JP2006286320A - 燃料電池の電気システム、燃料電池車両及び電力供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】使用用途に応じた複数の定格電圧の電気補機を使用可能とし、廉価に構成可能な燃料電池の電気システムを提供する。
【解決手段】電気システム１０は、反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池１４と、燃料電池１４の出力する電圧Ｖ１より低電圧の蓄電装置７０と、燃料電池１４に接続された第１電源ライン７２と、蓄電装置７０に接続された第２電源ライン７３と、第１電源ライン７２と第２電源ライン７３との間で双方向に電圧変換を行う第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４とを有する。インバータ１６、走行モータ１７及び第１電気補機７６（エアーコンプレッサ４２）は、第１電源ライン７２から電力供給を受け、第２電気補機７８としての電動エアコンモータ８０、ワイパモータ８２及びパワーウィンドモータ８４等は第２電源ライン７３から電力供給を受ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の電気システム、燃料電池車両及び電力供給方法に関し、特に、燃料電池の出力電圧より低電圧の蓄電装置と、燃料電池に接続される電源ラインと蓄電装置に接続される電源ラインとの間で双方向に電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータを有する燃料電池の電気システム、燃料電池車両及び電力供給方法に関する。

近時、走行駆動源として燃料効率及び環境性に優れる燃料電池を搭載した燃料電池車両が開発及び実用化されている。燃料電池車両に搭載される燃料電池は、走行上の十分な駆動力を満たすために大電力を発生させる必要があり、高電圧型の燃料電池が用いられることが多い。

また、燃料電池車両では、高負荷時や負荷変動時に供給電力をアシストするとともに、回生電力を蓄えるための蓄電装置が搭載される場合がある。

燃料電池の発生電圧と蓄電装置の定格電圧は異なる場合には、燃料電池に接続される電源ラインと蓄電装置に接続される電源ラインとの間で双方向に電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータを設けることにより、電力の相互供給及び回生等を効率的に行うことができる。

また、燃料電池車両においては、一般車両におけるエアコン、ワイパ、パワーウィンドモータ等の通常の車両用補機に加えて、燃料電池を稼動するための燃料電池用補機、つまりエアーコンプレッサ、水素供給ポンプ、及び冷却水循環用ポンプ等が搭載される。

このような、車両用補機及び燃料電池用補機に対して電力を供給する接続形式として、特許文献１においては、図１６に示すように、燃料電池１とインバータ２とを接続する電源ライン３から分岐したラインにより車両用補機４及び燃料電池用補機５に電力供給を行う例が示されている。この電源ライン３はモータの駆動に適した高電圧であり、蓄電装置６に対しては電力をＤＣ−ＤＣコンバータ７で降圧して供給している。このＤＣ−ＤＣコンバータ７は双方向に電圧変換が可能である。

また、特許文献２においては、図１７に示すように、蓄電装置６とＤＣ−ＤＣコンバータ７とを接続する電源ライン８から分岐したラインにより、車両用補機４及び燃料電池用補機５に対して電力供給を行う例が示されている。電源ライン８は電源ライン３に対してＤＣ−ＤＣコンバータ７により降圧されていることから低電圧に設定されている。

特開２００４−１９３０６３号公報 特開２００２−１１８９８１号公報

前記のとおり燃料電池車両に搭載される燃料電池は高出力型である場合が多く、これを駆動するための燃料電池用補機についても高負荷に耐えうる高出力、高電圧型を用いると好適である。

一方、車両用補機におけるワイパ、パワーウィンドモータ等については、必ずしも高電圧型である必要はなく、汎用で低電圧型（例えば、１２Ｖ型）を用いると燃料電池の電気システムを廉価に構成することができる。

ところで、前記の特許文献１及び特許文献２で示されている例では、車両用補機及び燃料電池用補機とも同じ電源ラインから電力が供給されるため、その電源ラインの定格電圧に応じた専用品を設ける必要があり、又は、車両用補機及び燃料電池用補機の少なくとも一方に対してＤＣ−ＤＣコンバータを別途設ける必要があり、システムが複雑となる。

さらに、特許文献１に示されている例に基づいて補機類の多いより複雑なシステムを構築する場合には、各補機は燃料電池とインバータとを接続する高電圧の電源ライン３（図１６参照）に設けられることとなり、燃料電池又はモータの仕様電圧に対応した専用品となり、汎用性に欠ける。特に、従来の一般的なエンジン駆動による車両や、ハイブリッド式車両等の他の車両における電気補機を兼用して用いることができず、コストの上昇を招く。

