amount supplied. This makes it possible to return the operating state of each component operating the fuel cell system to a normal state, preventing an increase in temperature and suppressing breakdowns of the fuel cell system due to overheating.
本発明によれば、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長を行うことができる。 The present invention makes it possible to extend the operating time of a fuel cell system when there is a power shortage in the power storage device.
以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。 The following describes the embodiment in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係わる燃料電池システムの一例を示す図である。 Figure 1 shows an example of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
図1に示す燃料電池システム1は、フォークリフトなどの産業車両や電気自動車などの車両Veに搭載され、負荷Loに電力を供給する。なお、負荷Loは、走行用モータ、電装部品、コンピュータやメモリなどに電力を供給するためのシステム電源などである。なお、燃料電池システム1は車両以外にも、定置型の非常用発電機などにも適用可能である。
The
また、燃料電池システム1は、燃料電池FCと、水素タンクHtと、コンプレッサCpと、電流検出部Si0、Si4と、電圧検出部V1、V2、V3と、DCDCコンバータCnvと、蓄電装置Sと、制御部Cntと、温度センサTsとを備える。
The
DCDCコンバータCnvは、昇圧コンバータの一例である。DCDCコンバータCnvは、燃料電池FCと、蓄電装置Sとの間に接続される。DCDCコンバータCnvは、リアクトルRe1、Re2、Re3と、電流検出部Si1、Si2、Si3と、6つのスイッチング素子Q1~Q6と、6つのダイオードD1~D6と、コンデンサCoとを備えている。 The DCDC converter Cnv is an example of a boost converter. The DCDC converter Cnv is connected between the fuel cell FC and the power storage device S. The DCDC converter Cnv includes reactors Re1, Re2, and Re3, current detection units Si1, Si2, and Si3, six switching elements Q1 to Q6, six diodes D1 to D6, and a capacitor Co.
水素タンクHtは、制御部Cntの制御に基づいて燃料電池FCのアノードに対して、発電のための燃料ガスとなる水素(アノードガス)を供給する。コンプレッサCpは、制御部Cntの制御に基づいて燃料電池FCのカソードに対して、酸化剤ガスとなる酸素(カソードガス)を含む空気を供給する。 The hydrogen tank Ht supplies hydrogen (anode gas), which serves as fuel gas for power generation, to the anode of the fuel cell FC under the control of the control unit Cnt. The compressor Cp supplies air containing oxygen (cathode gas), which serves as oxidant gas, to the cathode of the fuel cell FC under the control of the control unit Cnt.
燃料電池FCは、水素タンクHtからインジェクタを通して燃料電池FCに供給される水素と、大気中からコンプレッサCpを通じて燃料電池FCに供給される空気中の酸素との化学反応により、電気エネルギーを生成する。すなわち、燃料電池FCは、水素と酸素の化学反応により発電する。 The fuel cell FC generates electrical energy through a chemical reaction between hydrogen, which is supplied to the fuel cell FC from the hydrogen tank Ht through an injector, and oxygen in the air, which is supplied to the fuel cell FC from the atmosphere through a compressor Cp. In other words, the fuel cell FC generates electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen.
燃料電池FCは、リアクトルRe1、Re2、Re3および電流検出部Si1、Si2、Si3を介して6つのスイッチング素子Q1~Q6および6つのダイオードD1~D6と接続される。電流検出部Si0は、燃料電池FCと、リアクトルRe1、Re2、Re3との間に接続される。 The fuel cell FC is connected to six switching elements Q1 to Q6 and six diodes D1 to D6 via reactors Re1, Re2, and Re3 and current detection units Si1, Si2, and Si3. The current detection unit Si0 is connected between the fuel cell FC and the reactors Re1, Re2, and Re3.
スイッチング素子Q1~Q6として、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)を用いている。但し、スイッチング素子として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等を用いてもよい。6つのダイオードD1~D6はそれぞれ、6つのスイッチング素子(MOSFET)Q1~Q6の寄生ダイオードである。 MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) are used as the switching elements Q1 to Q6. However, IGBTs (insulated gate bipolar transistors) or the like may also be used as the switching elements. The six diodes D1 to D6 are parasitic diodes of the six switching elements (MOSFETs) Q1 to Q6, respectively.
正極母線Lpと負極母線Lnとの間に、u相上アームを構成するスイッチング素子Q1と、u相下アームを構成するスイッチング素子Q2が直列接続されている。正極母線Lpと負極母線Lnとの間に、v相上アームを構成するスイッチング素子Q3と、v相下アームを構成するスイッチング素子Q4が直列接続されている。正極母線Lpと負極母線Lnとの間に、w相上アームを構成するスイッチング素子Q5と、w相下アームを構成するスイッチング素子Q6が直列接続されている。 Switching element Q1 constituting the u-phase upper arm and switching element Q2 constituting the u-phase lower arm are connected in series between the positive bus bar Lp and the negative bus bar Ln. Switching element Q3 constituting the v-phase upper arm and switching element Q4 constituting the v-phase lower arm are connected in series between the positive bus bar Lp and the negative bus bar Ln. Switching element Q5 constituting the w-phase upper arm and switching element Q6 constituting the w-phase lower arm are connected in series between the positive bus bar Lp and the negative bus bar Ln.
正極母線Lp、負極母線LnにはコンデンサCoを介して蓄電装置Sが接続されている。 The positive busbar Lp and the negative busbar Ln are connected to a storage device S via a capacitor Co.
DCDCコンバータCnvをMOSFETと、MOSFETの寄生ダイオードで構成することにより、DCDCコンバータCnvの構成をメカニカルスイッチ等で構成するよりも簡単な構成で作成することができ、燃料電池システム1の小型化を図ることができる。
By configuring the DCDC converter Cnv with a MOSFET and a parasitic diode of the MOSFET, the configuration of the DCDC converter Cnv can be made simpler than when it is configured with a mechanical switch, etc., and the
燃料電池FCから供給された電力がダイオードD1、D3、D5、または、D2、D4、D6を通る経路を、以下「第1経路」と呼ぶ。また、燃料電池FCから供給された電力がスイッチング素子Q1、Q3、Q5、または、Q2、Q4、Q6を通る経路を、以下「第2経路」と呼ぶ。 The path through which the power supplied from the fuel cell FC passes through the diodes D1, D3, and D5, or through D2, D4, and D6, is hereinafter referred to as the "first path." Also, the path through which the power supplied from the fuel cell FC passes through the switching elements Q1, Q3, and Q5, or through Q2, Q4, and Q6, is hereinafter referred to as the "second path."
u相上アームを構成するスイッチング素子Q1と、v相上アームを構成するスイッチング素子Q3と、w相上アームを構成するスイッチング素子Q5とが正極母線Lpを介して負荷Loに接続されている。u相下アームを構成するスイッチング素子Q2と、v相下アームを構成するスイッチング素子Q4と、w相下アームを構成するスイッチング素子Q6とが負極母線Lnを介して負荷Loに接続されている。 The switching element Q1 constituting the u-phase upper arm, the switching element Q3 constituting the v-phase upper arm, and the switching element Q5 constituting the w-phase upper arm are connected to the load Lo via the positive bus Lp. The switching element Q2 constituting the u-phase lower arm, the switching element Q4 constituting the v-phase lower arm, and the switching element Q6 constituting the w-phase lower arm are connected to the load Lo via the negative bus Ln.
