CN103503212B - 燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

提供一种即使在异常时也能够极力驱动的燃料电池系统。燃料电池系统（11）具备：燃料电池（12），通过燃料气体与氧化气体的电化学反应而进行发电；蓄电池（21），进行电力的蓄电或电力的供给；以及驱动电动机（13），接受电力的供给而进行驱动，该燃料电池系统具备：燃料电池供给路径（A），设于燃料电池（12）与驱动电动机（13）之间；蓄电池电力供给路径（B），从蓄电池（21）延伸而与燃料电池电力供给路径（A）连接；以及断路装置（15），设置得比燃料电池电力供给路径（A）与蓄电池电力供给路径（B）之间的连接点（C）靠燃料电池（12）侧。

Description

燃料电池系统

技术领域

本发明涉及具备燃料电池的燃料电池系统。

背景技术

例如，在混合动力车辆、电动车辆中，从搭载于车辆的电池向电动机的电力供给经由升压转换器电路、逆变器电路等进行。在具备这种电动机的车辆中，已知有在电源路径上设有由断路元件构成的断路装置的结构，在超过断路电流值的电流流过时将电流切断（例如参照专利文献1）。

专利文献1：日本特开2007-68336号公报

发明内容

然而，以通过反应气体（燃料气体及氧化气体）的电化学反应而进行发电的燃料电池为能源的燃料电池系统中，通常都具备燃料电池及蓄电池这两个电力供给源。在这种燃料电池系统中，若断路装置配置于逆变器电路与电动机之间，则在燃料电池或蓄电池发生异常而通过断路装置将电路切断时，处于无法向电动机供电的状态，难以自行向退避场所移动。

本发明鉴于上述情况而作出，目的在于提供一种即使在异常时也能够极力驱动的燃料电池系统。

为了实现上述目的，本发明的燃料电池系统具备：

燃料电池，通过燃料气体与氧化气体的电化学反应而进行发电；

蓄电池，进行电力的蓄电或电力的供给；以及

驱动源，接受电力的供给而进行驱动，

上述燃料电池系统还具备：

燃料电池电力供给路径，设于上述燃料电池与上述驱动源之间；

蓄电池电力供给路径，从上述蓄电池延伸而与上述燃料电池供给路径连接；以及

断路装置，设置得比上述燃料电池电力供给路径与上述蓄电池电力供给路径之间的连接点靠上述燃料电池侧或上述蓄电池侧。

根据上述结构的燃料电池系统，当因系统异常使断路装置工作而将电路切断时，不再从燃料电池或蓄电池向驱动源供给电力。然而，即使在这种情况下，也能够将来自蓄电池及燃料电池中的任一方的电力向驱动源供给，在车辆等搭载有燃料电池系统的情况下，能够驱动驱动源而自行向退避场所等移动。

另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以是，

上述断路装置在过载时或短路时工作而将电路切断。

另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以是，

设有使上述燃料电池的发电电力升压的第一转换器和使上述蓄电池的放电电力升压的第二转换器中的至少一方，

在上述第一转换器设于上述燃料电池电力供给路径时，上述断路装置设于上述第一转换器的后段。

另外，在本发明的燃料电池系统中，也可以是，

设有使上述燃料电池的发电电力升压的第一转换器和使上述蓄电池的放电电力升压的第二转换器中的至少一方，

在上述第一转换器设于上述燃料电池电力供给路径时，上述断路装置设于上述第一转换器的前段。

本发明的燃料电池系统也可以是，具备：

燃料电池，通过燃料气体与氧化气体的电化学反应而进行发电；以及

驱动源，接受电力的供给而进行驱动，

上述燃料电池系统具备：

燃料电池电力供给路径，设于上述燃料电池与上述驱动源之间；以及

断路装置，设于上述燃料电池电力供给路径，

上述断路装置在过载时或短路时工作而将电路切断。

发明效果

根据本发明的燃料电池系统，即使在异常时也能够极力驱动。

附图说明

图1是本发明的实施方式的燃料电池系统的概略电路图。

图2是设于燃料电池系统的断路装置的侧视图。

图3是说明断路装置的动作的侧视图。

图4是说明断路装置的动作的侧视图。

图5是表示熔断式的熔丝的熔断特性的曲线图。

图6是表示电磁式的断路装置的动作特性的曲线图。

图7是第一变形例的燃料电池系统的概略电路图。

图8是第二变形例的燃料电池系统的概略电路图。

图9是第三变形例的燃料电池系统的概略电路图。

图10是第四变形例的燃料电池系统的概略电路图。

附图标记说明

11燃料电池系统

12燃料电池

13驱动电动机（驱动源）

15断路装置

21蓄电池

A燃料电池电力供给路径

B蓄电池电力供给路径

C连接点

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的燃料电池系统的实施方式。在本实施方式中，说明将本发明的燃料电池系统用作为燃料电池车辆（FCHV；FuelCellHybridVehicle）的车载发电系统的情况。