特許文献２に示されている例に基づいて補機類を増設する場合には、各補機は蓄電装置に接続された低電圧の電源ライン８（図１７参照）に設けられることになる。このようなシステムを構築すると、仮にＤＣ−ＤＣコンバータが故障して燃料電池で発生する電力を低電圧の電源ライン８に供給できない事態が発生した場合、その後の走行距離が短くなるという不都合が生じ得る。つまり、燃料電池の稼動には反応ガス、燃料ガスを供給するためエアーコンプレッサやポンプ等を駆動することが不可欠であるが、これらの補機も低電圧の電源ラインに接続されていることから、蓄電装置が蓄電している残存の電力でのみ駆動される。したがって、燃料タンクに水素ガスが十分に蓄えられていても、該水素ガスからはエアーコンプレッサやポンプを駆動するための電力が得られず、蓄電装置が放電を終了した時点で燃料電池も停止することとなる。また、エアーコンプレッサやポンプは消費電力が比較的大きいことから、ＤＣ−ＤＣコンバータが故障した場合には、蓄電装置のみの電力では長時間の稼動は困難である。

また、特許文献２に示される例では、低電圧の電源ライン８に接続された補機類を１つのサブ電気システムとしてみた場合、エアーコンプレッサやポンプが存在するという点で、一般的なエンジン駆動による車両や、ハイブリッド式車両等の電気システムと異なり、特許文献１と同様に汎用性に欠け、コストの上昇を招く。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、使用用途に応じた複数の定格電圧の電気補機を使用可能とし、汎用性が高く廉価に構成可能な燃料電池の電気システム、燃料電池車両及び電気供給方法を提供することを目的とする。また、本発明は、不測の事態によりＤＣ−ＤＣコンバータが故障した場合においても、燃料電池の稼動を長時間継続可能にする燃料電池の電気システム、燃料電池車両及び電気供給方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池の電気システムは、反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池に接続された第１電源ラインと、前記燃料電池を稼動するための燃料電池用補機の少なくとも一部である第１電気補機と、前記燃料電池の出力電圧より低電圧で動作し、双方向に電圧変換を行う第１ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記第１電源ラインに接続されるサブ電気システムとを有し、前記サブ電気システムは、第１蓄電装置と、前記第１蓄電装置と前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータとを接続する第２電源ラインと、前記燃料電池用補機以外の電気補機である第２電気補機とを含み、前記第１電気補機は前記第１電源ラインから電力供給を受けるように接続され、前記第２電気補機は前記第２電源ラインから電力供給を受けるように接続されていることを特徴とする（請求項１記載の発明）。

このように、第１電気補機は第１電源ラインから電源供給を受け、第２電気補機は第２電源ラインから電源供給を受けるような構成とすることにより、第１電気補機と第２電気補機を使用用途に応じて異なる電圧仕様に設定することができ、電気システムのエネルギ効率の向上を図るとともに、燃料電池の電気システムを廉価に構成することができる。

また、サブ電気システムは、第１電気補機を含まないことから、燃料電池車両以外の他の型の車両の電気システムを兼用的に用いることができ、汎用性が向上して一層の低廉化を図ることができる。さらに、不測の事態により第１ＤＣ−ＤＣコンバータが故障した場合においても、第１電気補機は第１電源ラインから電力が継続して供給されることから、蓄電装置の電力残量にあまり影響されることなく、燃料電池の稼動を相当長時間継続することができる。

この場合、前記第１電気補機は、前記燃料電池を稼動するための燃料電池用補機の少なくとも一部であり、前記第２電気補機は、前記燃料電池用補機以外の電気補機とすることにより、燃料電池用補機として高電圧型のものを採用してエネルギ効率の向上を図ることができるとともに、燃料電池用補機以外の通常の車両用補機として汎用品を採用することができ、電気システムの低廉化を図ることができる。

また、前記第１電気補機は、前記燃料電池に加圧空気を供給するエアーコンプレッサ、前記燃料電池に水素を供給する水素供給ポンプ、又は前記燃料電池を冷却する冷却水循環用ポンプの少なくとも１つとするとよい（請求項２記載の発明）。エアーコンプレッサ、水素供給ポンプ及び冷却水循環用ポンプは、高負荷であることから、第１電源ラインに接続することにより、高電圧で駆動することによりエネルギ効率が向上する。

さらに、前記第１電気補機の少なくとも一部は、電圧を降圧する第２ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記第１電源ラインに接続されていてもよい（請求項３記載の発明）。燃料電池車両においては、車両サイズが大きいほど主機の出力及び駆動電圧が高く設定されるため、第１電源ラインはこれに応じた電圧となるが、第２ＤＣ−ＤＣコンバータにより電圧を降圧して第１電気補機に供給することにより、車両サイズに関わらず第１電気補機の電源電圧の共通化を図ることができる。