上下のアームを構成するスイッチング素子Q1~Q6のスイッチング動作に伴い、蓄電装置Sの電圧である直流電圧を負荷Loに供給できるようになっている。負荷Loは、例えば車両駆動用モータや荷役用モータである。 The switching operation of the switching elements Q1 to Q6 that make up the upper and lower arms allows the DC voltage, which is the voltage of the storage device S, to be supplied to the load Lo. The load Lo is, for example, a vehicle drive motor or a load handling motor.
各スイッチング素子Q1~Q6のゲート端子には、制御部Cntが接続されている。制御部Cntは、制御信号であるパルスパターンに基づいてDCDCコンバータCnvのスイッチング素子Q1~Q6をスイッチング動作させる。 The control unit Cnt is connected to the gate terminals of each of the switching elements Q1 to Q6. The control unit Cnt controls the switching elements Q1 to Q6 of the DCDC converter Cnv to perform switching operations based on a pulse pattern that is a control signal.
DCDCコンバータCnvは、入力される制御信号によりスイッチング素子Q1~Q6をオン、オフすることで、燃料電池FCの電圧を一定電圧に変換し、負荷Loや蓄電装置Sに出力する。 The DCDC converter Cnv converts the voltage of the fuel cell FC into a constant voltage by turning on and off the switching elements Q1 to Q6 according to the input control signal, and outputs it to the load Lo and the storage device S.
リアクトルRe1は、電流検出部Si0と、スイッチング素子Q1-スイッチング素子Q2間との間に接続される。リアクトルRe2は、電流検出部Si0と、スイッチング素子Q3-スイッチング素子Q4間との間に接続される。リアクトルRe3は、電流検出部Si0と、スイッチング素子Q5-スイッチング素子Q6間との間に接続される。 The reactor Re1 is connected between the current detection unit Si0 and the switching element Q1-switching element Q2. The reactor Re2 is connected between the current detection unit Si0 and the switching element Q3-switching element Q4. The reactor Re3 is connected between the current detection unit Si0 and the switching element Q5-switching element Q6.
電流検出部Si1は、リアクトルRe1と、スイッチング素子Q1-スイッチング素子Q2間との間に接続される。電流検出部Si2は、リアクトルRe2と、スイッチング素子Q3-スイッチング素子Q4間との間に接続される。電流検出部Si3は、リアクトルRe3と、スイッチング素子Q5-スイッチング素子Q6間との間に接続される。 Current detection unit Si1 is connected between reactor Re1 and switching element Q1 and switching element Q2. Current detection unit Si2 is connected between reactor Re2 and switching element Q3 and switching element Q4. Current detection unit Si3 is connected between reactor Re3 and switching element Q5 and switching element Q6.
燃料電池FCは、互いに直列接続される複数の燃料電池セルにより構成される燃料電池スタックであり、制御部Cntの制御に基づき供給される水素と酸素(酸化剤ガス)との電気化学反応を利用して発電を行う。蓄電装置Sは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、DCDCコンバータCnvと負荷Loとの間に接続される。 The fuel cell FC is a fuel cell stack made up of multiple fuel cells connected in series, and generates electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (oxidant gas) supplied under the control of the control unit Cnt. The power storage device S is made up of a lithium ion capacitor or the like, and is connected between the DCDC converter Cnv and the load Lo.
DCDCコンバータCnvから出力される電力が、負荷Loが要求する電力より大きい場合、余剰分の電力が蓄電装置Sに供給され、蓄電装置Sが充電される。また、DCDCコンバータCnvから出力される電力が、負荷Loが要求する電力より小さい場合、不足分の電力が蓄電装置Sから負荷Loに供給される。また、負荷Loから蓄電装置Sに回生電力が供給されると、蓄電装置Sが充電される。なお、蓄電装置Sは、充電及び放電することが可能な蓄電装置(リチウムイオン電池など)であれば、リチウムイオンキャパシタに限定されない。 When the power output from the DCDC converter Cnv is greater than the power required by the load Lo, the surplus power is supplied to the storage device S, and the storage device S is charged. When the power output from the DCDC converter Cnv is less than the power required by the load Lo, the shortage power is supplied from the storage device S to the load Lo. When regenerative power is supplied from the load Lo to the storage device S, the storage device S is charged. Note that the storage device S is not limited to a lithium ion capacitor, as long as it is a storage device (such as a lithium ion battery) that can be charged and discharged.
電流検出部Si0は、燃料電池FCからDCDCコンバータCnvに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Cntに出力する。 The current detection unit Si0 detects the current flowing from the fuel cell FC to the DCDC converter Cnv and outputs the detected current to the control unit Cnt.
電流検出部(電流検出手段)Si1は、スイッチング素子Q1またはスイッチング素子Q2を介してDCDCコンバータCnvに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Cntに出力する。 The current detection unit (current detection means) Si1 detects the current flowing through the DCDC converter Cnv via the switching element Q1 or switching element Q2, and outputs the detected current to the control unit Cnt.
電流検出部(電流検出手段)Si2は、スイッチング素子Q3またはスイッチング素子Q4間を介してDCDCコンバータCnvに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Cntに出力する。 The current detection unit (current detection means) Si2 detects the current flowing through the DCDC converter Cnv via the switching element Q3 or the switching element Q4, and outputs the detected current to the control unit Cnt.
電流検出部(電流検出手段)Si3は、スイッチング素子Q5またはスイッチング素子Q6間を介してDCDCコンバータCnvに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Cntに出力する。 The current detection unit (current detection means) Si3 detects the current flowing through the DCDC converter Cnv via the switching element Q5 or the switching element Q6, and outputs the detected current to the control unit Cnt.
電流検出部Si4は、燃料電池FCまたは蓄電装置Sから負荷へ流れる電流、すなわち、負荷が要求する電流を検出し、その検出した電流を制御部Cntに出力する。 The current detection unit Si4 detects the current flowing from the fuel cell FC or the power storage device S to the load, i.e., the current required by the load, and outputs the detected current to the control unit Cnt.
電圧検出部V1は、燃料電池FCの電圧を検出し、その検出した電圧を制御部Cntに出力する。電圧検出部V2は、蓄電装置Sの電圧を検出し、その検出した電圧を制御部Cntに出力する。電圧検出部V3は、負荷Loが燃料電池システム1へ要求する電圧(以下、「システム電圧」とも呼ぶ)を検出し、その検出した電圧を制御部Cntに出力する。なお、燃料電池FCの電圧の検出方法は、燃料電池FCの両端電圧を直接測定してもよいし、燃料電池FCを構成する燃料電池セルのうち、代表の1つのセル電圧を測定し積層した燃料電池セルの枚数を乗算した電圧としてもよい。あるいは、代表の1つのセル電圧自体を用いてもよい。すなわち、燃料電池の電圧が必要十分な精度で測定できればその手法は問わない。蓄電装置S又は負荷Loの電圧の検出に関しても同様である。
The voltage detection unit V1 detects the voltage of the fuel cell FC and outputs the detected voltage to the control unit Cnt. The voltage detection unit V2 detects the voltage of the storage device S and outputs the detected voltage to the control unit Cnt. The voltage detection unit V3 detects the voltage (hereinafter also referred to as the "system voltage") that the load Lo requests from the
温度センサTsは、燃料電池システム1を構成する部品の温度(以下、「部品温度」とも呼ぶ)を測定する。例えば、温度センサTsは、燃料電池Fcを冷却する液体(冷却水)の水温により燃料電池Fcの部品の温度を測定する。 The temperature sensor Ts measures the temperature of the components that make up the fuel cell system 1 (hereinafter also referred to as "component temperature"). For example, the temperature sensor Ts measures the temperature of the components of the fuel cell Fc based on the water temperature of the liquid (cooling water) that cools the fuel cell Fc.