参照图1，说明本实施方式的燃料电池系统的结构。图1是概略性地表示实施方式中的燃料电池系统的构成图。

如图1所示，燃料电池系统11具备通过作为反应气体的氧化气体与燃料气体的电化学反应而产生电力的燃料电池12。

燃料电池12例如是高分子电解质型燃料电池，形成将多个单电池层叠而成的叠层结构。单电池形成如下结构：在由离子交换膜构成的电解质的一面上具有空气极，在另一面上具有燃料极，而且，具有从两侧夹持空气极及燃料极的一对隔板。在这种情况下，向一个隔板的氢气流路供给氢气，向另一个隔板的氧化气体流路供给作为氧化气体的空气，这些反应气体进行化学反应，从而产生电力。

该燃料电池12与用于使车辆行驶的驱动电动机13连接，并向驱动电动机13供给电力。

在从该燃料电池12向驱动电动机13供电的燃料电池电力供给路径A上，从燃料电池12侧依次连接有FC升压转换器（第一转换器）14、断路装置15、继电器16及驱动逆变器17。另外，断路装置15及继电器16的配置可以颠倒。

这样一来，在燃料电池系统11中，由燃料电池12发电产生的电力通过FC升压转换器14而进行升压，经由驱动逆变器17而向驱动电动机13供电。

驱动电动机13例如为三相交流电动机，与驱动电动机13连接的驱动逆变器17将直流电流转换成三相交流，并向驱动电动机13供给。

另外，燃料电池系统11具备向驱动电动机13供给电力的蓄电池21。在从该蓄电池21向驱动电动机13供电的蓄电池电力供给路径B上，从蓄电池21侧依次连接有继电器22及蓄电池升压转换器（第二转换器）23。

该蓄电池21的蓄电池电力供给路径B连接于燃料电池12的燃料电池电力供给路径A上的继电器16与驱动逆变器17之间，经由燃料电池电力供给路径A与蓄电池电力供给路径B之间的连接点C而能够将来自蓄电池21的电力向驱动电动机13供给。

由此，断路装置15配置得比燃料电池电力供给路径A与蓄电池电力供给路径B之间的连接点C靠燃料电池12侧。

另外，在蓄电池电力供给路径B上的蓄电池21与继电器22之间设有熔丝24。

蓄电池升压转换器23是直流电压转换器，具有调整从蓄电池21输入的直流电压而向驱动电动机13侧输出（使蓄电池21的放电电力升压而输出）的功能和调整从燃料电池12或驱动电动机13输入的直流电压而向蓄电池21输出的功能。通过这种蓄电池升压转换器23的功能，实现了蓄电池21的充放电。而且，通过蓄电池升压转换器23，控制了燃料电池12的输出电压。

蓄电池21基于来自未图示的控制部的控制信号，能够对剩余电力进行充电或辅助性地供给电力。

而且，燃料电池系统11具备辅机用逆变器25，该辅机用逆变器25连接于蓄电池电力供给路径B上的蓄电池升压转换器23与连接点C之间。在辅机用逆变器25上连接有空气压缩机26、氢泵27及冷却水泵28等辅机，这些辅机能够通过由辅机用逆变器25供电而被驱动。

接下来，对设于燃料电池电力供给路径A的断路装置15进行说明。

如图2所示，断路装置15具备侧面观察形成为L字形的框架30，该框架30具有铁片支撑部31和柱塞支撑部32。在框架30的铁片支撑部31上支撑有能够摆动的可动铁片33，该可动铁片33具有接点部34和磁化部35。并且，在该可动铁片33的接点部34与框架30的铁片支撑部31接触的状态下，从燃料电池12向驱动电动机13供电的燃料电池电力供给路径A的电路闭合。