前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記第１電源ラインから電力供給を受ける主機の負荷が規定閾値以上であるときに入力電圧を降圧して前記第１電気補機に供給し、前記主機の負荷が規定閾値未満であるときに入出力を直結して前記第１電気補機に電力供給するようにしてもよい（請求項４、１０記載の発明）。このように、高負荷時には第２ＤＣ−ＤＣコンバータの入力と出力とを直結することにより、チョッピング等におけるスイッチングロスを低減することができる。

また、前記第２電気補機は、少なくとも電動エアコンモータを含んでいてもよい（請求項５記載の発明）。電動エアコンモータは比較的高負荷であり、汎用且つ低電圧型の電動エアコンモータを第１電源ラインに接続する場合には、専用且つ大容量のＤＣ−ＤＣコンバータが必要であり、サイズが大きくなる。これに対して電動エアコンモータを第２電気補機として第２電源ラインに接続することにより、汎用品を利用することができ、小型化が図られる。

前記第２電気補機における前記電動エアコンモータを除く少なくとも一部は、電圧を降圧する第３ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記第２電源ラインに接続されるとともに、第２蓄電装置に接続されていてもよい（請求項６記載の発明）。これにより、使用用途に応じて、電動エアコンモータとその他の車両用補機を異なる電圧仕様に設定することができる。

本発明に係る燃料電池車両は、上記の電気システムを搭載し、前記燃料電池により発生した電力を用いて走行することを特徴とする（請求項７記載の発明）。これにより、車両の電気システムのうち、低電圧の電源ライン周辺のサブ電気システムの汎用性が向上して低廉化が図られるとともに、第１ＤＣ−ＤＣコンバータの故障時にも相当の長距離を走行することができる。

また、本発明に係る燃料電池の電気システムは、反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧より低電圧の第１蓄電装置と、前記燃料電池に接続された第１電源ラインと、前記第１蓄電装置に接続された第２電源ラインと、前記第１電源ラインと前記第２電源ラインとの間で双方向に電圧変換を行う、１ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記第１電源ラインから電力供給を受ける主機及び第１電気補機と、前記第２電源ラインから電力供給を受ける第２電気補機とを有することを特徴とする（請求項８記載の発明）。

さらに、本発明に係る電力供給方法は、反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池から第１電源ラインを介して主機及び第１電気補機に電力を供給する工程と、前記燃料電池の出力電圧より低電圧の蓄電装置から第２電源ラインを介して第２電気補機に電力を供給する工程と、双方向に電圧変換可能なＤＣ−ＤＣコンバータにより、前記第１電源ラインの電圧を降圧した電力を前記第２電源ラインを介して前記第２電気補機に供給し、又は前記蓄電装置を充電する工程と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにより、前記第２電源ラインの電圧を昇圧した電力を前記第１電源ラインを介して前記主機又は前記第１補機に供給する工程とを有することを特徴とする（請求項９記載の発明）。

これにより、第１電気補機と第２電気補機を使用用途に応じて異なる電圧仕様に設定することができ、電気システムのエネルギ効率の向上を図るとともに、燃料電池の電気システムを廉価に構成することができる。

また、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの故障を検出する故障検出工程と、前記故障検出工程により前記ＤＣ−ＤＣコンバータの故障が検出された場合、前記燃料電池から出力される電力の応答性を制限する応答制限工程とを有するとよい（請求項１１記載の発明）。このように、ＤＣ−ＤＣコンバータの故障を検知した場合に、燃料電池から出力される電力の応答性を制限することにより、蓄電装置からの電流アシストがなくても燃料電池におけるガスの不足状態が回避され、燃料電池の劣化を防止することができる。

本発明に係る燃料電池の電気システム及び電力供給方法によれば、第１電気補機は第１電源ラインから電源供給を受け、第２電気補機は第２電源ラインから電源供給を受けるようにすることにより、第１電気補機と第２電気補機を使用用途に応じて異なる電圧仕様に設定することができ、電気システムのエネルギ効率の向上を図るとともに、電気システムを廉価に構成することができる。

また、第１電気補機は燃料電池を稼動するための燃料電池用補機の少なくとも一部とし、第２電気補機は燃料電池用補機以外の電気補機とすることにより、燃料電池用補機として高電圧型のものを採用してエネルギ効率の向上を図るとともに、車両用補機として廉価な汎用品を採用することができる。

さらに、サブ電気システムは、第１電気補機を含まないことから、燃料電池車両以外の他の型の車両の電気システムを兼用的に用いることができ、汎用性が向上して一層の低廉化を図ることができる。

さらにまた、不測の事態により第１ＤＣ−ＤＣコンバータが故障した場合においても、第１電気補機は第１電源ラインから電力が継続して供給されることから、蓄電装置の電力残量にあまり影響されることなく、燃料電池の稼動を相当長時間継続することができる。