温度センサTsは、燃料電池Fcの近傍に配置して、燃料電池Fcの部品温度を測定してもよい。また、温度センサTsは、燃料電池Fcを冷却する気体の温度により燃料電池Fcの部品温度を測定してもよい。また、温度センサTsは、蓄電装置S、DCDCコンバータCnv、制御部Cntなど、燃料電池システム1を構成する構成部品の部品温度を測定してもよい。
The temperature sensor Ts may be disposed near the fuel cell Fc to measure the temperature of the fuel cell Fc components. The temperature sensor Ts may also measure the temperature of the fuel cell Fc components based on the temperature of the gas that cools the fuel cell Fc. The temperature sensor Ts may also measure the temperatures of the components that make up the
制御部Cntは、CPU(Central Processing Unit)またはプログラマブルなデバイス(FPGA(Field Programmable Gate Array)やPLD(Programmable Logic Device))などにより構成され、制御信号を出力する。制御部Cntは、コンプレッサCpおよびDCDCコンバータCnvの動作を制御することで燃料電池FCの発電量(電力)を制御する。すなわち、水素タンクHtから燃料電池FCに供給される燃料(水素)やコンプレッサCpから供給される空気(酸素)の量が増加するほど、燃料電池FCの発電量が増加する。また、水素タンクHtから燃料電池FCに供給される燃料(水素)やコンプレッサCpから供給される空気(酸素)の量が減少するほど、燃料電池FCの発電量が減少する。 The control unit Cnt is configured with a CPU (Central Processing Unit) or a programmable device (such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) or a PLD (Programmable Logic Device)) and outputs a control signal. The control unit Cnt controls the operation of the compressor Cp and the DCDC converter Cnv to control the amount of power generated (electricity) of the fuel cell FC. That is, the more the amount of fuel (hydrogen) supplied from the hydrogen tank Ht to the fuel cell FC and the amount of air (oxygen) supplied from the compressor Cp increases, the more the amount of power generated by the fuel cell FC increases. Also, the more the amount of fuel (hydrogen) supplied from the hydrogen tank Ht to the fuel cell FC and the amount of air (oxygen) supplied from the compressor Cp decreases, the more the amount of power generated by the fuel cell FC decreases.
なお、制御部Cntは、燃料電池FCに供給される燃料や空気の量を段階的に増加または減少させてもよい。また、制御部Cntは、燃料電池FCに供給される燃料や空気の量をゼロにすると、所定時間経過後に、燃料電池FCの発電が停止して燃料電池FCの発電量がゼロになるものとする。また、燃料電池FCから出力される電流が増加するほど、燃料電池FC(燃料電池セル)の電圧が減少し、燃料電池FCから出力される電流が減少するほど、燃料電池FC(燃料電池セル)の電圧が増加するものとする。 The control unit Cnt may gradually increase or decrease the amount of fuel and air supplied to the fuel cell FC. Furthermore, when the control unit Cnt sets the amount of fuel and air supplied to the fuel cell FC to zero, power generation by the fuel cell FC stops after a predetermined time has elapsed, and the amount of power generated by the fuel cell FC becomes zero. Furthermore, the more the current output from the fuel cell FC increases, the more the voltage of the fuel cell FC (fuel cell) decreases, and the more the current output from the fuel cell FC decreases, the more the voltage of the fuel cell FC (fuel cell) increases.
また、制御部Cntは、負荷Loや蓄電装置Sから要求される電力に応じた電流が燃料電池FCから出力されるように、かつ、燃料電池FCの電圧が閾値を超えないように、DCDCコンバータCnvの動作を制御する。なお、燃料電池FCの電圧が閾値を超えて燃料電池FCが劣化しないように、DCDCコンバータCnvに流れる電流を調整する処理を高電位回避処理という。また、負荷Loや蓄電装置Sから要求される電力が増加するほど、制御信号のデューティ比が増加し、負荷Loや蓄電装置Sから要求される電力が減少するほど、制御信号のデューティ比が減少するものとする。また、閾値は、燃料電池FCが劣化するおそれがあるときの燃料電池FCの電圧とし、燃料電池FCの電圧が閾値を超えそうなとき、制御信号のデューティ比の減少が制限される。燃料電池システム1では、高電位回避を行うために燃料電池FCのセル当たりの電圧が第1の閾値以上とならないように設定している。この第1の閾値の電圧を、以下「高電位回避電圧」という。
The control unit Cnt controls the operation of the DC-DC converter Cnv so that the fuel cell FC outputs a current corresponding to the power required by the load Lo or the storage device S, and so that the voltage of the fuel cell FC does not exceed a threshold. The process of adjusting the current flowing through the DC-DC converter Cnv so that the voltage of the fuel cell FC does not exceed the threshold and deteriorate the fuel cell FC is called high-potential avoidance process. The duty ratio of the control signal increases as the power required by the load Lo or the storage device S increases, and the duty ratio of the control signal decreases as the power required by the load Lo or the storage device S decreases. The threshold is the voltage of the fuel cell FC when there is a risk of deterioration of the fuel cell FC, and when the voltage of the fuel cell FC is about to exceed the threshold, the decrease in the duty ratio of the control signal is limited. In the
本実施形態においては、低コストの燃料電池システム1を作るために、燃料電池FCを構成するセルの枚数を減らして、昇圧式のDCDCコンバータCnvで燃料電池FCの電圧を昇圧させる構成としている。燃料電池FCの電圧は、下記式1を満たすよう設定される。下記式1における“燃料電池FCの電圧”とは、燃料電池FCの両端電圧である。
In this embodiment, in order to create a low-cost
燃料電池FCの電圧≦高電位回避電圧×セル枚数・・・式1
DCDCコンバータCnvは、昇圧式なので、通常の運転時、即ち、負荷Loにより電流が引かれている場合には、燃料電池FCの電圧が、蓄電装置Sの電圧とオーバーラップしないよう、燃料電池FCの電圧が、蓄電装置Sの電圧よりも小さくなるようにセルの枚数を調整される。但し、燃料電池FCの電圧が小さくなるようにし過ぎると、セルの枚数が少なくなり過ぎる。その結果、燃料電池FCの出力が不足するため、燃料電池システムとして成立しなくなる。
Fuel cell FC voltage≦high potential avoidance voltage×number of cells (Equation 1)
Because the DCDC converter Cnv is a step-up type, during normal operation, i.e., when current is being drawn by the load Lo, the number of cells is adjusted so that the voltage of the fuel cell FC is smaller than the voltage of the power storage device S so that the voltage of the fuel cell FC does not overlap with the voltage of the power storage device S. However, if the voltage of the fuel cell FC is made too small, the number of cells becomes too small. As a result, the output of the fuel cell FC becomes insufficient, and the fuel cell system does not function.
