JP2006278296A - 電圧変換装置、燃料電池発電システムおよび発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 構成を複雑化することなく、低温下においても燃料電池を短時間に始動させることが可能な電圧変換装置、燃料電池発電システムおよび発電方法を提供する。
【解決手段】 ＤＣ−ＤＣコンバータ５（第２の電圧変換回路５２）を、水タンク２または水経路ＷＬ１の少なくとも一方に隣在させる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５内の温度検出回路５３が、これらの部位での水温を検出する。さらに、制御回路４が所定の基準水温（基準水温Ｔｃ）を設定する。検出水温が基準水温Ｔｃよりも低い低水温状態のときには、第２の電圧変換回路５２の出力電圧を第２の出力電圧Ｖout２（＝４２Ｖ）から第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）へより低い電圧に設定変更すると共に、第１の負荷を増加させ、さらに第１および第２の電圧変換回路５１，５２の出力を互いに第１の負荷に対して共通接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば燃料電池自動車に好適に用いられる電圧変換装置、燃料電池発電システムおよび発電方法に関する。

近年、燃料電池を動力源とする燃料電池自動車の開発が活発に行われている。この燃料電池は、例えば水素などの燃料ガスと例えば酸素などの酸化剤ガスとを反応させることにより、発電させるものである。また、これら燃料ガスおよび酸化剤ガスは、例えば燃料電池スタック内においてイオン伝導性膜を挟んで配置された２つ電極に、それぞれ供給されるようになっている。

一般に、燃料ガスおよび酸化剤ガスにはそれぞれ、イオン伝導成膜の劣化に起因して反応が起こらなくなるのを防止するため、水蒸気が混合されるようになっている。このように、燃料電池を用いた発電システムにおいては、水の供給が必要となる。そのため、一般にはこれらのガスを加湿する水タンクが設けられ、燃料電池スタックに水が供給されるようになっている。

ここで、低温下で（例えば、寒冷地や冬場などに）燃料電池自動車を始動させる場合、水タンクや、この水タンクと燃料電池スタックとの間を循環させる水経路における水分が凍結してしまい、発電ができなくなってしまうことがある。そこで従来は、ヒータなどの加熱手段を用いて水分を解凍させるようにしていたが、解凍するのに時間がかかることから、燃料電池が発電できるようになるまで、すなわち燃料電池自動車が始動できるようになるまでには、長時間を要していた。

そこで、燃料電池自動車が短時間で始動できるようにするため、例えば特許文献１には、上記した水タンクとは別に容量が小さく加熱機能または保温機能を備えた予備タンクを設け、低温での始動時にはヒータによって予備タンク内の水分を解凍させ、燃料電池へ供給するようにした技術が開示されている。

特開２０００−１４９９７０号公報

ところで、このような加熱手段としてのヒータは、一般にＤＣ−ＤＣコンバータによって駆動されることで、発熱するようになっている。このＤＣ−ＤＣコンバータは、直流の入力電圧をスイッチング素子よりなるスイッチング回路によってパルス電圧に変換したのち、このパルス電圧をトランスによって降圧または昇圧し、このトランスの出力電圧を整流回路および平滑回路等によって再び直流電圧に変換するという機能を有する、電圧変換装置である。

ここで、上記特許文献１では、予備タンクの容量が小さいとはいえ、やはりヒータによって加熱しなければならならず、短時間で始動できるようにするには、ヒータを多数設けたり、大型化したりする必要が生じる。したがって、このＤＣ−ＤＣコンバータも多数設けたり大型化したりすることで、大電力化する必要が生じる。また、上記特許文献１では、新たに加熱機能や保温機能を備えた予備タンクを設ける必要がある。

ところが、このように新たに予備タンクを設けたり、ヒータを増加または大型化（ＤＣ−ＤＣコンバータを増加または大型化）したりした場合、自動車全体の重量が増加し、燃費が悪化しまうこととなる。また、部品点数の増加や各部品の大型化などにより、製造コストが高くなってしまうことにもなる。

このように、従来の技術では、低温下においても短時間で始動させることが可能な燃料電池発電システムを簡易に構築するのが困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、構成を複雑化することなく、低温下においても燃料電池を短時間に始動させることが可能な電圧変換装置、燃料電池発電システムおよび発電方法を提供することにある。

本発明の電圧変換装置は、燃料電池と、水を貯蔵する水タンクと、これら燃料電池と水タンクとの間で水を循環させる水経路とを含んで構成された燃料電池発電システムに対して適用され、燃料電池から供給された電圧を変換して第１の負荷を駆動するためのものであって、水タンクまたは水経路の少なくとも一方における水の温度を検出する温度検出手段と、燃料電池から供給された入力電圧を第１の出力電圧に変換して第１の負荷を駆動する第１の電圧変換回路と、水タンクまたは水経路の少なくとも一方に隣在し、上記入力電圧を第１の出力電圧よりも高い電圧からなる第２の出力電圧に変換して第１の負荷とは異なる第２の負荷を駆動する第２の電圧変換回路と、第１および第２の電圧変換回路の出力同士を接続または切断する接続素子と、温度検出手段によって検出された検出水温が所定の基準水温よりも高い高水温状態のときには第１の電圧変換回路の出力のみを第１の負荷に接続させる一方、検出水温が基準水温よりも低い低水温状態のときには第２の電圧変換回路の出力電圧を第１の出力電圧に設定すると共に第１の負荷を増加させ、さらに１および第２の電圧変換回路の出力同士を互いに第１の負荷に対して共通接続させるように、第１および第２の電圧変換回路ならびに接続素子を制御する制御回路とを備えたものである。

本発明の電圧変換装置では、水タンクまたは水経路の少なくとも一方において、水の温度が検出される。そして得られた検出水温と所定の基準水温との比較により、これらの部位が高水温状態であるか、あるいは低水温状態であるかが判断される。検出水温が基準水温よりも低い低水温状態のときには、第２の電圧変換回路の出力電圧が第２の出力電圧から第１の出力電圧へとより低い電圧に設定変更されると共に、第１の負荷が増加する。このような設定状態のもので、さらに第１の電圧変換回路の出力に加えて第２の電圧変換回路の出力もが第１の負荷に接続され、互いに第１の負荷に対して共通接続する。すなわち、第１および第２の電圧変換回路の出力電圧がいずれもより電圧の低い第１の出力電圧となり、その状態のもとで、大きさの増加した第１の負荷が駆動される。したがって、第２の電圧変換回路が低効率状態となって熱が発生し、さらにこの第２の電圧変換回路が上記水タンクまたは水経路の少なくとも一方に隣在していることから、発生した熱がこれらの部位に伝導し、水温が上昇する。

本発明の電圧変換装置では、上記第２の電圧変換回路が、入力電圧をスイッチングすることにより交流電圧を生成するスイッチング素子と、このスイッチング素子により生成された交流電圧を変圧する変圧器と、この変圧器により変圧された交流電圧を整流する整流素子を含むと共にこの整流素子に基づいて出力電圧を生成する出力回路とを有するように構成することが可能である。このように構成した場合、低水温状態のときに、これらスイッチング素子および整流素子での電力損失が大きくなることで、第２の電圧変換回路が低効率状態となる。

本発明の電圧変換装置では、上記接続素子を、電界効果型トランジスタを含んで構成することが好ましい。このように構成した場合、低水温状態のときに接続素子においても電力損失が発生することから、この分の発熱についても、水温の上昇のために供し得ることとなる。

本発明の電圧変換装置では、上記温度検出手段は、例えば、サーミスタを含んで構成することが可能である。

本発明の電圧変換装置では、上記第２の負荷が、低水温状態のときには駆動不要なものであり、上記制御回路が、低水温状態のときに第２の電圧変換回路が第２の負荷を駆動するのを停止させるようにすることが好ましい。このように構成した場合、低水温状態のときに、第２の電圧変換回路が第１の電圧変換回路と共に第１の負荷のみを駆動することとなり、本来駆動すべき第１の負荷へ供給される電力量がより増加する。

本発明の燃料発電システムは、第１の負荷を駆動するための発電を行うものであって、燃料電池と、水を貯蔵する水タンクと、これら燃料電池と水タンクとの間で水を循環させる水経路と、水タンクまたは水経路の少なくとも一方における水の温度を検出する温度検出手段と、燃料電池から供給された入力電圧を第１の出力電圧に変換して第１の負荷を駆動する第１の電圧変換回路と、水タンクまたは水経路の少なくとも一方に隣在し、上記入力電圧を第１の出力電圧よりも高い電圧からなる第２の出力電圧に変換して第１の負荷とは異なる第２の負荷を駆動する第２の電圧変換回路と、第１および第２の電圧変換回路の出力同士を接続または切断する接続素子と、温度検出手段によって検出された検出水温が所定の基準水温よりも高い高水温状態のときには第１の電圧変換回路の出力のみを第１の負荷に接続させる一方、検出水温が基準水温よりも低い低水温状態のときには第２の電圧変換回路の出力電圧を第１の出力電圧に設定すると共に第１の負荷を増加させ、さらに第１および第２の電圧変換回路の出力同士を互いに第１の負荷に対して共通接続させるように、第１および第２の電圧変換回路ならびに接続素子を制御する制御回路とを備えたものである。