さらに、本発明に係る燃料電池車両によれば、上記の電気システムを搭載することにより、低電圧の電源ライン周辺のサブ電気システムの汎用性が向上して低廉化が図られるとともに、第１ＤＣ−ＤＣコンバータの故障時にも相当の長距離を走行することができる。

以下、本発明に係る燃料電池の電気システム、燃料電池車両及び電力供給方法について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１５を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る電気システム１０は、燃料電池車両１２に搭載されている。燃料電池車両１２は燃料電池１４が発生する電力によりインバータ１６を介して三相型の走行モータ１７を制御し、回転させ、該走行モータ１７の回転軸に接続されたディファレンシャルギアや変速機等のギア機構１８を介して駆動輪２０を駆動することができる。燃料電池１４は、走行上の十分な電力を発生させために大電力且つ高電圧型が用いられている。ここで、燃料電池１４が発生する電圧を電圧Ｖ１とする。

図２に示すように、燃料電池１４には、燃料ガス供給系２２、反応ガス供給系２４及び冷却媒体供給系２６が接続される。燃料ガス供給系２２は、水素タンク２８と燃料電池１４の燃料ガス入口２２ａとに接続される水素供給流路３０を備える。この水素供給流路３０には、水素タンク２８側から遮断弁３２、エゼクタ３４及び水素供給ポンプ３５が配設される。

燃料電池１４の燃料ガス出口２２ｂには、水素循環流路３６が接続されるとともに、この水素循環流路３６は、エゼクタ３４を介して水素供給流路３０に合流される。この水素循環流路３６から分岐する水素排出流路３８には、パージ弁４０が接続される。

反応ガス供給系２４は、エアーコンプレッサ（又はスーパーチャージャ）４２と燃料電池１４の反応ガス入口２４ａとに接続される空気供給流路４４を備える。燃料電池１４の反応ガス出口２４ｂには、空気排出流路４６が接続され、該空気排出流路４６は、背圧弁４７を介して排気管５０が接続される。

冷却媒体供給系２６は、燃料電池１４の冷却媒体入口２６ａと冷却媒体出口２６ｂとに接続される冷却媒体循環流路５２を備える。この冷却媒体循環流路５２には、冷却媒体を循環供給するための冷却水循環ポンプ５４が配設される。冷却媒体循環流路５２には放熱用のラジエータ５３が設けられており、冷却水循環ポンプ５４の作用下に通過する冷却媒体を放熱、冷却する。

燃料電池１４内においては、水素供給ポンプ３５によって水素供給流路３０から供給される水素ガス（燃料ガス）と、エアーコンプレッサ４２により所定圧力に加圧されて空気供給流路４４から供給される空気（反応ガス）がそれぞれ所定の電極に送られ、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。燃料電池１４で発生した電力はプラス側の出力端子１４ｐ及びマイナス側の出力端子１４ｎから出力される。なお、電気システム１０においてプラス側とマイナス側の一対からなる構成部については、プラス側を示す符号に添え字ｐを付し、マイナス側を示す符号には添え字ｎを付すものとする。

燃料電池１４内の未使用の水素ガスを含む排ガスは、燃料ガス出口２２ｂから水素循環流路３６に排出される。この排ガスは、水素循環流路３６を通ってエゼクタ３４から水素供給流路３０に供給され、再度、燃料電池１４に燃料ガスとして供給される。燃料電池１４内で消費された空気は、反応ガス出口２４ｂから空気排出流路４６に排出される。

燃料電池１４を駆動するシステムは、上記の構成に限ることはなく、例えば、水素供給ポンプ３５を省略したシステムを有するものであってもよい。また、水素供給ポンプ３５、エアーコンプレッサ４２及び冷却水循環ポンプ５４は１つのモータで駆動するようにしてもよい。

なお、図２においては、燃料電池用補機であるモータ４２ａ、３５ａ及び５４ａと第１電源ライン７２との電気的接続の図示を省略している。

図１に戻り、電気システム１０は、燃料電池１４の出力電圧より低電圧の蓄電装置（第１蓄電装置）７０と、燃料電池１４の出力端子１４ｐ及び１４ｎに接続された第１電源ライン７２と、蓄電装置７０の出力端子７０ｐ及び７０ｎに接続された第２電源ライン７３と、第１電源ライン７２と第２電源ライン７３との間で双方向に電圧変換を行う第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４とを有する。第１電源ライン７２はプラス側ライン７２ｐ及びマイナス側ライン７２ｎからなり、第２電源ライン７３はプラス側ライン７３ｐ及びマイナス側ライン７３ｎからなる。蓄電装置７０としては、例えば、各種二次電池、鉛バッテリ、リチウムイオン電池及び電気二重層キャパシタ等を用いることができる。