したがって、本実施形態においては、高電位回避を行うとともに、燃料電池システム1の出力を向上するために、燃料電池システム1は、燃料電池FCによる発電を停止した際に、燃料電池FCの電圧が蓄電装置Sの電圧よりも高くなるように設定する。具体的には、負荷Loや蓄電装置Sからの要求電力がなくなった際に燃料電池FCによる発電を停止し、高電位回避電圧×セル枚数の値が蓄電装置Sの電圧よりも高くなるようにセル枚数が定められている。なお、燃料電池システム1は、燃料電池FCによる発電中は燃料電池FCの電圧が蓄電装置Sの電圧よりも低く設定する。これにより、DCDCコンバータCnvの動作すべきタイミングが明確になるため、DCDCコンバータCnvの制御が容易となる。
Therefore, in this embodiment, in order to avoid high potential and improve the output of the
制御部Cntは、発電を停止した際に燃料電池FCで発生する電力を第1経路(ダイオードD1、D3、D5)または第2経路(スイッチング素子Q1、Q3、Q5)のうち少なくとも一方によって蓄電装置に充電可能な状態とする。 When power generation is stopped, the control unit Cnt makes it possible for the power generated by the fuel cell FC to be charged to the storage device via at least one of the first path (diodes D1, D3, D5) or the second path (switching elements Q1, Q3, Q5).
本実施形態において、発電を停止した際に燃料電池FCで発生する電力とは、制御部Cntの制御に基づき供給がゼロにされた水素や酸素のうち、燃料電池システム1内に残留する水素や酸素の反応により生じる電力をいう。また、燃料電池FCによる発電を停止とは、燃料電池FCの発電量が完全にゼロになる場合だけでなく、燃料電池FCによる発電を抑制し、燃料電池FCの発電量が限りなくゼロに近くなる場合も含まれる。したがって、発電を停止した際には、第1経路(ダイオードD1、D3、D5)の方へ電流を流すことにより、燃料電池FCの電流を蓄電装置Sで充電することができる。
In this embodiment, the power generated by the fuel cell FC when power generation is stopped refers to the power generated by the reaction of hydrogen and oxygen remaining in the
また、燃料電池システム1では、蓄電装置Sが過充電とならないように、燃料電池FCの電圧が第2の閾値以上とならないように設定している。この第2の閾値の電圧を、以下「発電停止電圧」という。発電停止電圧は、燃料電池システム1の固有の値である。例えば、蓄電装置SのSOC(State Of Charge)の所定の割合(蓄電残量)における電圧を発電停止電圧として使用する。蓄電装置Sの電圧が発電停止電圧を越えた(下回った)際に、燃料電池FCによる発電を停止し、燃料電池システム1全体のシステムを停止する。燃料電池FCのセルの枚数は、下記式2により決定する。下記式2における“高電位回避電圧”とは、燃料電池FCの両端電圧である。
In addition, in the
セル枚数×高電位回避電圧=発電停止電圧+Vf・・・式2
Vfは、ダイオードD1、D3、D5による損失分の閾値電圧(立ち上がり電圧)である。
Number of cells × high potential avoidance voltage = power generation stop voltage + Vf ...
Vf is a threshold voltage (rise voltage) for the loss caused by diodes D1, D3, and D5.
燃料電池FCのセル枚数を式2が成立するよう設定すると、燃料電池FCのセルの枚数を多く設定し、結果として燃料電池FCの出力をあげることができる。また、燃料電池FCの電圧が蓄電装置Sの電圧よりも小さくなる電圧(領域)においては昇圧コンバータを動かさずに電流を流しておくだけで、受動的な降圧動作(以下、「パッシブ降圧」とも呼ぶ)で高電位回避を行い燃料電池FCの電圧を下げることができる。すなわち、u相を構成するスイッチング素子Q1、Q2、v相を構成するスイッチング素子Q3、Q4及び、w相を構成するスイッチング素子Q5、Q6のそれぞれの制御信号のデューティ比を0にすることによりパッシブ降圧が行われる。
When the number of cells in the fuel cell FC is set so that
負荷Loにより電流が引かれている場合には、燃料電池FCの電圧は下がるので、DCDCコンバータCnvは燃料電池FCの電圧を昇圧して所望の電圧を出力する。昇圧する場合には、DCDCコンバータCnvは、上アームのスイッチング素子Q1、Q3、Q5を全てOFFにし、下アームのスイッチング素子Q2、Q4、Q6の位相をずらしてON-OFFする。 When current is drawn by the load Lo, the voltage of the fuel cell FC drops, so the DCDC converter Cnv boosts the voltage of the fuel cell FC to output the desired voltage. When boosting the voltage, the DCDC converter Cnv turns off all of the switching elements Q1, Q3, and Q5 of the upper arm, and turns on and off the switching elements Q2, Q4, and Q6 of the lower arm with a phase shift.
負荷Loにより電流が引かれていない場合には、制御部Cntは、燃料電池FCによる発電を停止する。但し、燃料電池FCによる発電が停止された場合であっても、負荷Loにより電力が引かれない場合には、残留する燃料(水素)や空気(酸素)の反応で生じる電力により燃料電池FCの電圧が上がる。そして、下記式3を満たし、燃料電池FCの電圧が蓄電装置Sの電圧よりも高くなると、DCDCコンバータCnvにより昇圧することはできなくなる。下記式3における“燃料電池FCの電圧”とは、燃料電池FCの両端電圧である。
When no current is being drawn by the load Lo, the control unit Cnt stops power generation by the fuel cell FC. However, even if power generation by the fuel cell FC is stopped, if no power is being drawn by the load Lo, the voltage of the fuel cell FC increases due to the power generated by the reaction of the remaining fuel (hydrogen) and air (oxygen). Then, when the following
燃料電池FCの電圧>蓄電装置Sの電圧・・・式3
発電を停止した際に、式3の状態となった場合であっても、式2で設定したセル枚数とすることにより、パッシブ降圧により第1経路の方へ電流を流れるように、燃料電池FCの電流を蓄電装置Sで充電させることができ、燃料電池FCのセルが高電位回避電圧以下となる状態を維持できる。パッシブ降圧により受動的に電流を流す場合には、DCDCコンバータCnvは、上アームのスイッチング素子Q1、Q3、Q5、下アームのスイッチング素子Q2、Q4、Q6を全てOFFにする。式3の関係が成立している場合には、燃料電池FCで発生した電流は、上アームのダイオードD1、D3、D5を通って蓄電装置Sへ流れる。
Voltage of fuel cell FC>Voltage of power storage device S...
Even if the state of
したがって、寄生ダイオードである上アームのダイオードD1、D3、D5の特性を活用して、パッシブ降圧により高電位回避を行うことができる。また、燃料電池FCの電圧と蓄電装置Sの電圧とのオーバーラップを許容することができるため、燃料電池FCのセルの枚数を増加させて、燃料電池FCの出力をあげることができる。 Therefore, by utilizing the characteristics of the upper arm diodes D1, D3, and D5, which are parasitic diodes, high potential can be avoided by passive voltage reduction. In addition, since it is possible to allow the voltage of the fuel cell FC to overlap with the voltage of the power storage device S, it is possible to increase the number of cells in the fuel cell FC and increase the output of the fuel cell FC.
