JP2005346948A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムを大型化させることなく、燃料電池スタックの出力電圧がコンバータが規定する電圧値を下回る状態にある場合でも燃料電池スタックの出力を外部に供給可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック２の出力電圧が所定値以下になった際、制御コントローラ６が、通常時よりも高い冷却能力によりＤＣ／ＤＣコンバータ３を冷却する。これにより、同じ出力電力を維持しようと電流量を増やした場合であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の温度上昇を防止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力制限を防ぐことができるので、燃料電池スタック２の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧下限値以下である場合においても、燃料電池スタック３の出力を外部に供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。

従来より、水素と空気を利用して発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックの温度を調節するための冷却水路と、燃料電池スタックの出力電圧を負荷に適合した値に変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、コンバータと略記）とを有する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００３−２１７６３５号公報

従来までの燃料電池システムでは、燃料電池スタックが負荷が必要とする電力を供給できる状態にはあるが、例えば低温時等の場面において、燃料電池スタックの出力電圧がコンバータが規定する電圧値を下回る状態になる時がある。そして、このような時に、同じ出力電力を維持しようと燃料電池スタックの電流量を増やした場合には、コンバータを構成するスイッチングモジュールのジャンクション温度が上限値を超える可能性があるために、コンバータが出力制限し、燃料電池システムが非常停止状態や出力制限状態になることがある。

従って、従来までの燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの出力電圧がコンバータが規定する電圧値を下回る状態にある時には、燃料電池スタックの出力を外部に取り出すことができない。なお、このような問題を解決するために、コンバータを低電圧時にも対応可能なように設計する方法も考えられるが、この場合、昇圧用のリアクトルやスイッチモジュール等のコンバータを構成する部品の規模が大きくなるので、燃料電池システムを小型化することが困難になる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システムを大型化させることなく、燃料電池スタックの出力電圧がコンバータが規定する電圧値を下回る状態にある場合においても燃料電池スタックの出力を外部に供給可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックの出力電圧がコンバータの入力可能電圧以下である場合、コンバータ用冷却水路の冷却性能を上げる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、同じ出力電力を維持しようと電流量を増やした場合であっても、コンバータの温度上昇を防止することができるので、システムを大型化させることなく、燃料電池スタックの出力電圧がコンバータが規定する電圧値を下回る状態にある場合においても燃料電池スタックの出力を外部に供給することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成と動作について説明する。

［燃料電池システムの構成］
本発明の実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、水素と空気を利用して発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２が発電した直流電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３により変圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４と、インバータ４の出力電圧を利用して車両を駆動するモータ５と、燃料電池システム１の動作を制御する制御コントローラ６とを主な構成要素として備える。

上記燃料電池スタック２は、スタック内部の温度を測定する温度センサ７と、スタックを構成する燃料電池を冷却するための冷却水路８とを備える。また、冷却水路８内には、冷却ポンプ９により冷却水が循環され、冷却水が吸収した燃料電池の熱は熱交換器１０によって外部に放熱される。上記ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、コンバータ内部を冷却するための冷却水路１１を備える。また、冷却水路１１内には、冷却ポンプ１２により冷却水が循環され、冷却水が吸収したＤＣ／ＤＣコンバータ３の熱は熱交換器１３によって外部に放熱される。

上記制御コントローラ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の冷却水路１１を流れる冷却水の温度と水量の関係を規定した通常運転時用及び低温運転時用の制御マップを記憶する。なお、通常運転時用及び低温運転時用の制御マップは、図２に示すように、通常運転時におけるＤＣ／ＤＣコンバータ３の冷却性能より低温運転時におけるＤＣ／ＤＣコンバータ３の冷却性能が高くなるように構成されている。

そして、詳しくは後述するが、制御コントローラ６は、起動信号１４の入力に応じて動作を開始し、燃料電池スタック２の出力電圧と、温度センサ１５，１６により検出された冷却水路８及び冷却水路１１を循環する冷却水の温度と、外気温度センサ１７により検出した車外の温度とに基づいて、制御マップに従ってＤＣ／ＤＣコンバータ３の温度を制御する。

［燃料電池システムの動作］
従来までの燃料電池システムでは、燃料電池スタックの出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧下限値以下、且つ、出力電流が所定値以上の状態にある場合（図３に示す領域Ａ）、ＤＣ／ＤＣコンバータが出力制限を行う。従って、従来までの燃料電池システムによれば、低温時，スタック内の温度を調整している時，スタック内の温度調整に失敗した時，スタック内で燃料ガスや空気の濃度調整に失敗した時等、燃料電池スタックの出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧下限値以下である場合には、燃料電池スタックの出力を外部に供給することができない。そこで、上記燃料電池システム１では、制御コントローラ６が以下に示す第１及び第２の実施形態となる流量制御処理を実行することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の温度を制御し、燃料電池スタック２の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧下限値以下である場合においても、燃料電池スタック３の出力を外部に供給することを可能にする。

始めに、図４に示すフローチャートを参照して、本発明の第１の実施形態となる流量制御処理を実行する際の制御コントローラ６の動作について詳しく説明する。

図４に示すフローチャートは、制御コントローラ６に起動信号１４が入力されるのに応じて開始となり、流量制御処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、制御コントローラ６が、燃料電池スタック２の出力電圧を検出する。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１の処理からステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、制御コントローラ６が、燃料電池スタック２の出力電圧が所定値、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力下限値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、出力電圧が所定値以下でない場合、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ３の処理に進める。一方、出力電圧が所定値以下である場合には、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ４の処理に進める。