電気システム１０は、さらに第１電源ライン７２から電力供給を受ける第１電気補機７６と、第２電源ライン７３から電力供給を受ける第２電気補機７８とを有する。第１電気補機７６は、燃料電池１４を稼動するための燃料電池用補機である。第２電気補機７８は、燃料電池用補機以外の電気補機であり、主に、燃料電池車両１２以外の一般車両にも搭載されている一般的な車両補機である。

電気システム１０において、図１における第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４よりも下に示す部分、すなわち、蓄電装置７０、電源開閉部９８、第２電源ライン７３及び第２電気補機７８は、１つのユニット形式のサブ電気システム１００を構成し、端子１０１を介して第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４に接続されている。このサブ電気システム１００はユニット形式に限らず、燃料電池１４の出力電圧Ｖ１より低電圧の電圧Ｖ２（又は電圧Ｖ４）で動作し、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４を介して第１電源ライン７２に接続される回路であって、蓄電装置７０と、第２電源ライン７３と、第２電気補機７８とを含む部分を示す概念的システムであってもよい。

前記のインバータ１６及び走行モータ１７は電気システム１０に含まれており、第１電源ライン７２から電気供給を受けている。走行モータ１７は、燃料電池車両１２に搭載された電気機器の中で特に高負荷であり、且つ走行車両としての主要な機器であって、第１電気補機７６及び第２電気補機７８に対して主機というべき機器である。インバータ１６は、インバータとしての機能を有しており、第１電源ライン７２から供給される直流電源を三相交流に変換し、運転者のアクセル操作等に連動して適切な周波数及び電力となるように走行モータ１７に供給している。

第１電源ライン７２には、電圧Ｖ１を計測する電圧センサ７２ａが設けられるとともに、プラス側ライン７２ｐ及びマイナス側ライン７２ｎにはメインコンタクタ７７ｐ及び７７ｎが設けられ、さらにマイナス側ライン７２ｎには逆流阻止用のダイオード７２ｂが設けられている。

図３に示すように、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４は、高圧側（つまり第１電源ライン７２の側）に設けられた電圧センサ７４ａ、保護抵抗７４ｂ及び安定化コンデンサ７４ｃと、低圧側（つまり第２電源ライン７３の側）に設けられた電圧センサ７４ｄ、保護抵抗７４ｅ、及び安定化コンデンサ７４ｆと、昇圧用のスイッチング素子７４ｇと、降圧用のスイッチング素子７４ｈとを有する。

第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４内における高圧側の一対のライン８３ｐ、８３ｎと低圧側の一対のライン８５ｐ、８５ｎのうちそれぞれマイナス側の８３ｎと８５ｎは相互接続されている。スイッチング素子７４ｇ及びスイッチング素子７４ｈは直列に接続され、昇圧用のスイッチング素子７４ｇがライン８３ｎ側、降圧用のスイッチング素子７４ｈがライン８３ｐ側に配置されている。スイッチング素子７４ｇ及びスイッチング素子７４ｈとの間には、低圧のライン８５ｐが分岐接続されている。ライン８５ｐには、電流の安定化を図るリアクトル７４ｉが設けられている。高圧側のライン８３ｐ及び８３ｎは第１電源ライン７２のプラス側ライン７２ｐ及びマイナス側ライン７２ｎに接続されており、低圧側のライン８５ｐ及び８５ｎは第２電源ライン７３のプラス側ライン７３ｐ及びマイナス側ライン７３ｎに接続されている。

スイッチング素子７４ｇ及び７４ｈは高周波でオン、オフを繰り返すチョッパ動作を行うことにより、第１電源ライン７２から供給される電圧Ｖ１の電力を降圧して電圧Ｖ２の電力に変換して第２電源ライン７３に供給することができる。第１電源ライン７２から第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４を介して第２電源ライン７３に供給された電力は蓄電装置７０を充電し、又は第２電気補機７８に対する供給される。スイッチング素子７４ｇ、７４ｈ及び後述するスイッチング素子７９ｄ、９０ｄは半導体素子であり、例えば、トランジスタ、サイリスタ、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）又はＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等が挙げられる。

また、例えば、走行モータ１７に高負荷がかかるときには、燃料電池１４による電力出力を補うため、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４は、第２電源ライン７３の電圧Ｖ２の電力を昇圧して電圧Ｖ１の電力に変換し、第１電源ライン７２に供給することができる。この場合、第２電源ライン７３の電力は、蓄電装置７０が放電することにより供給される。

第１電気補機７６は、前記のとおり燃料電池１４を稼動するための燃料電池用補機であり、エアーコンプレッサ４２を駆動するモータ４２ａ、水素供給ポンプ３５を駆動するモータ３５ａ及び冷却水循環ポンプ５４を駆動するモータ５４ａを含む。このうち、エアーコンプレッサ４２を駆動するモータ４２ａは、第１電源ライン７２から第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９を介して電力供給を受ける。第１電気補機７６は燃料改質器であってもよい。