また、式2を満たすセル枚数とすると、昇圧式のDCDCコンバータCnvを動かさずに(即ち制御せずに)パッシブ降圧により高電位回避を行うことができつつ、燃料電池FCの出力を最適とした状態が決まる。よって、燃料電池システム1の制御が複雑にならずに、セル枚数の最適化を図ることができる。
Furthermore, when the number of cells satisfies
このように、実施形態の燃料電池システム1では、燃料電池FCによる発電を停止した際に、燃料電池FCの電圧が蓄電装置Sの電圧よりも高くなるようにする。そして、燃料電池システム1は、燃料電池FCによる発電を停止した際に燃料電池FCで発生する電力をダイオードD1、D3、D5(第1の経路)またはスイッチング素子Q1、Q3、Q5(第2経路)のうち少なくとも一方によって蓄電装置Sに充電可能な状態とする構成である。
In this way, in the
これにより、負荷Loにより電流が引かれていない場合には、制御部Cntは、燃料電池FCによる発電を停止した場合であっても、パッシブ降圧により第1経路の方へ電流を流れるようセル枚数を決定することで、燃料電池FCの電流を蓄電装置Sで充電させることができる。これにより、高電位回避を行うことができるとともに、燃料電池システムの出力を向上することができる。 As a result, when no current is drawn by the load Lo, the control unit Cnt can charge the current of the fuel cell FC in the storage device S by determining the number of cells so that the current flows toward the first path by passive step-down even when power generation by the fuel cell FC is stopped. This makes it possible to avoid high potential and improve the output of the fuel cell system.
また、制御部Cntは、燃料電池FCによる発電中は燃料電池FCの電圧が蓄電装置Sの電圧よりも低くなるようにDCDCコンバータCnvを制御する。具体的には、制御部Cntは、発電制御として、蓄電装置Sの充電量(SOC)に応じて、段階的に、目標発電電力を切り替える。蓄電装置Sの充電量が低下したときに燃料電池FCによる発電を開始し、制御部Cntは要求電力に応じた目標の電流となるようDCDCコンバータCnvを制御する。これにより、DCDCコンバータCnvを動作すべきタイミングを明確にすることができるため、DCDCコンバータCnvの制御が容易となる。 The control unit Cnt also controls the DCDC converter Cnv so that the voltage of the fuel cell FC is lower than the voltage of the storage device S while the fuel cell FC is generating electricity. Specifically, the control unit Cnt switches the target power generation power in stages according to the charge amount (SOC) of the storage device S as a power generation control. When the charge amount of the storage device S decreases, power generation by the fuel cell FC is started, and the control unit Cnt controls the DCDC converter Cnv so that the target current corresponds to the required power. This makes it possible to clarify the timing at which the DCDC converter Cnv should operate, making it easier to control the DCDC converter Cnv.
また、制御部Cntは、燃料電池FCの発電電圧範囲(燃料電池FCの制御における下限電圧及び上限電圧の範囲)のうち最も低い電圧を、蓄電装置Sの利用電圧範囲(蓄電装置Sの下限SOC及び上限SOCから設定した電圧の範囲)のうち最も低い電圧よりも低い電圧に設定する。これにより、蓄電装置Sの性能を可能な限り多く活用することができる。 The control unit Cnt also sets the lowest voltage in the power generation voltage range of the fuel cell FC (the range of the lower limit voltage and the upper limit voltage in the control of the fuel cell FC) to a voltage lower than the lowest voltage in the utilization voltage range of the storage device S (the range of voltages set from the lower limit SOC and the upper limit SOC of the storage device S). This makes it possible to utilize the performance of the storage device S as much as possible.
また、DCDCコンバータCnvのスイッチング素子をMOSFETで構成し、ダイオードをMOSFETの寄生ダイオードで構成する。これにより、DCDCコンバータCnvの構成をメカニカルスイッチ等で構成するよりも簡単な構成で作成することができ、燃料電池システム1の小型化を図ることができる。
The switching element of the DCDC converter Cnv is configured with a MOSFET, and the diode is configured with a parasitic diode of the MOSFET. This allows the DCDC converter Cnv to be configured with a simpler structure than when it is configured with a mechanical switch, etc., and allows the
次に、図2を参照して、燃料電池FCと蓄電装置Sの電圧と電力との関係について説明する。図2は、燃料電池FCと蓄電装置Sの電圧と電力との関係を示す図である。図2において、点線Vfは燃料電池FCの電圧と発電電力との関係を示し、一点鎖線Vsは蓄電装置Sの電圧と放電電力との関係を示す。なお、一点鎖線Vsは、蓄電装置Sが放電する(放電した電力が増加する)ほど、電圧が低下することを示している。また、白丸は、制御部Cntが目標とする、目標発電電力である。閾値電圧Vtは、燃料電池システム1全体のシステムが停止に至る電圧を示す。
Next, the relationship between the voltage and power of the fuel cell FC and the power storage device S will be described with reference to FIG. 2. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the voltage and power of the fuel cell FC and the power storage device S. In FIG. 2, the dotted line Vf indicates the relationship between the voltage of the fuel cell FC and the generated power, and the dashed line Vs indicates the relationship between the voltage of the power storage device S and the discharged power. Note that the dashed line Vs indicates that the more the power storage device S discharges (the more the discharged power increases), the lower the voltage becomes. Also, the open circle is the target generated power targeted by the control unit Cnt. The threshold voltage Vt indicates the voltage at which the entire
図2(1)のうち領域A1、A2は、パッシブ降圧が行われる領域を示し、領域A3は、昇圧が行われる領域を示す。領域A1は、低負荷側のパッシブ降圧が行われる領域を示し、領域A2は、高負荷側のパッシブ降圧が行われる領域を示す。 In FIG. 2 (1), areas A1 and A2 indicate areas where passive step-down is performed, and area A3 indicates an area where step-up is performed. Area A1 indicates an area where passive step-down is performed on the low load side, and area A2 indicates an area where passive step-down is performed on the high load side.
燃料電池FCの発電量Winが負荷Loが要求する電力量Woutよりも低い場合、すなわち、高負荷がかかると蓄電装置Sからの電力の持ち出しが行われて蓄電装置SのSOCが低下し、その蓄電装置Sの電圧が低下することとなる。蓄電装置Sの電圧が低下して燃料電池FCの電圧が蓄電装置Sの電圧よりも大きくなる領域A2になると、パッシブ降圧が行われる。 When the power generation amount Win of the fuel cell FC is lower than the power amount Wout required by the load Lo, that is, when a high load is applied, power is drawn from the power storage device S, the SOC of the power storage device S falls, and the voltage of the power storage device S falls. When the voltage of the power storage device S falls to region A2 where the voltage of the fuel cell FC is greater than the voltage of the power storage device S, passive voltage reduction is performed.
高負荷側のパッシブ降圧が行われる領域A2が発生する場合には、燃料電池FCへ供給される酸化剤ガスの供給量に対して、燃料電池FCが発電する発電電力が大きくなる。これは、パッシブ降圧が行われることで、燃料電池FCから放出される電流(電荷量)が大きくなるためである。制御部Cntは供給される水素の量に対して空気の量が不足しないようにコンプレッサCpが制御しているが、パッシブ降圧現象の発生によって、燃料電池FCの発電電力が増大し、電力に対して酸化剤ガスが不足となる、いわゆるエア欠状態となり、燃料電池FCのPV特性が急激に低下することとなる。 When the region A2 occurs where passive voltage drop occurs on the high load side, the power generated by the fuel cell FC becomes large relative to the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell FC. This is because the current (amount of charge) released from the fuel cell FC becomes large as a result of passive voltage drop. The control unit Cnt controls the compressor Cp so that the amount of air is not insufficient relative to the amount of hydrogen supplied, but the occurrence of the passive voltage drop phenomenon causes the power generated by the fuel cell FC to increase, resulting in a shortage of oxidant gas relative to the power, a so-called air shortage state, and a sudden drop in the PV characteristics of the fuel cell FC.