本発明の発電方法は、燃料電池と、水を貯蔵する水タンクと、これら燃料電池と水タンクとの間で水を循環させる水経路とを含んで構成された燃料電池発電システムに対して適用され、第１の負荷を駆動するための発電を行うものであって、水タンクまたは水経路の少なくとも一方における水の温度を検出して検出水温を求め、燃料電池から供給された入力電圧を第１の出力電圧に変換して第１の負荷を駆動する第１の電圧変換回路を構成し、上記入力電圧を第１の出力電圧よりも高い電圧からなる第２の出力電圧に変換して第１の負荷とは異なる第２の負荷を駆動する第２の電圧変換回路を構成すると共に第２の電圧変換回路を水タンクまたは水経路の少なくとも一方に隣在させ、検知水温が所定の基準水温よりも高い高水温状態のときには第１の電圧変換回路の出力のみを第１の負荷に接続する一方、検出水温が基準水温よりも低い低水温状態のときには第２の電圧変換回路の出力電圧を第１の出力電圧に設定すると共に第１の負荷を増加させ、さらに第１および第２の電圧変換回路の出力同士を互いに第１の負荷に対して共通接続するようにしたものである。

本発明の電圧変換装置、燃料電池発電システムまたは発電方法によれば、第２の電圧変換回路を水タンクまたは水経路の少なくとも一方に隣在させると共にこれらの部位での水温を検出し、低水温状態と判断されたときには、第２の電圧変換回路の出力電圧を第２の出力電圧から第１の出力電圧へより低い電圧に設定変更すると共に第１の負荷を増加させ、さらに第１および第２の電圧変換回路の出力を互いに第１の負荷に対して共通接続するようにしたので、第２の電圧変換回路が低効率状態となって発熱し、これにより水温を上昇させることができるので、構成を複雑化することなくとも、低温下において燃料電池を短時間に始動させることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池発電システムの全体構成を表すものである。この燃料電池発電システムは、燃料電池１で生成された電力をＤＣ−ＤＣコンバータ５およびインバータ７に供給することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の負荷およびモータ８に対する駆動を行うものである。なお、本発明の一実施の形態に係る発電方法は、本実施の形態に係る燃料電池発電システムによって具現化されるので、以下、併せて説明する。

この燃料電池発電システムは、燃料電池１と、水タンク２と、二次電池３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４（第１のＤＣ−ＤＣコンバータ）と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５（第２のＤＣ−ＤＣコンバータ）と、このＤＣ−ＤＣコンバータ５の負荷であるラジエータ６０、ヒータ６１、補機用バッテリ６２、補機６３および追加負荷６４と、インバータ７と、モータ８とを備えている。

燃料電池１は、例えば図示しない水素（Ｈ₂）などの燃料ガスと例えば図示しない酸素（Ｏ₂）などの酸化剤ガスとの反応に基づいて発電するものである。また、これら燃料ガスおよび酸化剤ガスは、例えば図示しない燃料電池スタック内において、図示しないイオン伝導性膜を挟んで配置された２つ電極にそれぞれ供給されるようになっている。また、この燃料電池１には、水タンク２から水経路ＷＬ１を介して、水が供給されるようになっている。この燃料電池１へ供給される水は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを加湿し、イオン伝導性膜の劣化に起因して反応が起こらなくなるのを防止するために用いられる。このようにして燃料電池１で生成された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５およびインバータ７へ供給される。

二次電池３は、この燃料電池発電システムの始動時に用いられ、燃料電池１が始動するまでの間の補助電源として機能するものである。二次電池３は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、または電気二重層コンデンサなどにより構成される。また、この二次電池３から供給された電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４によって電圧変換されると共に安定化され、ＤＣ−ＤＣコンバータ５およびインバータ７へ供給される。このようにして燃料電池発電システムの始動時には、燃料電池１の代わりに二次電池３からＤＣ−ＤＣコンバータ４を介してＤＣ−ＤＣコンバータ５およびインバータ７へ電力が供給されるようになっている。

インバータ７は、燃料電池１から（または始動時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ４から）供給された直流電圧を交流電圧に変換し、モータ８へ供給するものである。このようにして生成された交流電圧によって、モータ８が駆動される。例えば、この燃料電池発電システムが燃料電池自動車に適用される場合、車両の駆動ユニットや燃料電池発電システム用のコンプレッサーが駆動される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、燃料電池１から（または始動時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ４から）入力端子Ｔ１，Ｔ２を介して供給された入力直流電圧Ｖinを、この入力直流電圧Ｖinとは異なる電圧の出力直流電圧Ｖout１（第１の出力電圧；例えば１４Ｖ），Ｖout２（第２の出力電圧；例えば４２Ｖ）へと変換するものであり、括弧内に数値を例示したように、出力電圧Ｖout２は出力電圧Ｖout１よりも高い電圧値となるように設定される。ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、この第１の出力電圧Ｖout１によって第１の負荷であるヒータ６１、補機用バッテリ６２、補機６３および追加負荷６４を、また第２の出力電圧Ｖout２によって第２の負荷であるラジエータ６０を、それぞれ駆動する。これらの負荷のうち、第１の出力電圧Ｖout１によって駆動される第１の負荷は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力端子Ｔ３１，Ｔ４１からそれぞれ、出力ラインＬＯ１および接地ラインＬＧを介して接続されている。一方、第２の出力電圧Ｖout２によって駆動される第２の負荷は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力端子Ｔ３２，Ｔ４２からそれぞれ、出力ラインＬＯ２および接地ラインＬＧを介して接続されている。なお、詳細は後述するが、図１に模式的に示したように、このＤＣ−ＤＣコンバータ５内には、これら出力ラインＬＯ１，ＬＯ２同士を接続または切断することが可能なスイッチ素子（後述する接続素子５７）が設けられており、低温時にはこれら出力ラインＬＯ１，ＬＯ２同士を接続するようになっている。

ラジエータ６０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４、ＤＣ−ＤＣコンバータ５およびインバータ７内を循環している水経路ＷＬ２内の水を、ファンによる冷風ＣＬによって冷却するためのものである。また、この水経路ＷＬ２内の水は、これらの機器に対する冷却水として用いられるものである。したがって、ラジエータ６０は、この燃料電池発電システムの通常動作時（低温時以外のとき）にのみ使用されるものであり、後述するように、低温時にはその動作が停止するようになっている。

ヒータ６１は、低温下での（例えば、寒冷地や冬場などでの）始動時に、水タンク２内や水経路ＷＬ１内の水を加熱して水温を上昇させるためのものであり、発生した熱Ｑ１を伝導させることができるような位置に配置されている（隣在している）。このヒータ６１は、例えばシーズヒータなどにより構成される。補機用バッテリ６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５から供給される電力を貯蔵すると共に、その電力に基づいて補機６３を駆動するためのバッテリである。この補機６３としては、例えば、エアコン、ヘッドライト、パワーウインド、パワーステアリング、またはラジオなどが挙げられる。また、追加負荷６４は、後述するように低温時にのみ駆動される負荷であり、例えばヒータ６１と同様のヒータにより構成される。この追加負荷６４についてはその他の負荷を利用することもできるが、追加負荷６４をヒータにより構成することにより、追加負荷６４を加熱手段として機能されることもできるのでより好適である。この追加負荷６４では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の制御出力端子ＴＳから供給されるスイッチ信号ＬＳ０により例えばリレーや電界効果型トランジスタなどからなるスイッチ素子Ｓ０が駆動されることで、ＤＣ−ＤＣコンバータ５との接続が制御されるようになっている。

ここで、このＤＣ−ＤＣコンバータ５は、ヒータ６１と共に低温時に水タンク２内や水経路ＷＬ１内の水を加熱する加熱手段としても機能しており、ＤＣ−ＤＣコンバータ５（下記の第２の電圧変換回路５２）において発生した熱Ｑ２が水タンク２または水経路ＷＬ１の少なくとも一方に伝導できるような位置に配置されている（隣在している）。詳細は後述するが、このように配置されていることで、低温時において、これらの部位における水温をより早く上昇させることができるようになっている。なお、このＤＣ−ＤＣコンバータ５は、本発明に係る「電圧変換装置」の一具体例に対応する。