ステップＳ３の処理では、制御コントローラ６が、図３に示す通常運転時の制御マップに従って冷却水路１１を流れる冷却水量を制御し、通常の冷却能力によりＤＣ／ＤＣコンバータ３を冷却する。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ１の処理に戻す。

ステップＳ４の処理では、制御コントローラ６が、図３に示す低温運転時の制御マップに従って冷却水路１１を流れる冷却水量を制御し、通常時よりも高い冷却能力によりＤＣ／ＤＣコンバータ３を冷却する。これにより、このステップ４の処理は完了し、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ１の処理に戻す。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる流量制御処理によれば、燃料電池スタック２の出力電圧が所定値以下になった際、制御コントローラ６が、通常時よりも高い冷却能力によりＤＣ／ＤＣコンバータ３を冷却するので、同じ出力電力を維持しようと電流量を増やした場合であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の温度上昇を防止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力制限を防ぐことができる。従って、本発明の第１の実施形態となる流量制御処理によれば、システムを大型化させることなく、燃料電池スタック２の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧下限値以下である場合においても、燃料電池スタック３の出力を外部に供給することができる。

次に、図５に示すフローチャートを参照して、本発明の第２の実施形態となる流量制御処理を実行する際の制御コントローラ６の動作について詳しく説明する。

図５に示すフローチャートは、制御コントローラ６に起動信号１４が入力されるのに応じて開始となり、流量制御処理はステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１の処理では、制御コントローラ６が、燃料電池スタック２の出力電圧を検出する。これにより、このステップＳ１１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１１の処理からステップＳ１２の処理に進む。

ステップＳ１２の処理では、制御コントローラ６が、燃料電池スタック２の出力電圧が所定値以下、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力下限値であるか否かを判別する。そして、判別の結果、出力電圧が所定値以下でない場合、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ１５の処理に進める。一方、出力電圧が所定値以下である場合には、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ１３の処理に進める。

ステップＳ１３の処理では、制御コントローラ６が、燃料電池スタック２を冷却するための冷却水路８内を循環する冷却水の温度を検出する。これにより、このステップＳ１３の処理は完了し、制御処理はステップＳ１３の処理からステップＳ１４の処理に進む。

ステップＳ１４の処理では、制御コントローラ６が、冷却水路８内を循環する冷却水の温度が所定値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、冷却水の温度が所定値以下である場合、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ１６の処理に進める。一方、冷却水の温度が所定値以下でない場合には、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ１５の処理に進める。

ステップＳ１５の処理では、制御コントローラ６が、図３に示す通常運転時の制御マップに従って冷却水路１１を流れる冷却水量を制御し、通常の冷却能力によりＤＣ／ＤＣコンバータ３を冷却する。これにより、このステップＳ１５の処理は完了し、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ１１の処理に戻す。

ステップＳ１６の処理では、制御コントローラ６が、図３に示す低温運転時の制御マップに従って冷却水路１１を流れる冷却水量を制御し、通常時よりも高い冷却能力によりＤＣ／ＤＣコンバータ３を冷却する。これにより、このステップ１６の処理は完了し、制御コントローラ６は制御処理をステップＳ１１の処理に戻す。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる流量制御処理によれば、燃料電池スタック２の出力電圧が所定値以下、且つ、冷却水路８内の冷却水の温度が所定値以下になった場合、制御コントローラ６が、通常時よりも高い冷却能力によりＤＣ／ＤＣコンバータ３を冷却するので、同じ出力電力を維持しようと電流量を増やした場合であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の温度上昇を防止し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力制限を防ぐことができる。従って、本発明の第２の実施形態となる流量制御処理によれば、システムを大型化させることなく、燃料電池スタック２の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧下限値以下である場合においても、燃料電池スタック３の出力を外部に供給することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を冷却するための冷却水路１１を流れる冷却水の量を制御することによりＤＣ／ＤＣコンバータ３の温度を制御したが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３に設けられた冷却ファンの回転数を制御することによりＤＣ／ＤＣコンバータ３の温度を制御してもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 冷却水の温度と水量の関係を規定した通常運転時用及び低温運転時用の制御マップを示す。 ＤＣ／ＤＣコンバータが出力制限を行う燃料電池スタックの電流及び電圧の範囲を示す図である。 本発明の第１の実施形態となる流量制御処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の第２の実施形態となる流量制御処理の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３：ＤＣ／ＤＣコンバータ
４：インバータ
５：モータ
６：制御コントローラ
７，１５，１６：温度センサ
８，１１：冷却水路
９，１２：冷却ポンプ
１０，１３：熱交換器
１４：起動信号
１７：外気温度センサ

Claims (3)

1. 燃料電池が複数積層された燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの出力電圧を変圧するコンバータと、
   冷却水を循環させることにより前記コンバータを冷却するコンバータ用冷却水路と、
   前記冷却水の温度及び水量を制御することにより前記コンバータ用冷却水路の冷却性能を制御する制御コントローラとを備え、
   前記制御コントローラは、前記燃料電池スタックの出力電圧が前記コンバータの入力可能電圧以下である場合、前記コンバータ用冷却水路の冷却性能を上げること
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   冷却水を循環させることにより前記燃料電池スタックを冷却するスタック用冷却手路と、前記スタック用冷却水路を循環する冷却水の温度を検出する水温センサとを備え、前記制御コントローラは、前記燃料電池スタックの出力電圧が前記コンバータの入力可能電圧以下、且つ、前記スタック用冷却水路を循環する冷却水の温度が所定値以下である場合、前記コンバータ用冷却水路の冷却性能を上げること
   を特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御コントローラは、前記スタック用冷却水路を循環する冷却水の温度が前記所定値以上になるのに応じて、前記コンバータ用冷却水路の冷却性能を通常の状態に戻すことを特徴とする燃料電池システム。

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