より具体的に説明すると、図2(2)のCの目標発電電力に必要な酸化剤ガスの分しか供給されていない状態が継続すると、パッシブ降圧現象の発生によって、酸化剤ガスが不足状態となるエア欠状態が発生する。二点鎖線Vf1はCの段階においてエア欠状態が発生した場合の燃料電池FCの電圧と電力との関係を示す。エア欠状態が発生すると、二点鎖線Vf1に示すように、燃料電池FCのPV特性が低下し、発電量Winがこれ以上あがらなくなる。一方で、蓄電装置Sからの持ち出しは継続し、最終的に蓄電装置Sが過放電となり、閾値電圧Vt以下となる結果、燃料電池システム1全体のシステムが停止する事態が発生する。
More specifically, if the state where only the amount of oxidant gas required for the target power generation at C in Figure 2 (2) is supplied continues, a passive voltage drop phenomenon will occur, resulting in an air shortage state in which the oxidant gas is insufficient. The two-dot chain line Vf1 shows the relationship between the voltage and power of the fuel cell FC when an air shortage state occurs at stage C. When an air shortage state occurs, as shown by the two-dot chain line Vf1, the PV characteristics of the fuel cell FC will deteriorate and the power generation amount Win will not increase any further. Meanwhile, the power drawn from the storage device S will continue, and eventually the storage device S will become over-discharged and fall below the threshold voltage Vt, causing the entire
そこで、本実施形態においては、高負荷側でパッシブ降圧を実施しているときは、図2(3)のCの段階において燃料電池FCへ供給する酸化剤ガスの供給量を増加させエア欠状態を解消することで燃料電池FCのPV特性を改善する。鎖線Vf2はCの段階において酸化剤ガスの供給量を増加させた場合の燃料電池FCの電圧と電力との関係を示す。燃料電池FCのPV特性が改善されることにより、鎖線Vf2に示すように、燃料電池FCの発電量Winが増加し、蓄電装置Sの電力の持ち出しを抑えることで、蓄電装置Sが閾値電圧Vt以下となるまでの時間を延長し、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長(延命)を行うことができる。 In this embodiment, when passive step-down is performed on the high load side, the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell FC is increased at stage C in FIG. 2 (3) to eliminate the air shortage state, thereby improving the PV characteristics of the fuel cell FC. The dashed line Vf2 shows the relationship between the voltage and power of the fuel cell FC when the amount of oxidant gas supplied is increased at stage C. By improving the PV characteristics of the fuel cell FC, the power generation amount Win of the fuel cell FC increases as shown by the dashed line Vf2, and by suppressing the power drawn from the power storage device S, the time until the power storage device S becomes equal to or lower than the threshold voltage Vt can be extended, and the operating time (life extension) of the fuel cell system can be extended in response to a power shortage of the power storage device.
図3は、燃料電池システム1の制御状態の遷移の一例を示す図である。燃料電池システム1の制御部Cntは、燃料電池システム1の制御状態を制御する。
Figure 3 is a diagram showing an example of the transition of the control state of the
図3(1)は、従来の燃料電池システムの制御状態を示す。燃料電池システム1が搭載されているフォークリフトが坂道を登っているときなどは、燃料電池システム1は負荷Loから通常よりも大きな高出力が要求される(ステップS11)。高出力が要求された結果、燃料電池Fcの出力電力よりも大きい出力電力が要求された場合には、燃料電池システム1は、燃料電池Fcからの出力電力に加えて、蓄電装置Sから電力を持ち出して負荷Loへ供給する(ステップS12)。
Figure 3 (1) shows the control state of a conventional fuel cell system. When a forklift equipped with the
但し、蓄電装置Sの蓄電容量には限界があるため、蓄電装置Sからの電力の持ち出しが継続して行われると、蓄電装置Sの電圧が低下して、蓄電装置Sが過放電となる。その結果、蓄電装置Sの電力不足により燃料電池システム1全体が停止することとなる(ステップS13)。
However, because the storage capacity of the power storage device S is limited, if power is continuously drawn from the power storage device S, the voltage of the power storage device S will drop and the power storage device S will become over-discharged. As a result, the entire
そこで、本実施形態では、燃料電池Fcの発電電力量が負荷Loの要求電力量よりも低い場合には、燃料電池Fcへ供給する酸化剤ガスの供給量を増加させることにより、蓄電装置Sの電力不足に対する燃料電池システム1の稼働時間の延長を行うこととした。
Therefore, in this embodiment, when the amount of power generated by the fuel cell Fc is lower than the amount of power required by the load Lo, the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell Fc is increased to extend the operating time of the
図3(2)は、本実施形態の燃料電池システム1の制御状態を示す。
Figure 3 (2) shows the control state of the
例えば、燃料電池システム1が搭載されているフォークリフトが坂道を継続して上り続けているときなどは、燃料電池システム1は負荷Loから通常よりも大きな高出力が要求される(ステップS21)。高出力が要求された結果、燃料電池Fcの出力電力よりも大きい出力電力が要求された場合には、燃料電池システム1は、燃料電池Fcからの出力電力に加えて、蓄電装置Sから電力を持ち出して負荷Loへ供給する(ステップS22)。
For example, when a forklift equipped with the
ここで、制御部Cntは、所定条件を満たすことにより、パッシブ降圧が検知されたか否かを判定する。パッシブ降圧の検知は、以下の4つの所定条件を満たすか否かに基づいて判定される。 Here, the control unit Cnt determines whether or not passive step-down has been detected by satisfying certain conditions. The detection of passive step-down is determined based on whether or not the following four certain conditions are satisfied:
第1条件:燃料電池Fcの電圧>蓄電装置Sの電圧
第2条件:DCDCコンバータCnvの電流>0
第3条件:DCDCコンバータCnvのデューティ比=0
第4条件:負荷Loが要求する電力量>燃料電池Fcの発電量
第1条件における、燃料電池Fcの電圧は、電圧検出部V1により検出された電圧であり、蓄電装置Sの電圧は、電圧検出部V2により検出された電圧である。
First condition: voltage of fuel cell Fc>voltage of power storage device S Second condition: current of DCDC converter Cnv>0
Third condition: Duty ratio of the DCDC converter Cnv=0
Fourth condition: Amount of power required by load Lo > Amount of power generated by fuel cell Fc In the first condition, the voltage of the fuel cell Fc is the voltage detected by voltage detection unit V1, and the voltage of the storage device S is the voltage detected by voltage detection unit V2.
第2条件における、DCDCコンバータCnvの電流が0以上という条件は、u相、v相の電流が0以上という条件により判定してもよい。また、DCDCコンバータCnvの電流が0以上という条件は、u相、v相、w相の電流が0以上という条件により判定してもよい。 In the second condition, the condition that the current of the DCDC converter Cnv is 0 or more may be determined by the condition that the currents of the u phase and the v phase are 0 or more. Also, the condition that the current of the DCDC converter Cnv is 0 or more may be determined by the condition that the currents of the u phase, the v phase, and the w phase are 0 or more.