図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の回路構成を表すものである。このＤＣ−ＤＣコンバータ５は、入力端子Ｔ１，Ｔ２と出力端子Ｔ３１，Ｔ４１との間に接続された第１の電圧変換回路５１と、入力端子Ｔ１，Ｔ２と出力端子Ｔ３２，Ｔ４２との間に接続された第２の電圧変換回路５２と、この第２の電圧変換回路５２に接続された温度検出回路５３および制御回路５４と、この制御回路５４と制御出力端子ＴＳとの間に接続された負荷調整回路５８と、出力端子Ｔ３１，Ｔ３２間に挿入配置された接続素子５７と、この接続素子５７と制御回路５４との間に接続されたハイサイドドライバ５５と、このハイサイドドライバ５５に接続されたチャージポンプ回路５６とを備えている。入力端子Ｔ１，Ｔ２は、前述のように燃料電池１、ＤＣ−ＤＣコンバータ４およびインバータ７に接続され、出力端子Ｔ３１は、出力ラインＬＯ１を介してヒータ６１、補機用バッテリ６２、補機６３および追加負荷６４（第１の負荷）に接続され、出力端子Ｔ３２は出力ラインＬＯ２を介してラジエータ６０（第２の負荷）に接続されている。なお、出力端子Ｔ４１，Ｔ４２は、互いに接地ラインＬＧを介して上記第１および第２の負荷に共通接続されている。

第１の電圧変換回路５１は、入力端子Ｔ１，Ｔ２から供給される入力直流電圧Ｖinを異なる電圧（図２の例の場合、より低い電圧）の出力直流電圧Ｖout１（第１の出力電圧）へと変換し、上記第１の負荷を駆動する回路である。一方、第２の電圧変換回路５２は、入力直流電圧Ｖinを異なる電圧（図２の例の場合、より低い電圧）の出力直流電圧Ｖout２（第１の出力電圧）へと変換し、上記第２の負荷を駆動する回路である。この第２の電圧変換回路５２はまた、後述するように、低温時には入力直流電圧Ｖinを第２の出力電圧Ｖout２へと変換し、第２の負荷であるラジエータ６０の代わりに、第１の電圧変換装置５１と共に第１の負荷を駆動するようになっている。そしてこの第２の電圧変換回路５２５は、前述のようにヒータ６１と共に低温時に水タンク２内や水経路ＷＬ１内の水を加熱する加熱手段としても機能するようになっている。このような第２の電圧変換回路５２に対する制御は、後述するように、温度検出回路５３、制御回路５４、ハイサイドドライバ５５、チャージポンプ回路５６および接続素子５７によって行われる。以下、まず第１の電圧変換回路５１および第２の電圧変換回路５２について詳細に説明する。

まず、第１の電圧変換回路５１について説明する。

第１の電圧変換回路５１は、１次側高圧ラインＨ１と１次側低圧ラインＬ１との間に設けられたスイッチング回路５１１と、１次側巻線ＣＡ１およびこれと磁気結合する２次側巻線ＣＢ１，ＣＣ１を有するトランス５１２と、トランス５１２の２次側に設けられた整流回路５１３と、この整流回路５１３に接続された平滑回路５１４とを備えている。第１の電圧変換回路５１はまた、出力電圧制御回路５１５を備え、さらにこの出力電圧制御回路５１５内には、スイッチング回路５１１に接続されたスイッチング制御回路５１６が設けられている。

スイッチング回路５１１は、入力直流電圧Ｖinをほぼ矩形波状の単相交流電圧に変換する単相スイッチング回路であり、また、４つのスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４をフルブリッジ接続してなるフルブリッジ型のスイッチング回路である。具体的には、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１２の一端同士が互いに接続されると共にスイッチング素子Ｓ１３，Ｓ１４の一端同士が互いに接続され、これら一端同士が互いにトランス５１２の１次側巻線ＣＡ１を介して接続されている。また、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１３の他端同士が互いに１次側高圧ラインＨ１を介して入力端子Ｔ１に接続されると共に、スイッチング素子Ｓ１２，Ｓ１４の他端同士が互いに１次側低圧ラインＬ１を介して入力端子Ｔ２に接続されている。なお、スイッチング素子としては、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor）などのスイッチ素子が用いられる。

スイッチング回路５１１では、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１４がオンすることにより、１次側高圧ラインＨ１から順にスイッチング素子Ｓ１１、１次側巻線ＣＡ１およびスイッチング素子Ｓ１４を通って１次側低圧ラインＬ１に至る第１の電流経路に電流が流れる一方、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオンすることにより、１次側高圧ラインＨ１から順にスイッチング素子Ｓ３、１次側巻線ＣＡ１およびスイッチング素子Ｓ２を通って１次側低圧ラインＬ１に至る第２の電流経路に電流が流れるようになっている。

トランス５１２の１次側巻線ＣＡ１は、その一端がスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の一端同士と接続され、その他端がスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の一端同士と接続されている。また、２次側巻線ＣＢ１，ＣＣ１の一端同士（センタタップ）は互いに接続され、接地ラインＬＧを介して出力端子Ｔ４１に導かれている一方、それらの他端はそれぞれ、整流回路５１３における整流ダイオードＤ１１，Ｄ１２のアノードと接続されている。つまり、第１の電圧変換回路５１はセンタタップ型のものである。このトランス５１２は、スイッチング回路５１１によって変換された交流電圧を降圧または昇圧（この例では、降圧）し、一対の２次側巻線ＣＢ１，ＣＣ１の他端から互いに１８０度位相が異なる交流電圧を出力するようになっている。なお、この場合の降圧または昇圧の度合いは、１次側巻線ＣＡ１と２次側巻線ＣＢ１，ＣＣ１との巻数比によって定まる。

整流回路５１３は、一対の整流素子（整流ダイオードＤ１１，Ｄ１２）からなる両波整流型のものである。整流ダイオードＤ１１のアノードは２次側巻線ＣＢ１の他端と接続され、整流ダイオードＤ１２のアノードは２次側巻線ＣＣ１の他端と接続されている。また、これら整流ダイオードＤ１１，Ｄ１２のカソード同士は互いに出力ラインＬＯ１上で接続されている。つまり、この整流回路５１３はカソードコモン接続の構造を有しており、トランス５１２の交流出力電圧の各半波期間をそれぞれ整流ダイオードＤ１１，Ｄ１２によって個別に整流して直流電圧を得るようになっている。

平滑回路５１４は、チョークコイル５１４Ｌと平滑コンデンサ５１４Ｃとを含んで構成されている。チョークコイル５１４Ｌは出力ラインＬＯ１に挿入配置されており、その一端は整流ダイオードＤ１１，Ｄ１２のカソード同士と接続され、その他端は平滑コンデンサ５１４Ｃの一端、および出力ラインＬＯ１を介して出力端子Ｔ３１に接続されている。平滑コンデンサ５１４Ｃは、出力ラインＬＯ１上のチョークコイル５１４Ｌの他端と接地ラインＬＧとの間に接続されている。また、出力ラインＬＯの端部には、出力端子Ｔ４１が設けられている。平滑回路５１４はこのような構成により、整流回路５１３で整流された直流電圧を平滑化し、直流出力電圧Ｖout１（第１の出力電圧）を生成するようになっている。

出力電圧制御回路５１５は、出力ラインＬＯ１と接地との間に配置された一対の抵抗器５１５Ｃ１，５１５Ｃ２と、これらの抵抗器とスイッチング制御回路５１６との間に配置された誤差増幅器Ａｍｐ１とを有する。抵抗器５１５Ｃ１の一端は出力ラインＬＯ１上のチョークコイル５１４Ｌの他端と出力端子Ｔ３１との間に接続され、その他端は抵抗器５１５Ｃ２の一端および誤差増幅器Ａｍｐ１の反転入力端子と接続されている。また、抵抗器５１５Ｃ２の他端は接地されている。つまり、これら一対の抵抗器５１５Ｃ１，５１５Ｃ２は、第１の出力電圧Ｖout１の分圧抵抗として機能している。誤差増幅器Ａｍｐ１の非反転入力端子には基準電圧Ｒｅｆ１が供給され、その出力端子はスイッチング制御回路５１６の入力端子に接続されている。このような構成により出力電圧制御回路５１５は、第１の出力電圧Ｖout１を検出すると共に分圧し、その分圧された電圧（分圧電圧）と基準電圧Ｒｅｆ１との電位の大小を比較することで、分圧電圧が基準電圧Ｒｅｆ１と同電位となるようにこれらの電位差を誤差増幅するようになっている。このようにして、出力電圧制御回路５１５では、常に第１の出力電圧Ｖout１が監視されると共に、その電位の大小が検出されるようになっている。

出力電圧制御回路５１５はまた、前述のようにスイッチング制御回路５１６を有している。このスイッチング制御回路５１６は、誤差増幅器Ａｍｐ１からの出力信号に基づいて一定のパルス幅（デューティ比）をなすスイッチング信号ＬＳ１１〜ＬＳ１４を出力し、スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４の動作（スイッチング動作）を制御する回路である。具体的には、誤差増幅器Ａｍｐ１からの出力信号が上下するのに応じて、スイッチング信号ＬＳ１１〜ＬＳ１４のパルス幅を可変（デューティ比を制御）し、出力電圧Ｖout1が安定化するような制御を行っている。