図４に示すように、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９は、第１電源ライン７２の電圧Ｖ１の電力を電圧Ｖ３の電圧に降圧する機能を有し、電圧センサ７９ａと、保護抵抗７９ｂと、安定化コンデンサ７９ｃと、スイッチング素子７９ｄと、電流の安定化を図るリアクトル７９ｅと、サージカット用ダイオード７９ｆとが設けられている。モータ４２ａは交流三相型であって、インバータ８１により回転制御が行われる。

図５は、横軸に電流、縦軸に電圧をとったＩＶ特性線図であり、燃料電池１４の電圧特性と、スイッチング素子７９ｄにより制御される電圧Ｖ３とを対比して示している。すなわち、スイッチング素子７９ｄは走行モータ１７等の負荷電流Ｉ（又は負荷Ｌ）が規定閾値Ｌｓ未満であるときにチョッパ動作により入力電圧である電圧Ｖ１を降圧して電圧Ｖ３に変成し、負荷Ｌが規定閾値Ｌｓ以上であるときには連続的にオンとすることにより入出力を直結してインバータ８１及びエアーコンプレッサ４２に電力供給を行う。この直結動作を行うことにより発熱が抑制され、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９の小型化が図られる。

第２電気補機７８は、前記のとおり燃料電池用補機以外の電気補機であり、電動エアコンモータ８０、ワイパモータ８２、パワーウィンドモータ８４等の通常の車両用補機である。

このうち、電動エアコンモータ８０は三相型のモータであって、インバータ８６により回転制御が行われる。なお、燃料電池車両１２においては、エンジンが搭載されていないことから常時回転している回転駆動源がなく、電動エアコンが採用され、コンプレッサ８８は電動エアコンモータ８０により駆動される。また、エンジンが搭載されていないことから大量の熱を発生する熱源がなく、電動エアコンは車内加温用にも兼用され、いわゆるヒートポンプとして作用する。電動エアコンモータ８０はコンプレッサ８８を駆動することにより冷媒を圧縮、循環させ、これにより車内の温度調整が行われる。電動エアコンモータ８０は冷媒を圧縮させる必要から、比較的大容量である。

第２電気補機７８における電動エアコンモータ８０を除くワイパモータ８２、パワーウィンドモータ８４等は、電圧Ｖ２を降圧して低圧の電圧Ｖ４（例えば、１２Ｖ）に変換する第３ＤＣ−ＤＣコンバータ９０を介して第２電源ライン７３に接続されている。また、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の出力ラインには、鉛バッテリ（第２蓄電装置）９２が接続されている。

第３ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９と同様の降圧作用を奏し、所定のスイッチング素子がチョッピング動作をすることにより入力側の電圧Ｖ２が降圧され電圧Ｖ４となって出力される。

蓄電装置７０は、接続制御用の電源開閉部９８を介して第２電源ライン７３に接続されている。図６に示すように、電源開閉部９８は、電圧Ｖ２を検出する電圧センサ１０３と、プラス側ライン７３ｐ及びマイナス側ライン７３ｎに設けられた一対のバッテリコンタクタ１０２ｐ、１０２ｎと、バッテリコンタクタ１０２ｐに対して並列に設けられた直列接続のプリコンタクタ１０４及び制限抵抗１０６とを有する。

なお、メインコンタクタ７７ｐ、７７ｎ、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９、電源開閉部９８は電源制御コントローラ１１０に接続されており、該電源制御コントローラ１１０の作用下に所定の電源制御処理を行う。これに対して、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、電源制御コントローラ１１０と接続されず、自律的に電圧変換を行う。

電源制御コントローラ１１０は、主たる制御部としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）と、記憶部としてのＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）及びドライバ等を有しており、ＣＰＵがプログラムを読み込み、記憶部等と協働しながらソフトウェア処理を実行することにより電源制御処理が実現される。電源制御コントローラ１１０は、例えば、鉛バッテリ９２から電源供給を受けており、燃料電池１４が停止しているときにも動作可能である。

燃料電池用補機であるモータ４２ａ、３５ａ及び５４ａは、基本的に第１電源ライン７２から電力供給を受けるが、これ以外の燃料電池用補機である小電力の所定のコントローラやセンサ等（図示せず）は、第２電源ライン７３から電力供給を受けるようにしてもよい。

このように構成される電気システム１０は、ブロック構成図として図７のように示される。図７から明らかなように、電気システム１０においては、第１電源ライン７２と第２電源ライン７３は第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４により双方向に電圧変換が行われるとともに、燃料電池１４を稼動するための燃料電池用補機である第１電気補機７６は、第１電源ライン７２から分岐して電力供給を受け、一方、燃料電池用補機以外の電気補機である第２電気補機７８は第２電源ライン７３から分岐して電源供給を受けている。また、サブ電気システム１００は第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４を介して第１電源ライン７２と接続されており、それ以外の箇所では接続がなく、回路上で半独立的なシステムとなっている。