第3条件におけるDCDCコンバータCnvのデューティ比=0という条件は、スイッチング素子Q1~Q6によるスイッチング動作が行われていない状態であり、u相、v相のデューティ比=0という条件により判定してもよい。また、DCDCコンバータのデューティ比=0という条件は、u相、v相、w相のデューティ比=0という条件により判定してもよい。u相、v相、w相の電流は、それぞれ電流検出部Si1、Si2、Si3により検出された電流である。 The third condition, that the duty ratio of the DC-DC converter Cnv is 0, is a state in which no switching operation is performed by the switching elements Q1 to Q6, and may be determined by the condition that the duty ratios of the u phase and the v phase are 0. The condition that the duty ratio of the DC-DC converter is 0 may also be determined by the condition that the duty ratios of the u phase, the v phase, and the w phase are 0. The currents of the u phase, the v phase, and the w phase are currents detected by the current detection units Si1, Si2, and Si3, respectively.
第2条件かつ第3条件である場合とは、DCDCコンバータCnvのスイッチング素子Q1~Q6によるスイッチング動作が行われていないにもかかわらず、ダイオードD1~D6を通じて受動的にDCDCコンバータCnvに電流が流れている状態をいう。 When the second and third conditions are met, a current flows passively through the DCDC converter Cnv via the diodes D1 to D6, even though no switching operation is being performed by the switching elements Q1 to Q6 of the DCDC converter Cnv.
第4条件における負荷Loの電圧は、電圧検出部V3により検出されるシステム電圧であり、燃料電池Fcの電圧は、電圧検出部V1により検出された電圧である。 In the fourth condition, the voltage of the load Lo is the system voltage detected by the voltage detection unit V3, and the voltage of the fuel cell Fc is the voltage detected by the voltage detection unit V1.
パッシブ降圧が検知された場合(ステップS23)には、制御部Cntは、コンプレッサCpを制御して、燃料電池Fcへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加させる(ステップS24)。コンプレッサCpから燃料電池Fcへ供給する酸化剤ガス(酸素)の量を増加させると、燃料電池FCの発電量が増加する。すなわち、酸化剤ガスの量を増加させた場合には、水素タンクHtから供給される未反応部分の燃料(水素)と反応し、その結果燃料電池Fcの発電量を増加させることができる。すなわち、燃料電池Fcの発電量を増加させることにより、蓄電装置Sから持ち出される電力量を抑制することにより、燃料電池システム1全体としての稼働時間を延長することができる。
When a passive pressure drop is detected (step S23), the control unit Cnt controls the compressor Cp to increase the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell Fc (step S24). Increasing the amount of oxidant gas (oxygen) supplied from the compressor Cp to the fuel cell Fc increases the amount of electricity generated by the fuel cell FC. In other words, when the amount of oxidant gas is increased, it reacts with the unreacted fuel (hydrogen) supplied from the hydrogen tank Ht, and as a result, the amount of electricity generated by the fuel cell Fc can be increased. In other words, by increasing the amount of electricity generated by the fuel cell Fc, the amount of electricity taken out from the power storage device S can be suppressed, and the operating time of the
酸化剤ガスの供給量を増加させて、燃料電池Fcの発電量を増加させた結果、燃料電池システム1を構成する部品温度が上昇してしまう(ステップS31)。制御部Cntは部品温度が閾値以上となったか否かを判定する。部品温度の閾値としては、例えば、燃料電池システム1を構成する各部品の使用可能な温度帯が設定される。
Increasing the supply of oxidant gas to increase the amount of power generated by the fuel cell Fc results in an increase in the temperature of the components that make up the fuel cell system 1 (step S31). The control unit Cnt determines whether the component temperature has reached or exceeded a threshold value. As the component temperature threshold value, for example, the usable temperature range of each component that makes up the
部品温度が閾値以上となった場合(ステップS32)には、コンプレッサCpを制御して、燃料電池Fcへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻す(ステップS25)。コンプレッサCpから燃料電池Fcへ供給する酸化剤ガス(酸素)の量を元に戻す(減少させる)と、燃料電池システム1を稼働する各部品の稼働状態を通常状態に戻して温度上昇を防ぐことができ、過熱による燃料電池システム1の故障を抑制することができる。
When the component temperature reaches or exceeds the threshold value (step S32), the compressor Cp is controlled to return the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell Fc to its original state before the increase (step S25). By returning (reducing) the amount of oxidant gas (oxygen) supplied from the compressor Cp to the fuel cell Fc, the operating state of each component operating the
また、燃料電池Fcへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻すと、燃料電池FCの発電量が減少し、燃料電池システム1全体としての電力の供給量が不足するため、燃料電池Fcからの出力電力に加えて、蓄電装置Sから電力を持ち出して負荷Loへ供給する(ステップS33)。
In addition, if the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell Fc is returned to its original state before the increase, the amount of power generated by the fuel cell FC will decrease, and the amount of power supplied to the
その後、蓄電装置Sからの電力の持ち出しが継続して行われると、蓄電装置Sの電圧が低下して、蓄電装置Sが過放電となる。その結果、蓄電装置Sの電力不足により燃料電池システム1全体を停止する(ステップS34)。
If power continues to be drawn from the storage device S after that, the voltage of the storage device S drops and the storage device S becomes over-discharged. As a result, the entire
以上に示すように、パッシブ降圧を検知したら、燃料電池FCへ供給される酸化剤ガスを増加することにより、燃料電池Fcの発電量を増加させる。これにより、蓄電装置Sから持ち出される電力量を減少させ、燃料電池システム1全体としての稼働時間を延長することができる。
As described above, when a passive voltage drop is detected, the amount of power generated by the fuel cell Fc is increased by increasing the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell FC. This reduces the amount of power drawn from the power storage device S, and enables the operating time of the
次に、図4を参照して燃料電池システム1が実行する燃料電池制御処理について説明する。図4は、燃料電池システム1の制御部Cntが実行する燃料電池制御処理の一例を示す図である。
Next, the fuel cell control process executed by the
初めに、制御部Cntは、負荷Loから高出力の要求がされると(ステップS41)、蓄電装置Sから電力の持ち出しを行う(ステップS42)。 First, when a high output is requested from the load Lo (step S41), the control unit Cnt draws power from the storage device S (step S42).
制御部Cntは、蓄電装置Sから電力の持ち出しが行われたのち、パッシブ降圧を検知したか否かを判定する(ステップS43)。 After power is taken out from the power storage device S, the control unit Cnt determines whether or not passive step-down has been detected (step S43).
パッシブ降圧が検知されなかった場合(ステップS43:NO)には、蓄電装置Sからの電力の持ち出しが継続して行われる。パッシブ降圧が検知された場合(ステップS43:YES)には、制御部CntはコンプレッサCpを制御して、燃料電池FCへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加させる(ステップS44)。
When a passive voltage drop is not detected (step S43: NO), power continues to be taken out from the power storage device S. When a passive voltage drop is detected (step S43: YES), the control unit Cnt controls the compressor Cp to increase the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell FC (step S44).