次に、第２の電圧変換回路５２について説明する。なお、図２に示した第２の電圧変換回路５２の構成要素において、第１の電圧変換回路５１の構成要素と対応するものについては、第１の電圧変換回路５１についての符号に「１０」または「１」を加えた符号を付し、適宜説明を省略する。

第２の電圧変換回路５２は、基本的には第１の電圧変換回路５１と同様の回路構成であり、１次側高圧ラインＨ２と１次側低圧ラインＬ２との間に設けられたスイッチング回路５２１と、１次側巻線ＣＡ２およびこれと磁気結合する２次側巻線ＣＢ２，ＣＣ２を有するトランス５２２と、トランス５２２の２次側に設けられた整流回路５２３と、この整流回路５２３に接続された平滑回路５２４とを備えている。第２の電圧変換回路５１はまた、出力電圧制御回路５２５を備え、さらにこの出力電圧制御回路５２５内には、スイッチング回路５２１に接続されたスイッチング制御回路５２６が設けられている。

スイッチング回路５２１、トランス５２２、整流回路５２３および平滑回路５２４は、それぞれ、第１の電圧変換回路におけるスイッチング回路５１１、トランス５１２、整流回路５１３および平滑回路５１４と同様の構成および機能を有している。例えば、スイッチング回路５２１は、４つのスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４をフルブリッジ接続してなるフルブリッジ型のスイッチング回路であり、これにより入力直流電圧Ｖinをほぼ矩形波状の単相交流電圧に変換するようになっている。また、トランス５２２はセンタタップ型の構成であり、スイッチング回路５２１によって変換された交流電圧を降圧または昇圧（この例では、降圧）し、２次側巻線ＣＢ２，ＣＣ２から互いに１８０度位相が異なる交流電圧を出力するようになっている。また、整流回路５２３は、一対の整流素子（整流ダイオードＤ２１，Ｄ２２）からなるカソードコモン接続の両波整流型のものであり、トランス５２２の交流出力電圧の各半波期間をそれぞれ整流ダイオードＤ２１，Ｄ２２によって個別に整流して直流電圧を得るようになっている。また、平滑回路５２４は、チョークコイル５２４Ｌと平滑コンデンサ５２４Ｃとを含んで構成され、整流回路５２３で整流された直流電圧を平滑化し、出力端子Ｔ３２，Ｔ４２の間に直流出力電圧Ｖout２を出力するようになっている。なお、スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４は本発明における「スイッチング素子」の一具体例に対応し、トランス５２２は本発明における「変圧器」の一具体例に対応し、整流ダイオードＤ２１，Ｄ２２は本発明における「整流素子」の一具体例に対応する。また、整流回路５２３および平滑回路５２４は、本発明における「出力回路」の一具体例に対応する。

第１の電圧変換回路５１と第２の電圧変換回路５２とで異なるのは、出力電圧制御回路の構成である。出力電圧制御回路５２５は、出力電圧制御回路５１５と同様の構成要素として、出力ラインＬＯ２と接地との間に配置された一対の抵抗器５２５Ｃ１，５２５Ｃ２と、これらの抵抗器とスイッチング制御回路５２６との間に配置された誤差増幅器Ａｍｐ２と、この誤差増幅器Ａｍｐ２に接続されたスイッチング制御回路５２６とを有する。抵抗器５２５Ｃ１の一端は出力ラインＬＯ２上のチョークコイル５２４Ｌと出力端子Ｔ３２との間に接続され、その他端は抵抗器５２５Ｃ２の一端および誤差増幅器Ａｍｐ２の反転入力端子と接続され、抵抗器５２５Ｃ２の他端は接地されている。このような構成により、一対の抵抗器５２５Ｃ１，５２５Ｃ２は、第２の出力電圧Ｖout２の分圧抵抗として機能している。ここで、この出力電圧制御回路５２５はさらに、抵抗器５２５Ｃ３を有しており、その一端は電源Ｖccに接続され、その他端は接続点Ｐ１において誤差増幅器Ａｍｐ２の非反転入力端子に接続されるようになっている。また、この接続点Ｐ１はまた、後述する制御回路５４の出力端子と接続されるようになっている。つまり、出力電圧制御回路５１５における誤差増幅器Ａｍｐ１の非反転入力端子には、一定の基準電圧Ｒｅｆ１が供給される一方、出力電圧制御回路５２５における誤差増幅器Ａｍｐ２の非反転入力端子には、電源電圧Ｖccと制御回路５４とによって定められる可変の基準電圧Ｖ１が供給されるようになっている。このような構成により出力電圧制御回路５２５では、第２の出力電圧Ｖout２を検出すると共に分圧し、その分圧された電圧（分圧電圧）と可変の基準電圧Ｖ１との電位の大小を比較するようになっている。なお、スイッチング制御回路５２６は、スイッチング制御回路５１５と同様に、誤差増幅器Ａｍｐ２からの出力信号に基づいて一定のパルス幅（デューティ比）をなすスイッチング信号ＬＳ２１〜ＬＳ２４を出力し、スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４の動作（スイッチング動作）を制御する回路である。具体的には、誤差増幅器Ａｍｐ２からの出力信号が上下するのに応じて、スイッチング信号ＬＳ２１〜ＬＳ２４のパルス幅を可変（デューティ比を制御）し、出力電圧Ｖout2が安定化するような制御を行っている。

次に、温度検出回路５３、制御回路５４、ハイサイドドライバ５５、チャージポンプ回路５６、接続素子５７および負荷調整回路５８について詳細に説明する。

温度検出回路５３は、サーミスタ５３１と抵抗器５３２とを有する。抵抗器５３２の一端は電源Ｖccに接続され、その他端は接続点Ｐ２でサーミスタ５３１の一端に接続され、サーミスタ５３１の他端は接地されている。つまり、接続点Ｐ２には、これら抵抗器５３２およびサーミスタ５３１によって分圧された電源電圧Ｖcc（分圧電圧）が印加されるようになっている。また、サーミスタ５３１は温度に応じてその抵抗値が変化する特性を有し、温度に応じてその両端の電圧値が変化するようになっている。したがって、温度検出回路５３はこのような構成により、水タンク２または水経路ＷＬ１の少なくとも一方における水の温度（水温Ｔ）に応じて接続点Ｐ２の電位を変化させることで、この水温Ｔを検出するようになっている。なお、本実施の形態のサーミスタ５３１は、温度が低くなるほど抵抗値が大きくなるＮＴＣサーミスタにより構成されている。また、温度検出回路５３は、本発明における「温度検出手段」の一具体例に対応する。

制御回路５４は、比較器５４１と、抵抗器５４２〜５４５と、ＮＰＮトランジスタ５４６と、抵抗器５４７，５４８とを有する。比較器５４１の非反転入力端子は接続点Ｐ２に接続され、その反転入力端子には基準電圧Ｒｅｆ４が供給され、その出力端子は接続点Ｐ３に接続されている。また、抵抗器５４２の一端は電源Ｖccに接続され、その他端は接続点Ｐ３に接続されている。抵抗器５４３の一端は接続点Ｐ３に接続され、その他端はハイサイドドライバ５５の信号入力端子ＨＩに接続されている。抵抗器５４４の一端は接続点Ｐ３に接続され、その他端は負荷調整回路５８の入力端子に接続されている。抵抗器５４５の一端は接続点Ｐ３に接続され、その他端はＮＰＮトランジスタ５４６のベースに接続され、ＮＰＮトランジスタ５４６のエミッタは接地されている。また、抵抗器５４７，５４８は互いに並列接続されており、それぞれの一端同士は出力電圧制御回路５２５における接続点Ｐ１に接続され、また、抵抗器５４７の他端はＮＰＮトランジスタ５４６のコレクタに接続される一方、抵抗器５４８の他端は接地されている。

このような構成により制御回路５４では、温度検出回路５３から供給される接続点Ｐ２の電位に基づいて、出力電圧制御回路５２５における誤差増幅器Ａｍｐ２の非反転入力端子へ供給される基準電圧Ｖ１が生成されるようになっている。具体的には、接続点Ｐ２の電位が基準電圧Ｒｅｆ４よりも低いときには、比較器５４１から「Ｌ」レベルの出力信号が出力され、ＮＰＮトランジスタ５４６がオフ状態となることから、基準電圧Ｖ１は、直列接続された抵抗器５２３Ｃ３と抵抗器５４８とにより定まる一方、逆に接続点Ｐ２の電位が基準電圧Ｒｅｆ４よりも高いときには、比較器５４１から「Ｈ」レベルの出力信号が出力され、ＮＰＮトランジスタ５４６がオン状態となることから、基準電圧Ｖ１は、抵抗器５２３Ｃ３と、互いに並列接続された抵抗器５４７，５４８との直列接続により定まるようになっている。