ところで、近時、開発及び実用化されているハイブリッド車両（いわゆるＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle））においては、走行用駆動源としてエンジン及びモータを搭載しており、該モータを効率的に駆動するために蓄電装置７０が設けられている。また、ハイブリッド車両では、エンジンを停止した状態で走行する場合を考慮し、エンジン回転に依存しない電動エアコンが採用されている。さらに、ハイブリッド車両では、通常の車両用補機としてのワイパモータ８２、パワーウィンドモータ８４等が設けられていることはもちろんである。

換言すれば、ハイブリッド車両における電気システムのほとんどは、本実施の形態に係る電気システム１０におけるサブ電気システム１００と同様の構成であり、実際上、該サブ電気システム１００は、燃料電池車両１２及びハイブリッド車両における電気システムと共通に用いることができ、高い汎用性、互換性が得られる。したがって、サブ電気システム１００は、いわゆるスケールメリットが得られ、廉価に構成することができる。

次に、このように構成される燃料電池車両１２における電気システム１０の動作について、図８〜図１２を参照しながら説明する。図８〜図１０に示す処理は、主に電源制御コントローラ１１０及び燃料電池１４の制御コントローラが協働しながら行うソフトウェア処理により実現される。また、図１１及び図１２においては、タイムチャートの上方がオン又は稼動状態を示し、下方がオフ又は停止状態を示し、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４の動作については昇圧電圧を示す。以下の説明では、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３…のように添え字番号の順に所定の時間が経過しているものとする。

ステップＳ１において、電源スイッチがオンとなり電源制御コントローラ１１０が起動した後、所定の初期化処理を行う。この初期化処理としては、例えば、セキュリティチェック、シフトポジションチェック、走行モータ１７の回転数チェック及びＲＡＭの初期化等が挙げられる。

ステップＳ２においては、初期化処理の終了した時刻ｔ１に、プリコンタクタ１０４をオンにして第２電源ライン７３のプラス側ライン７３ｐに対してプリチャージを行う。

ステップＳ３においては、時刻ｔ２に、第２電源ライン７３のマイナス側のバッテリコンタクタ１０４ｂをオンにする。これにより、蓄電装置７０から第２電源ラインに７２に対して電力が供給されることになるが、制限抵抗１０６の作用により供給電流が制限され、バッテリコンタクタ１０４ｂの接点部が保護される。また、ステップＳ２及びＳ３の処理では、第２電源ライン７３に対して電圧Ｖ２が供給されることから、この電圧Ｖ２は第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４を介して第１電源ライン７２にも供給され、第１電源ライン７２に対してもプリチャージが行われる。

ステップＳ４においては、時刻ｔ３に、第２電源ライン７３のバッテリコンタクタ１０２ｐをオンにする。これにより、蓄電装置７０の充電量に応じた十分な電力が第２電源ライン７３に対して供給される。このとき、第２電源ライン７３はプリチャージされていることから、電圧Ｖ２の変化はほとんどなく、バッテリコンタクタ１０４ａの接点部が保護される。また、時刻ｔ３後の適当な時刻においてプリコンタクタ１０４をオフにしておく。

ステップＳ５において、時刻ｔ４に、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４による第２電源ライン７３における電圧の昇圧を開始する。これにより、第１電源ライン７２における電圧は次第に上昇し、時刻ｔ５において電圧Ｖ２に達する。時刻ｔ４においては、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９の運転を開始し、エアーコンプレッサ４２に対する電力供給を開始する。

また、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は自律的な動作を行うことからこの時点で電圧変換を自動的に開始し、ワイパモータ８２、パワーウィンドモータ８４等の通常の車両用補機に対する電力供給を開始する。

ステップＳ６においては、時刻ｔ５に、第１電源ライン７２のメインコンタクタ７７ｐ及び７７ｎをオンにする。この時点では、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４の昇圧作用によって第１電源ライン７２は既に電圧Ｖ１が印加されており、しかも燃料電池１４は停止していることから、メインコンタクタ７７ａ及び７７ｂに対して大電流が急激に流れることがなく、メインコンタクタ７７ａ及び７７ｂの接点部が保護される。時刻ｔ５においては、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９の動作を開始し、エアーコンプレッサ４２のモータ４２ａに対する電力供給を開始する。