酸化剤ガスの供給量を増加させ燃料電池FCの発電量を増加させた結果、燃料電池システム1を構成する部品温度が閾値以上となったか否かを判定する(ステップS45)。部品温度が閾値未満である場合(ステップS45:NO)には、制御部Cntは酸化剤ガスの供給量の増加を継続して行う。部品温度が閾値以上である場合(ステップS45:YES)には、制御部CntはコンプレッサCpを制御して酸化剤ガスの供給量をステップS44の増加前の元の状態に戻す(ステップS46)。
As a result of increasing the amount of oxidant gas supplied and increasing the amount of power generated by the fuel cell FC, it is determined whether the temperature of the components constituting the
燃料電池Fcへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻すと、燃料電池FCの発電量が減少し、燃料電池システム1全体としての電力の供給量が不足する。このため、制御部Cntは、燃料電池Fcからの出力電力に加えて、蓄電装置Sから電力を持ち出して負荷Loへ供給する(ステップS47)。
If the amount of oxidant gas supplied to the fuel cell Fc is returned to its original state before the increase, the amount of power generated by the fuel cell FC will decrease, and the amount of power supplied to the
制御部Cntは、蓄電装置Sからの電力の持ち出しの結果蓄電装置のSOCが閾値以下となったか否かを判定する(ステップS48)。蓄電装置SのSOCとは、燃料電池システム1を稼働させるのに必要十分な値が設定される。蓄電装置SのSOCが閾値より大きい場合(ステップS48:NO)には、制御部Cntは、蓄電装置Sからの電力の持ち出しを継続して行う。蓄電装置SのSOCが閾値以下である場合(ステップS48:YES)には、燃料電池システム1の安全のために燃料電池システム1の稼働を停止する(ステップS49)。これにより、燃料電池システム1が実行する燃料電池制御処理は終了となる。
The control unit Cnt determines whether the SOC of the power storage device S has become equal to or lower than a threshold value as a result of the power being drawn from the power storage device S (step S48). The SOC of the power storage device S is set to a value that is necessary and sufficient for operating the
<その他の実施形態>
燃料電池システム1は、図5に示すようなDCDCコンバータであってもよい。この場合、スイッチング素子を有する第2経路は有さないが、DCDCコンバータによる昇圧動作を停止した際はダイオードを有する第1経路によって電流が流れ、燃料電池FCの高電位回避が行われる。
<Other embodiments>
The
また、所定条件は、上記実施形態に記載した所定条件に限られない。例えば第3条件の、DCDCコンバータCnvのデューティ比が0か否かの判定を割愛してもよい。また第4条件の、負荷Loが要求する電力量>燃料電池Fcの発電量か否かの判定を割愛してもよい。 また、上述の実施形態においては、パッシブ降圧により電流を流す場合には、上アームのダイオードD1、D3、D5へ電流を流しているがこの限りではない。 The specified conditions are not limited to those described in the above embodiment. For example, the third condition, judging whether the duty ratio of the DCDC converter Cnv is 0 or not, may be omitted. The fourth condition, judging whether the amount of power required by the load Lo is greater than the amount of power generated by the fuel cell Fc, may be omitted. In the above embodiment, when current is passed by passive step-down, current is passed to the diodes D1, D3, and D5 of the upper arm, but this is not limited to the above.
制御部Cntは、電圧検出部V1で検出した燃料電池FCの電圧が電圧検出部V2で検出した蓄電装置Sの電圧よりも高いことを検出したときに、スイッチング素子Q1、Q3、Q5をON(閉じ状態)にしてもよい。これにより、燃料電池FCの電圧が蓄電装置Sの電圧よりも大きい状態(上記式3の状態)となった場合であっても、燃料電池FCで発生した電流は、スイッチング素子Q1、Q3、Q5を通って蓄電装置Sへ流れる。これにより、ダイオードによる電力の損失がなくなり、燃料電池FCで出力した電力を蓄電装置Sに効率よく充電することができる。
The control unit Cnt may turn on (closed state) the switching elements Q1, Q3, and Q5 when it detects that the voltage of the fuel cell FC detected by the voltage detection unit V1 is higher than the voltage of the storage device S detected by the voltage detection unit V2. As a result, even if the voltage of the fuel cell FC is higher than the voltage of the storage device S (the state of
また、制御部Cntは、スイッチング素子Q1~Q6のON-OFF状態(開閉状態)を検知可能にしてもよい。制御部Cntは、スイッチング素子Q1~Q6のON-OFF動作が行われていない場合に、第1経路または第2経路に電流が流れていることを検出した場合には、スイッチング素子Q1~Q6をOFF状態(閉じ状態)とする。これにより、燃料電池FCの電圧が蓄電装置Sの電圧よりも大きい状態(上記式3の状態)となった場合であっても、燃料電池FCで発生した電流は、スイッチング素子Q1、Q3、Q5を通って蓄電装置Sへ流れる。これにより、ダイオードによる電力の損失がなくなり、燃料電池FCで出力した電力を蓄電装置Sに効率よく充電することができる。
The control unit Cnt may also be capable of detecting the ON-OFF state (open/closed state) of the switching elements Q1 to Q6. When the control unit Cnt detects that a current is flowing through the first path or the second path when the ON-OFF operation of the switching elements Q1 to Q6 is not being performed, it sets the switching elements Q1 to Q6 to the OFF state (closed state). As a result, even if the voltage of the fuel cell FC is greater than the voltage of the storage device S (the state of
1 燃料電池システム
Ve 車両
Lo 負荷
FC 燃料電池
Si0 電流検出部
V1、V2 電圧検出部
Co コンデンサ
Re1、Re2、Re3 リアクトル
Si1、Si2、Si3 電流検出部
Cnv DCDCコンバータ
S 蓄電装置
Cnt 制御部
Q1~Q6 スイッチング素子
D1~D6 ダイオード
Cp コンプレッサ
Ht 水素タンク
1 Fuel cell system Ve Vehicle Lo Load FC Fuel cell Si0 Current detection unit V1, V2 Voltage detection unit Co Capacitors Re1, Re2, Re3 Reactors Si1, Si2, Si3 Current detection unit Cnv DCDC converter S Storage device Cnt Control unit Q1 to Q6 Switching elements D1 to D6 Diode Cp Compressor Ht Hydrogen tank
Claims (2)
蓄電装置と、
前記燃料電池スタック及び、前記蓄電装置と電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタックの電圧を所定の電圧に変換する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータ及び、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックの発電量が負荷が要求する電力量よりも低い状態において、所定条件を満たした場合に、前記燃料電池スタックへ供給する前記酸化剤ガスの供給量を増加させ、
前記所定条件は、
前記燃料電池スタックの電圧が、前記蓄電装置の電圧より大きく、
前記昇圧コンバータを流れる電流が0より大きく、
前記昇圧コンバータのデューティ比が0である
ことを特徴とする燃料電池システム。 a fuel cell stack that generates electric power from a fuel gas and an oxidant gas;
A power storage device;
a boost converter electrically connected to the fuel cell stack and the power storage device, and configured to convert a voltage of the fuel cell stack into a predetermined voltage;
a control unit that controls the boost converter and the fuel cell stack;
A fuel cell system comprising:
The control unit is
increasing an amount of the oxidant gas supplied to the fuel cell stack when a predetermined condition is satisfied in a state in which an amount of power generated by the fuel cell stack is lower than an amount of power required by a load;
The predetermined condition is:
the voltage of the fuel cell stack is greater than the voltage of the power storage device,
the current through the boost converter is greater than zero;
A fuel cell system according to claim 1, wherein the duty ratio of the boost converter is 0.
前記制御部は、
前記燃料電池システムを構成する部品温度が閾値以上となった場合には、前記燃料電池スタックは供給される前記酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻す、または供給量を減少させる
ことを特徴とする燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1 ,
The control unit is
A fuel cell system characterized in that, when the temperature of a component constituting the fuel cell system reaches or exceeds a threshold value, the fuel cell stack returns the amount of oxidant gas supplied to its original state before the increase, or reduces the amount supplied.
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