ハイサイドドライバ５５は、上記したパルス信号入力端子ＨＩに加え、信号出力端子ＨＯ、バイアス端子ＨＢおよび基準電位端子ＨＳを備えている。信号入力端子ＨＩには、制御回路５４から、比較器５４１の出力信号が抵抗器５４３を介して制御信号ＳＩＧ１として入力され、基準電位端子ＨＳは接地ラインＬＧ２を介して接地されている。バイアス端子ＨＢはチャージポンプ回路５６と接続点Ｐ４で接続され、信号出力端子ＨＯは、接続素子５７内で、後述する抵抗器５７２を介してＮチャネルＦＥＴ５７３のゲートＧに接続されている。また、チャージポンプ回路５６は、ダイオード５６１と、コンデンサ５６２とを有する。ダイオード５６１のアノードは電源Ｖccに接続され、そのカソードはコンデンサ５６２の一端と接続点Ｐ４で接続され、コンデンサ５６２の他端は接地されている。

このような構成によりチャージポンプ回路５６では、電源Ｖccから供給される電荷が、ダイオード５６１を介してコンデンサ５６２に保持されると共に、その保持された接続点Ｐ４の電位が、ハイサイドドライバ５５のバイアス端子ＨＢへ印加されるようになっている。また、ハイサイドドライバ５５では、バイアス端子ＨＢと基準電位端子ＨＳとの間に印加されるバイアス電圧（この場合、基準電位端子ＨＳは接地されているので、チャージポンプ回路５６から供給される接続点Ｐ４の電位となる）の大きさに応じて、制御信号ＳＩＧ１の入力に同期すると共にこの制御信号ＳＩＧ１にオフセット電圧（図示せず）を重畳してなる制御信号ＳＩＧ２が出力されるようになっている。なお、このようにして入力された制御信号ＳＩＧ１にオフセット電圧を重畳し、制御信号ＳＩＧ２を生成するのは、接続素子５７において後述するＮチャネルＦＥＴ５７１のソースＳとゲートＧとの電位差を大きくし、ＮチャネルＦＥＴ５７１がオン状態となるのを可能にするためである。

接続素子５７は、第１および第２の電圧変換回路５１，５２のそれぞれ出力ラインＬＯ１，ＬＯ２間に挿入配置されたＮチャネルＦＥＴ５７１と、抵抗器５７２，５７３とを有する。ＮチャネルＦＥＴ５７１のソースＳは出力ラインＬＯ１におけるチョークコイル５１４Ｌの他端と出力端子Ｔ３１との間に接続され、そのドレインＤは出力ラインＬＯ２におけるチョークコイル５２４Ｌの他端と出力端子Ｔ３２との間に接続され、そのゲートＧは抵抗器５７２，５７３の一端同士と互いに接続されている。また、抵抗器５７２の他端はハイサイドドライバ５５の信号出力端子ＨＯに接続され、抵抗器５７３の他端はＮチャネルＦＥＴ５７１のソースＳに接続されている。このような構成により接続素子５７は、ハイサイドドライバ５５の信号出力端子ＨＯから出力される制御信号ＳＩＧ２に応じて、第１の電圧変換回路５１および第２の電圧変換回路５２の出力同士、具体的には出力ラインＬＯ１，ＬＯ２同士を接続または切断する（スイッチング動作する）ようになっている。より具体的には、ＮチャネルＦＥＴ５７１のゲートＧとソースＳとの電位差、すなわち制御信号ＳＩＧ２と第１の出力電圧Ｖ１との電位差が、所定のしきい値電圧よりも大きい場合には、ＮチャネルＦＥＴ５７１がオン状態となり、出力ラインＬＯ１，ＬＯ２同士が接続される一方、逆にこれらの電位差が所定のしきい値電圧よりも小さい場合には、ＮチャネルＦＥＴ５７１がオフ状態となり、出力ラインＬＯ１，ＬＯ２同士が切断されるようになっている。

負荷調整回路５８は、第１の電圧変換回路５１の負荷（第１の負荷）の大きさを調整することにより、間接的に第１の電圧変換回路５１を制御する回路である。具体的には、制御回路５４における比較器５４１の出力信号に基づいてスイッチ信号ＬＳ０を生成し、制御出力端子ＴＳを介してスイッチ素子Ｓ０へ供給することにより、第１の電圧変換回路５１と追加負荷６４との接続を制御する回路である。この負荷調整回路５８では、比較器５４１の出力信号が「Ｌ」レベルのときには、スイッチ素子Ｓ０をオフ状態とするようなスイッチ信号ＬＳ０が出力される一方、比較器５４１の出力信号が「Ｈ」レベルのときには、スイッチ素子Ｓ０をオン状態とするようなスイッチ信号ＬＳ０が出力されるようになっている。

なお、これら制御回路５４、ハイサイドドライバ５５、チャージポンプ回路５６および負荷調整回路５８を、これらの代わりに（あるいはこれらに加えて）、例えばマイコンなどにより構成し、スイッチング回路５１１，５２１内のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４、およびスイッチ素子Ｓ０の動作をソフトウェアによって制御するようにしてもよい。

次に、図３を参照して、以上のような構成の燃料電池発電システムの動作を、その特徴部分であるＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作を中心にして説明する。ここで、図３は、水温Ｔと燃料電池発電システムの動作状態との関係を表したものであり、（Ａ）は第２の出力電圧Ｖout２を、（Ｂ）は接続素子５７の動作状態を、（Ｃ）はラジエータ６０の動作状態を、（Ｄ）は追加負荷６４の接続状態を示している。なお、以下、一例として、第１の出力電圧Ｖout１＝１４Ｖ、第２の出力電圧Ｖout２＝４２Ｖに設定されているものとして説明する。

まず、水タンク２または水経路ＷＬ１の少なくとも一方における水の温度（水温Ｔ）が、制御回路５４により設定されている所定の基準水温（基準水温Ｔｃ）よりも高い高水温状態のときの動作について説明する。

燃料電池１で生成された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５およびインバータ７へと供給される。インバータ７では、この供給された直流電圧が交流電圧へと変換され、モータ８へ供給される。そしてこの交流電圧によってモータ８が駆動されることで、その動力を用いて負荷が駆動される。

一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ５では、燃料電池１から供給された入力直流電圧Ｖinは、それぞれこれと異なる電圧（図２の例では、より低い電圧）である出力直流電圧Ｖout１，Ｖout２（第１および第２の出力電圧）へと変換される。そして第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）によって第１の負荷のうちの補機用バッテリ６２および補機６３が駆動され、第２の出力電圧Ｖout２（＝４２Ｖ）によって第２の負荷であるラジエータ６０が駆動される。このようにして、補機用バッテリ６２および補機６３が動作する一方、ラジエータ６０が動作することによって、水経路ＷＬ２内の水が冷風ＣＬによって冷却され、ＤＣ−ＤＣコンバータ４、ＤＣ−ＤＣコンバータ５およびインバータ７が冷却される。なお、このときは後述するようにスイッチ素子Ｓ０がオフ状態となることから、追加負荷６４とＤＣ−ＤＣコンバータ５との間は切断され、追加負荷６４は駆動されないようになっている。

具体的には、このＤＣ−ＤＣコンバータ５では、以下のような電圧変換動作がなされる。

第１の電圧変換回路５１では、スイッチング回路５１において、スイッチング制御回路５１６からのスイッチング信号ＬＳ１１〜ＬＳ１４に応じて、スイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１４がオン状態でスイッチング素子Ｓ１２，Ｓ１３がオフ状態の期間と、スイッチング素子Ｓ１２，Ｓ１３がオン状態でスイッチング素子Ｓ１１，Ｓ１４がオフ状態の期間とが交互に切り換えられる。このようなスイッチング動作により、スイッチング回路５１１では、入力直流電圧Ｖinに基づいて交流のパルス電圧が生成され、トランス５１２の１次側巻線ＣＡ１へ供給される。トランス５１２では、このパルス電圧が変圧され、その２次側巻線ＣＢ１，ＣＣ１から、変圧されたパルス電圧が出力される。そしてこの変圧されたパルス電圧は、整流回路５１３の整流ダイオードＤ１１，Ｄ１２により整流され、平滑回路５１４のチョークコイル５１４Ｌおよび平滑コンデンサ５１４Ｃにより、その整流された電圧波形が平滑化される。このようにして第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）が補機用バッテリ６２および補機６３へと供給され、駆動される。