在框架30的柱塞支撑部32支撑有柱塞机构36。柱塞机构36具备形成为有底圆筒状的保持筒41，在该保持筒41内收容有形成为圆柱状的能够滑动的柱塞42。而且，保持筒41在其开口部侧设有电磁极部件43，通过该电磁极部件43将保持筒41的开口部封闭。而且，在保持筒41内，在柱塞42与电磁极部件43之间设有螺旋弹簧44，通过该螺旋弹簧44的弹力而向保持筒41的底部侧对柱塞42进行施力。在柱塞42上形成有向螺旋弹簧44侧突出的支撑销部46，该支撑销部46插入于螺旋弹簧44内。而且，在该柱塞机构36设有线圈47以覆盖保持筒41的周围，从燃料电池12向驱动电动机13供电的电流在该线圈47中流动。

在具备上述断路装置15的燃料电池系统11中，当因某些异常发生短路而使燃料电池电力供给路径A中流有较大的短路电流时，在燃料电池电力供给路径A中，在断路装置15的线圈47中也流有较大电流。这样一来，如图3所示，在断路装置15的柱塞机构36中，通过线圈47而产生大的磁力，在该磁力的作用下，可动铁片33的磁化部35吸附于电磁极部件43。由此，可动铁片33转动，该可动铁片33的接点部34从框架30的铁片支撑部31分离，从燃料电池12向驱动电动机13供电的燃料电池电力供给路径A的电路断开。由此，将供向驱动电动机13的异常的较大电流切断。

另外，当燃料电池系统11因某些原因而过载时，比通常运转时大的过电流（例如，比通常运转时的最大电流增加了20%的电流）在燃料电池电力供给路径A流动，在断路装置15的线圈47中也流有过电流。这样一来，如图4所示，在断路装置15的柱塞机构36中，通过线圈47产生磁力。另外，在通过该过电流在线圈47中流动而产生的磁力作用下，可动铁片33的磁化部35不会吸附于电磁极部件43。然而，当该过载状态持续而使过电流向线圈47持续流动时，如图4所示，通过所产生的磁力将柱塞42向线圈47内拉入，由此，在柱塞机构36产生大的磁力。这样一来，通过该大的磁力将可动铁片33的磁化部35吸附于电磁极部件43。由此，可动铁片33转动，该可动铁片33的接点部34从框架30的铁片支撑部31分离，从燃料电池12向驱动电动机13供电的燃料电池电力供给路径A的电路断开。由此，将供向驱动电动机13的过电流切断。

这样一来，在燃料电池系统11处于过载状态的情况下，能抑制因不会导致燃料电池系统11产生问题的临时性的过载而引起的燃料电池电力供给路径A的切断；在过载持续一定时间以上的异常状态时，才将燃料电池电力供给路径A切断。

当断路装置15工作而将燃料电池电力供给路径A切断时，不再从燃料电池12向驱动电动机13供给电力。

然而，即使在这种情况下，在本实施方式的燃料电池系统11中，也能够将来自蓄电池21的电力从蓄电池电力供给路径B向驱动电动机13供给。

由此，在搭载有该燃料电池系统11的车辆中，通过接受来自蓄电池21的电力供给来驱动驱动电动机13，从而能够自行向退避场所等移动。

在此，也考虑到取代电磁式的断路装置15而是设置熔断式的熔丝这一情况。然而，在具备大容量的蓄电池21的燃料电池系统11中，当考虑比常温高的氛围温度等车载环境时，需要大容量的熔丝，因而导致熔丝的大型化而占空间。

图5是表示熔断式的熔丝的熔断特性的图。如图5所示，熔断式的熔丝中，到熔断为止的时间相对于电流的关系为平滑的曲线。因此，在具有这种熔断特性的熔丝中，在大型且大容量的熔丝（图5中Ha所示的熔丝）中，即使动作所需的电流流过，直到熔丝熔断而将电路切断为止也需要花费相当长的时间。而且，若为了缩短直到熔丝熔断而将电路切断为止的时间而使用小容量的熔丝（图5中Hb所示的熔丝），则即使是以额定电流通电时的发热，熔丝也可能熔断而将电路切断。

这样一来，熔断式的熔丝难以实现如下功能：不仅需要控制金属的物理特性，而且在以额定电流通电时的发热时不会熔断，而在发生短路或过载时则迅速地将电路切断。尤其是在燃料电池系统11中，由于所产生的电流变大，因此在熔断式的熔丝中，难以同时实现通电功能和切断功能。