この際、第１の出力電圧Ｖout１は、出力電圧制御回路５１５によって常に監視され、この第１の出力電圧Ｖout１の電位に基づいて、第１の出力電圧Ｖout１の分圧電圧が基準電圧Ｒｅｆ１に合うように誤差増幅器Ａｍｐ１の出力信号が上下し、スイッチング制御回路５１６によって、この定格電圧状態を維持するような制御パルスの幅（ディーティ比）のスイッチング信号ＬＳ１１〜ＬＳ１４が出力され、定格電圧状態を維持するように、各スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４の動作が制御される。

一方、第２の電圧変換回路５２においても、第１の電圧変換回路５１と同様の動作により、入力直流電圧Ｖinに基づいて第２の出力電圧Ｖout２（＝４２Ｖ）が生成され（図３（Ａ））、ラジエータ６０へと供給されることで、ラジエータ６０が駆動され、上記のように水経路ＷＬ２へ冷風ＣＬを供給するように動作する（図３（Ｂ））。

また、この第２の出力電圧Ｖout１も、出力電圧制御回路５２５によって出力電圧制御回路５１５と同様にして常に監視され、スイッチング制御回路５１６と同様にしてスイッチング制御回路５２６によって、第２の出力電圧Ｖout２の電位に基づいてスイッチング信号ＬＳ２１〜ＬＳ２４のパルス幅（デューティ比）が制御され、第２の出力電圧Ｖout２が定格電圧状態を維持するような制御がなされる。ただし、この出力電圧制御回路５２５では、前述のように、電源電圧Ｖccと制御回路５４とによって定められる可変の基準電圧Ｖ１と第２の出力電圧Ｖout２との電位が比較されることにより、このような制御がなされるようになっている。

ここで、温度検出回路５３では、水温Ｔが高水温状態となっていることから、サーミスタ５３１の両端の電圧値が小さくなり、接続点Ｐ２の電位が基準電圧Ｒｅｆ４の電位よりも低くなるように設定されている。したがって、比較器５４１の出力信号が「Ｌ」レベルとなり、ＮＰＮトランジスタ５４６がオフ状態となることから、前述のように基準電圧Ｖ１が、直列接続された抵抗器５２３Ｃ３と抵抗器５４８とにより定まることとなる。この場合、基準電圧Ｖ１の電位と第２の出力電圧Ｖout２の電位とから、第２の出力電圧Ｖout２（＝４２Ｖ）を維持するようなスイッチング信号ＬＳ２１〜ＬＳ２４のパルス幅（デューティ比）が設定される。

また、ハイサイドドライバ５５およびチャージポンプ回路５６では、このようにして比較器５４１の出力信号が「Ｌ」レベルとなることから、制御信号ＳＩＧ１に基づいて、前述のように接続素子５７（具体的には、ＮチャネルＦＥＴ５７１）がオフ状態となるような制御信号ＳＩＧ２が生成される（図３（Ｃ））。したがって、ＮチャネルＦＥＴ５７１がオフ状態となることから、高水温状態のときには出力ラインＬＯ１，ＬＯ２同士は切断され、第１の負荷である補機用バッテリ６２および補機６３が第１の電圧変換回路５１のみによって駆動される一方、第２の負荷であるラジエータ６０が第２の電圧変換回路５２によって駆動されることとなる。

また、負荷調整回路５８では、同様にして比較器５４１の出力信号が「Ｌ」レベルとなることから、前述のようにスイッチ素子Ｓ０がオフ状態となるようなスイッチ信号ＬＳ０が出力され、追加負荷６４とＤＣ−ＤＣコンバータ５との間が切断される。したがって、高水温状態のときには追加負荷６４が駆動されないよう、第１の電圧変換回路５１の負荷の大きさが調整される（図３（Ｄ））。

次に、水温Ｔが所定の基準水温（基準水温Ｔｃ）よりも低い低水温状態のとき、特に、このような低水温状態においてこの燃料電池発電システムを始動する際の動作について説明する。

まず、この燃料電池発電システムの始動時には、燃料電池１が始動するまでの間、二次電池３が、補助電源として機能する。具体的には、二次電池３から供給された電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ４によって電圧変換されると共に安定化され、ＤＣ−ＤＣコンバータ５およびインバータ７へ供給される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５のうち、第１の電圧変換回路５１では、高水温状態のときと同様の電圧変換動作がなされ、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から供給された入力直流電圧Ｖinが、これと異なる電圧（図２の例では、より低い電圧）である出力直流電圧Ｖout１（第１の出力電圧）へと変換される。そしてこの第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）によって第１の負荷のうちの定常的な負荷である補機用バッテリ６２および補機６３に加え、低水温状態における負荷であるヒータ６１も駆動される。このようにしてヒータ６１が駆動されることで、ヒータ６１で発生した熱Ｑ１により水タンク２または水経路ＷＬの少なくとも一方における水が加熱され、その水温Ｔが上昇することとなる。

一方、第２の電圧変換回路５１では、このような低水温状態においては高水温状態とは異なり、以下のような電圧変換動作がなされる。

まず、水温Ｔが低下している場合、温度検出手段５７におけるサーミスタ５７１の抵抗値が上昇することから、その両端の電圧値が大きくなり、接続点Ｐ２の電位が基準電圧Ｒｅｆ４の電位よりも高くなる。したがって、比較器５４１の出力信号が「Ｈ」レベルとなり、ＮＰＮトランジスタ５４６がオン状態となることから、前述のように基準電圧Ｖ１が、抵抗器５２３Ｃ３と、互いに並列接続された抵抗器５４７，５４８との直列接続により定まることとなる。つまり、抵抗器５４７，５４８が並列接続状態となることから、高水温状態のときと比べて、基準電圧Ｖ１の電位が低くなる。したがって、高水温状態のときと比べて誤差増幅器Ａｍｐ２の出力信号が低くなり、スイッチング制御回路５２６によってスイッチング信号ＬＳ２１〜ＬＳ２４のパルス幅（デューティ比）が小さくなるように設定されることから、第２の電圧変換回路５２の出力電圧が、高水温状態のときよりも低下することとなる。本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ５では、この低水温状態のときには、第２の電圧変換回路５２の出力電圧は、第２の出力電圧Ｖout２（＝４２Ｖ）から、第１の電圧変換回路５１と同じ第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）へ設定変更されるようになっている（図３（Ａ））。

また、第２の電圧変換回路５２の出力電圧が、第２の出力電圧Ｖout２（＝４２Ｖ）から第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）へと低下することから、第２の負荷であるラジエータ６０を駆動することができず、ラジエータ６０の動作が停止することとなる（図３（Ｂ））。なお、このラジエータ６０は、前述のように水経路ＷＬ２内の水を冷却するためのものであることから、低水温状態のときにその動作が停止しても、特に問題とはならない。

また、ハイサイドドライバ５５およびチャージポンプ回路５６では、このようにして比較器５４１の出力信号が「Ｈ」レベルとなることから、制御信号ＳＩＧ１に基づいて、前述のように接続素子５７（具体的には、ＮチャネルＦＥＴ５７１）がオン状態となるような制御信号ＳＩＧ２が生成される（図３（Ｃ））。したがって、ＮチャネルＦＥＴ５７１がオン状態となることから、低水温状態のときには出力ラインＬＯ１，ＬＯ２同士が接続され、第１の負荷であるヒータ６１、補機用バッテリ６２および補機６３が第１の電圧変換回路５１に加え、第２の電圧変換回路５２よっても駆動されることとなる。したがって、上記のように第２の負荷であるラジエータ６０はその動作が停止していることからも、低水温状態のときには、第２の電圧変換回路５２は第１の電圧変換回路５１と共に第１の負荷のみを駆動することとなり、本来駆動すべき第１の負荷へ供給される電力量がより増加する。

さらに、負荷調整回路５８では、同様にして比較器５４１の出力信号が「Ｈ」レベルとなることから、前述のようにスイッチ素子Ｓ０がオン状態となるようなスイッチ信号ＬＳ０が出力され、追加負荷６４とＤＣ−ＤＣコンバータ５との間が接続される。したがって、低水温状態のときには、高水温状態のときと比べて追加負荷６４の分、第１の負荷が増加するように設定される（図３（Ｄ））。

このようにして、低水温状態のときには、第２の電圧変換回路５２の出力電圧が第２の出力電圧Ｖout２（＝４２Ｖ）から第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）へとより低い電圧に設定変更されると共に、高水温状態のときと比べて追加負荷６４の分、第１の負荷が増加する。そしてさらに、出力ラインＬＯ１，ＬＯ２同士が接続され、第１の電圧変換回路５１の出力と第２の電圧変換回路５２の出力とが、互いに第１の負荷に対して共通接続する。すなわち、第１および第２の電圧変換回路５１，５２の出力電圧がいずれもより電圧の低い第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）となり、その状態のもとで大きさの増加した第１の負荷が駆動されることから、第２の電圧変換回路５２が低効率状態となる。よって、この第２の電圧変換回路５２内の各素子（スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４、トランス５２２の１次側巻線ＣＡ２および２次側巻線ＣＢ２，ＣＣ２、整流ダイオードＤ２１，Ｄ２２、チョークコイル５２４Ｌなど）において電力損失に起因した熱Ｑ２が発生し、さらにこの第２の電圧変換回路５２が前述のように水タンク２または水経路ＷＬ１の少なくとも一方に隣在していることから、発生した熱Ｑ２がこれらの部位に伝導し、水温が上昇する。