图6是表示电磁式的断路装置的动作特性的图。如图6所示，电磁式的断路装置中，能够将直到切断为止的时间相对于电流的关系设为急剧变化的曲线。因此，在具有这种动作特性的断路装置中，无论是大容量的断路装置（图6中Da所示的断路装置）还是容量比较小的断路装置（图6中Db所示的断路装置），当动作所需的电流流过时，都能瞬间将电路切断。即，在以额定电流通电时，维持将电路闭合的状态，在因某些异常引起的短路时或过载持续时，则能够顺畅地切断。

并且，在本实施方式的燃料电池系统11中，通过具备上述的电磁式的断路装置15，能够仅在燃料电池系统11发生短路时或处于过载状态时将燃料电池电力供给路径A顺畅地切断。

另外，在本实施方式的燃料电池系统11中，将断路装置15相对于燃料电池12而隔着FC升压转换器14配置于驱动电动机13侧。在该断路装置15的配置部位，从燃料电池12输出的大电流的电力由FC升压转换器14升压而电流值下降。因此，作为断路装置15，与配置得比FC升压转换器14靠燃料电池12侧的情况相比，能够使用小型且低成本的小电流用的结构。

另外，若使用能够手动切断的断路装置15，则能够省略充电用插头（サービスプラグ），能够实现结构的简化及维护的容易化。

另外，在上述的实施方式中，例示了为了能够将燃料电池12及蓄电池21的电压调整成与各种规格对应的电压而设有FC升压转换器14及蓄电池升压转换器23作为升压转换器的燃料电池系统11，但本发明的燃料电池系统也可以如图7所示是仅具备蓄电池升压转换器23的燃料电池系统11，还可以如图8所示是仅具备FC升压转换器14的燃料电池系统11。在这种情况下，断路装置15也设置得比燃料电池电力供给路径A的与蓄电池电力供给路径B的连接点C靠燃料电池12侧。

另外，在仅具备FC升压转换器14的燃料电池系统11中，还可以是不具备继电器22及熔丝24的构造。

而且，本发明的燃料电池系统如图9所示也可以是如下燃料电池系统11：仅具备燃料电池12作为向驱动电动机13、辅机（空气压缩机26、氢泵27、冷却水泵28等）供电的电力供给源，而不具备蓄电池21、蓄电池升压转换器23、继电器22及熔丝24。在这种情况下，断路装置15也设置得比燃料电池电力供给路径A的与蓄电池电力供给路径B的连接点C靠燃料电池12侧。

在图1的实施方式中，将断路装置15设于FC升压转换器14的后段（从燃料电池12向驱动电动机13的电力供给方向下游侧），换言之，以FC升压转换器14为基准而位于燃料电池12的相反侧（驱动电动机13侧），但也可以如图10所示，将断路装置15设于FC升压转换器14的前段（从燃料电池12向驱动电动机13的电力供给方向上游侧），换言之，以FC升压转换器14为基准而设于燃料电池12侧。

另外，在上述实施方式中，将断路装置15设于燃料电池电力供给路径A侧，但也可以将断路装置15设于蓄电池电力供给路径B侧。在这种情况下，当由于蓄电池21侧的输出异常或过载而断路装置15工作时，来自蓄电池21的电力不会向驱动电动机13供给，但是通过接收来自燃料电池12的电力供给而使驱动电动机13驱动，从而能够自行向退避场所等移动。

另外，在上述的实施方式中，说明了将本发明的燃料电池系统搭载于燃料电池车辆这一情况，但是本发明的燃料电池系统也能够适用于燃料电池车辆以外的各种移动体（机器人、船舶、航空器等）。而且，本发明的燃料电池系统也能够适用于作为建筑物（住宅、大厦等）用的发电设备而使用的固定用发电系统。

Claims (1)

1.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池，通过燃料气体与氧化气体的电化学反应而进行发电；以及

驱动源，接受电力的供给而进行驱动，

所述燃料电池系统具备：

燃料电池电力供给路径，设于所述燃料电池与所述驱动源之间；以及

断路装置，设于所述燃料电池电力供给路径，

所述断路装置具备线圈和可动铁片，所述可动铁片能够根据在所述线圈中流有电流时产生的磁力的大小而进行动作，

所述可动铁片在所述线圈中临时性地流动过电流而产生的磁力下并不动作，在所述线圈中流动所述过电流的过载状态持续一定时间以上而产生的磁力下才进行动作而将电路切断，所述过电流比通常运转时的最大电流增加20％以上。