このように、ＤＣ−ＤＣコンバータ５内における第２の電圧変換回路５２の各素子での発熱量が増加し、また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５（第２の電圧変換回路５２）が水タンク２または水経路ＷＬ１の少なくとも一方と隣在していることから、これらの水温Ｔが上昇し、加熱手段がヒータ６１のみである従来例と比べて、燃料電池１が短時間に始動しやすくなる。

以上のように、本実施の形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５（第２の電圧変換回路５２）を水タンク２または水経路ＷＬ１の少なくとも一方に隣在させると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５内の温度検出回路５３がこれらの部位での水温を検出し、検出された水温が、設定される所定の基準水温（基準水温Ｔｃ）よりも低い低水温状態のときには、第２の電圧変換回路５２の出力電圧を第２の出力電圧Ｖout２（＝４２Ｖ）から第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）へより低い電圧に設定変更すると共に第１の負荷を増加させ、さらに第１および第２の電圧変換回路５１，５２の出力を互いに第１の負荷に対して共通接続するようにしたので、従来、低水温状態では停止していた第２の電圧変換回路５２が動作すると共に低効率状態となって発熱し、これにより水タンク２や水経路ＷＬにおける水温を上昇させることができ、構成を複雑化することなくとも、低温下において、燃料電池１を短時間に始動させることが可能となる。

また、特にスイッチング回路５２１のスイッチング素子（スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４）では電力損失（スイッチング損失）が大きく、さらに、整流回路５２３の整流素子（整流ダイオードＤ２１，Ｄ２２）では、第１の電圧変換回路５１における整流素子（整流ダイオードＤ１１，Ｄ１２）と比べて高耐圧のもの（第２の出力電圧Ｖout２＝４２Ｖであるため）であることから電力損失（導通損失）が大きくなり、発熱量の増加が大きい。さらに、これらの素子を電界効果型トランジスタにより構成した場合には、ソース・ドレイン間を流れる電流の２乗に比例して電力損失を増加させることができ、より発熱量を増加させることができる。

また、低温時のみにＤＣ−ＤＣコンバータ５内の第２の電圧変換回路５２を低効率状態とするので、定格電力値を変更する必要はなく、このようなＤＣ−ＤＣコンバータを多数設けたり、大型化したりする必要はない。また、従来からの加熱手段であるヒータ６１についても、多数設けたり、大型化したりする必要がない。よって、制御回路５４、接続素子５７を追加するだけでＤＣ−ＤＣコンバータ５の発熱を大きくすることができ、上述したような効果を得ることができる。

さらに、第２の負荷をラジエータ６０により構成し、低水温状態では駆動不要なものとしたので、低水温状態のときに、本来駆動すべき第１の負荷へ供給される電力量を増加させることができ、ヒータ６１での発熱量をより増加させることができる。よって、低温下において、燃料電池１をより短時間に始動させることが可能となる。なお、この第２の負荷をラジエータ６０以外の他の負荷により構成し、低水温状態のときにも第２の負荷を駆動するように構成してもよい。このように構成した場合、ヒータ６１での発熱量が減少するが、従来と比べ、燃料電池１を簡易かつ短時間に始動させることは可能である。

さらに、本発明の具体的な実施例について説明する。

図２に示した回路構成のＤＣ−ＤＣコンバータ５を、以下のような条件で構成した。まず、第１の電圧変換回路５１の出力電圧（第１の出力電圧Ｖout1）を１４Ｖとし、出力電流Ｉout1を１２０Ａとした。一方、第２の電圧変換回路５２の出力電圧（第２の出力電圧Ｖout2）を４２Ｖとし、出力電流Ｉout2を４０Ａとした。また、トランス５１２における１次側巻線ＣＡ１および２次側巻線ＣＢ１，ＣＣ１の巻数比をそれぞれ、ＣＡ１：ＣＢ１：ＣＣ１＝１０：１：１とする一方、トランス５２２における１次側巻線ＣＡ２および２次側巻線ＣＢ２，ＣＣ２の巻数比をそれぞれ、ＣＡ２：ＣＢ２：ＣＣ２＝１０：３：３とした。また、スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜２４をいずれも電界効果型トランジスタにより構成し、それらのオン抵抗Ｒds1(on)を、いずれも０．１Ωとした。また、接続素子５７も電界効果型トランジスタにより構成し、そのオン抵抗Ｒds2(on)を、いずれも０．０２Ωとした。また、整流ダイオードＤ１１，Ｄ１２の順方向電圧降下Ｖf1を、いずれも０．９Ｖとする一方、整流ダイオードＤ２１，Ｄ２２の順方向電圧降下Ｖf2を、いずれも１．７Ｖとした。

このような条件のもとでは、低水温状態において、第２の電圧変換回路５２のスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４で発生する電力損失（導通損失）Ｐloss（ＳＷ）、および整流ダイオードＤ２１，Ｄ２２で発生する電力損失Ｐloss（Ｄｉ）、ならびに接続素子５７で発生する電力損失（導通損失）Ｐloss（接続）は、以下の式（１）〜（３）のようにして求められる。

Ｐloss（ＳＷ）∝Ｒds1(on)×（Ｉout2／ｎ）²×（Ｓ２１〜Ｓ２４のオンデューティ）
＝０．１Ω×（４０Ａ×（３／１０））²×０．５
＝７．２Ｗ …（１）
ここで、ｎは、２次側巻線ＣＢ２，ＣＣ２の巻数に対する１次側巻線ＣＡ２の巻数の巻数比を表している。また、ここでは、Ｓ２１〜Ｓ２４のオンデューティを５０％（０．５）としている。
Ｐloss（Ｄｉ）＝Ｖf2×Ｉout2
＝１．７Ｖ×４０Ａ＝６８Ｗ …（２）
Ｐloss（接続）＝Ｒds2(on)×（Ｉout2）²
＝０．０２Ω×（４０Ａ）²＝３２Ｗ …（３）

ここで、上記式（１）から分かるように、スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４で発生する電力損失（導通損失）Ｐloss（ＳＷ）は１素子当たり７．２Ｗとなり、４素子では２８．８Ｗとなる。そして、これらスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４で発生するスイッチング損失も加えると、スイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４で発生する電力損失の合計Ｐloss-total（ＳＷ）は約４０Ｗ程度となる。

このようにして、Ｐloss-total（ＳＷ）＝約４０Ｗ，Ｐloss（Ｄｉ）＝６８Ｗ，Ｐloss（接続）＝３２Ｗとなることから、これらの電力損失を合計すると、約１４０Ｗとなる。ここで、従来より低水温状態において水タンク２内や水経路ＷＬ１内の水に対する加熱手段として用いられているヒータ６１では、例えばシーズヒータの場合、その発熱量は約５００Ｗ程度である。したがって、低水温状態において第２の電圧変換回路５２のスイッチング素子Ｓ２１〜Ｓ２４で発生する電力損失（導通損失）Ｐloss（ＳＷ）や、整流ダイオードＤ２１，Ｄ２２で発生する電力損失Ｐloss（Ｄｉ）、接続素子５７で発生する電力損失（導通損失）Ｐloss（接続）によっても、十分に水タンク２内や水経路ＷＬ１内の水に対する加熱手段として機能することが分かる。よって、これらの部位における水温の上昇を早めることができ、低温下において、燃料電池１を短時間に始動させることができる。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれら実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。すなわち、上記実施の形態等では、燃料電池発電システムおよびＤＣ−ＤＣコンバータ５の構成を具体的に挙げて説明したが、これらの構成はこれに限定されるものではなく、他の構成としてもよい。

例えば、上記実施の形態等では、接続素子５７が、電界効果型トランジスタ（ＮチャネルＦＥＴ５７１）を含んで構成されている場合の例について説明してきたが、この電界効果型トランジスタの代わりに（あるいはこれに加えて）、他のスイッチ素子（例えば、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、リレーなど）を含んで構成するようにしてもよい。このように構成した場合、電界効果型トランジスタにより構成した場合と比べ、接続素子５７での電力損失、すなわち素子での発熱量が減少するが、従来と比べ、燃料電池１を簡易かつ短時間に始動させることは可能である。また、ハイサイドドライバ５５およびチャージポンプ回路５６が不要となり、回路構成が簡素化するという効果がある。

また、上記実施の形態等では、水温Ｔの温度検出手段を、サーミスタ５３１を含んだ温度検出回路５３により構成した場合の例について説明してきたが、例えばサーモスタットなどにより構成してもよく、また、水温Ｔを直接的または間接的のいずれによって検出するように構成してもよい。

また、上記実施の形態等では、低水温状態の際に、第２の負荷であるラジエータが低電圧である第１の出力電圧Ｖout１（＝１４Ｖ）では駆動できず、動作しないように構成されていたが、その他に、例えば温度検出回路５３および制御回路５４によって低水温状態のときにはその動作を停止させる制御を行うように構成したり、また、低水温状態のときにはラジエータ６０と第２の電圧変換回路５２との間の接続を切断するように構成してもよい。

また、上記実施の形態等では、負荷調整回路５８の制御によって新たな負荷である追加負荷６４をＤＣ−ＤＣコンバータ５に接続させることにより、第１の電圧変換回路５１の負荷を増加させる場合の例について説明してきたが、例えばそのような追加負荷６４を設けず、ヒータ６１や補機６３自身の負荷の大きさを増加させることにより、電圧変換回路の負荷を増加させるように構成してもよい。

また、上記実施の形態等では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５内の第１および第２の電圧変換回路５１，５２を、いずれもいわゆるフルブリッジ型により構成した場合について説明してきたが、例えばいわゆるハーフブリッジ型やチョッパ型、フォワード型、フライバック型などの種々の構成のものに適用することが可能である。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池発電システムの全体構成を表す機能ブロック図である。 図１に示した第２のＤＣ−ＤＣコンバータの構成を表す回路図である。 検知水温と燃料電池発電システムの動作状態との関係を説明するための特性図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…水タンク、３…二次電池、４…第１のＤＣ−ＤＣコンバータ、５…第２のＤＣ−ＤＣコンバータ、５１…第１の電圧変換回路、５２…第２の電圧変換回路、５１１，５２１…スイッチング回路、５１２，５２２…トランス、５１３，５２３…整流回路、５１４，５２４…平滑回路、５１５，５２５…出力電圧制御回路、５１６，５２６…スイッチング制御回路、５３…温度検出回路、５３１…サーミスタ、５４…制御回路、５４１…比較器、５４６…ＮＰＮトランジスタ、５５…ハイサイドドライバ、５６…チャージポンプ回路、５７…接続素子、５７１…ＮチャネルＦＥＴ、５８…負荷調整回路、６０…ラジエータ、６１…ヒータ、６２…補機用バッテリ、６３…補機、６４…追加負荷、７…インバータ、８…モータ、ＷＬ１，ＷＬ２…水経路、Ｖin…入力直流電圧、Ｖout１…出力直流電圧（第１の出力電圧）、Ｖout２…出力直流電圧（第２の出力電圧）、ＬＯ１，ＬＯ２…出力ライン、ＬＧ１，ＬＧ２，ＬＧ…接地ライン、Ｑ１，Ｑ２…熱、ＣＬ…冷風、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ４１，Ｔ４２…出力端子、ＴＳ…制御出力端子、Ｈ１，Ｈ２…１次側高圧ライン、Ｌ１，Ｌ２…１次側低圧ライン、Ｐ１〜Ｐ４…接続点、Ｓ０…スイッチ素子、Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４…スイッチング素子、ＬＳ０…スイッチ信号、ＬＳ１１〜ＬＳ１４，ＬＳ２１〜ＬＳ２４…スイッチング信号、ＣＡ１，ＣＡ２…１次側巻線、ＣＢ１，ＣＢ２，ＣＣ１，ＣＣ２…２次側巻線、Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２…整流ダイオード、５１４Ｌ，５２４Ｌ…チョークコイル、５１４Ｃ，５２４Ｃ…平滑コンデンサ、Ａｍｐ１，Ａｍｐ２…誤差増幅器、Ｒｅｆ１，Ｒｅｆ２，Ｒｅｆ４，Ｖ１…基準電圧、Ｖcc…電源電圧、ＳＩＧ，ＳＩＧ２…制御信号。

Claims (7)

1. 燃料電池と、水を貯蔵する水タンクと、前記燃料電池と前記水タンクとの間で前記水を循環させる水経路とを含んで構成された燃料電池発電システムに対して適用され、前記燃料電池から供給された電圧を変換して第１の負荷を駆動するための電圧変換装置であって、
   前記水タンクまたは前記水経路の少なくとも一方における前記水の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池から供給された入力電圧を第１の出力電圧に変換して前記第１の負荷を駆動する第１の電圧変換回路と、
   前記水タンクまたは前記水経路の少なくとも一方に隣在し、前記入力電圧を前記第１の出力電圧よりも高い電圧からなる第２の出力電圧に変換して前記第１の負荷とは異なる第２の負荷を駆動する第２の電圧変換回路と、
   前記第１および第２の電圧変換回路の出力同士を接続または切断する接続素子と、
   前記温度検出手段によって検出された検出水温が所定の基準水温よりも高い高水温状態のときには前記第１の電圧変換回路の出力のみを前記第１の負荷に接続させる一方、前記検出水温が前記基準水温よりも低い低水温状態のときには前記第２の電圧変換回路の出力電圧を前記第１の出力電圧に設定すると共に前記第１の負荷を増加させ、さらに前記第１および第２の電圧変換回路の出力同士を互いに前記第１の負荷に対して共通接続させるように、前記第１および第２の電圧変換回路ならびに前記接続素子を制御する制御回路と
   を備えたことを特徴とする電圧変換装置。
2. 前記第２の電圧変換回路は、
   前記入力電圧をスイッチングすることにより交流電圧を生成するスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子により生成された交流電圧を変圧する変圧器と、
   前記変圧器により変圧された交流電圧を整流する整流素子を含むと共に前記整流素子に基づいて前記出力電圧を生成する出力回路とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電圧変換装置。
3. 前記接続素子は、電界効果型トランジスタを含んで構成されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電圧変換装置。
4. 前記温度検出手段は、サーミスタを含んで構成されている
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
5. 前記第２の負荷は、前記低水温状態のときには駆動不要なものであり、
   前記制御回路は、前記低水温状態のときに前記第２の電圧変換回路が前記第２の負荷を駆動するのを停止させる
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
6. 第１の負荷を駆動するための発電を行う燃料電池発電システムであって、
   燃料電池と、
   水を貯蔵する水タンクと、
   前記燃料電池と前記水タンクとの間で前記水を循環させる水経路と、
   前記水タンクまたは前記水経路の少なくとも一方における前記水の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池から供給された入力電圧を第１の出力電圧に変換して前記第１の負荷を駆動する第１の電圧変換回路と、
   前記水タンクまたは前記水経路の少なくとも一方に隣在し、前記入力電圧を前記第１の出力電圧よりも高い電圧からなる第２の出力電圧に変換して前記第１の負荷とは異なる第２の負荷を駆動する第２の電圧変換回路と、
   前記第１および第２の電圧変換回路の出力同士を接続または切断する接続素子と、
   前記温度検出手段によって検出された検出水温が所定の基準水温よりも高い高水温状態のときには前記第１の電圧変換回路の出力のみを前記第１の負荷に接続させる一方、前記検出水温が前記基準水温よりも低い低水温状態のときには前記第２の電圧変換回路の出力電圧を前記第１の出力電圧に設定すると共に前記第１の負荷を増加させ、さらに前記第１および第２の電圧変換回路の出力同士を互いに前記第１の負荷に対して共通接続させるように、前記第１および第２の電圧変換回路ならびに前記接続素子を制御する制御回路と
   を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 燃料電池と、水を貯蔵する水タンクと、前記燃料電池と前記水タンクとの間で前記水を循環させる水経路とを含んで構成された燃料電池発電システムに対して適用され、第１の負荷を駆動するための発電を行う発電方法であって、
   前記水タンクまたは前記水経路の少なくとも一方における前記水の温度を検出して検出水温を求め、
   前記燃料電池から供給された入力電圧を第１の出力電圧に変換して前記第１の負荷を駆動する第１の電圧変換回路を構成し、
   前記入力電圧を前記第１の出力電圧よりも高い電圧からなる第２の出力電圧に変換して前記第１の負荷とは異なる第２の負荷を駆動する第２の電圧変換回路を構成すると共に前記第２の電圧変換回路を前記水タンクまたは前記水経路の少なくとも一方に隣在させ、
   前記検知水温が所定の基準水温よりも高い高水温状態のときには前記第１の電圧変換回路の出力のみを前記第１の負荷に接続する一方、前記検出水温が前記基準水温よりも低い低水温状態のときには前記第２の電圧変換回路の出力電圧を前記第１の出力電圧に設定すると共に前記第１の負荷を増加させ、さらに前記第１および第２の電圧変換回路の出力同士を互いに前記第１の負荷に対して共通接続する
   ことを特徴とする発電方法。
   
   

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