ステップＳ７においては、時刻ｔ６に、燃料電池用コントローラの作用下に、エアーコンプレッサ４２を駆動するとともに、背圧弁４９による背圧制御を開始する。また、その後、遮断弁３２を開くとともに水素供給ポンプ３５を駆動することにより、燃料電池１４に水素ガスを適量供給する。これにより、燃料電池１４は発電を開始し、出力端子１４ｐ、１４ｎから電圧Ｖ１の電力を第１電源ラインに供給することになる。さらに、冷却水循環ポンプ５４を駆動して冷却媒体を循環駆動して燃料電池１４が発電に適した温度となるように冷却する。

このようにして電気システム１０は起動し、この後通常運転に移行する。

通常運転（図９参照）においては、ステップＳ８において、電圧センサ７２ａによって計測される電圧値やインバータ１６から得られる所定の信号に基づいて走行モータ１７の負荷Ｌを検出し、該負荷が規定閾値Ｌｓ未満であるか否かを確認する。Ｌ＜ＬｓであるときにはステップＳ１０へ移り、Ｌ≧ＬｓであるときにはステップＳ１１へ移る。

ステップＳ１０（Ｌ＜Ｌｓであるとき）においては、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９に対してチョッピング動作をするように指示を行い、第１電源ライン７２の電圧Ｖ１を電圧Ｖ３に降圧してインバータ８１に供給させる。この後、ステップＳ１２へ移る。

一方、ステップＳ１１（Ｌ≧Ｌｓであるとき）においては、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９に対して直結動作（スイッチングデバイスをオン状態で固定する。）を行うように指示を行う。この場合、第１電源ライン７２の電圧は基本となる電圧Ｖ１よりも低下しており、この低下している電圧をそのままインバータ８１に供給させる。これにより、チョッピング動作によるスイッチングロスを低減することができる。

ステップＳ１２において、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４の降圧動作条件の判定を行う。つまり、第２電気補機７８の消費電力が大きいか又は蓄電装置７０の充電量ＳＯＣが所定値未満となっている場合であって、且つ燃料電池１４の出力電流に余裕があるときに降圧動作条件が成立する。降圧動作条件が成立するときにはステップＳ１３へ移り、不成立であるときにはステップＳ１４へ移る。この降圧動作条件及びステップＳ１４における昇圧動作条件は、電圧センサ７４ａ、７４ｄ及び蓄電装置７０に設けられた所定のセンサの出力信号等に基づいて判定される。

ステップＳ１３においては、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４に対して降圧動作を行うように指示信号を出力し、該第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４により第１電源ライン７２の電圧Ｖ１を電圧Ｖ２に降圧し、第２電源ライン７３を介して第２電気補機７８に供給し、又は蓄電装置７０を充電する。この後、ステップＳ１７へ移る。

このステップＳ１３の処理により、蓄電装置７０を充電して電源として利用可能とし、又は第２電気補機７８に対して蓄電装置７０で不足する電力を燃料電池１４から供給することができる。

ステップＳ１４において、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４の昇圧動作条件の判定を行う。つまり、モータ４２ａ等の第１電気補機７６や走行モータ１７の消費電力が大きいか又は燃料電池１４の出力電流が規格最大値以上となっている場合であって、且つ蓄電装置７０の充電量ＳＯＣが所定値以上となっているときに昇圧動作条件が成立する。昇圧動作条件が成立するときにはステップＳ１５へ移り、不成立であるときにはステップＳ１６へ移る。

ステップＳ１５においては、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４に対して昇圧動作を行うように指示信号を出力し、該第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４により第２電源ライン７３の電圧Ｖ２を電圧Ｖ１に昇圧し、第１電源ライン７２を介して走行モータ１７及び第１電気補機７６に供給する。この後、ステップＳ１７へ移る。

このステップＳ１５の処理により、例えば、急加速時において走行モータ１７に大電流を通電する必要がある場合であって、燃料電池１４による電力供給が速い変化に対応できないときに、蓄電装置７０により補助的に電力を供給することができる。

ステップＳ１６においては、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４の降圧動作及び昇圧動作をそれぞれ停止させる。この場合、第１電源ライン７２と第２電源ライン７３との間における電力変換は行われず、走行モータ１７及び第１電気補機７６に対しては、燃料電池１４が単独的な電源として電力供給を行い、第２電気補機７８に対しては、蓄電装置７０及び鉛バッテリ９２が電源として電力供給を行うことになる。

ステップＳ１７においては、電源スイッチの状態を確認し、オン状態が保たれている場合にはステップＳ８へ戻り通常運転を継続し、オフである場合には停止処理であるステップＳ１８へ移る。

次に、電気システム１０の停止処理（図１０及び図１２参照）であるステップＳ１８においては、電源スイッチがオフであることを認識した時刻ｔ７に、遮断弁３２をオフにし、水素の供給を停止する。

ステップＳ１９においては、時刻ｔ８に、燃料電池用コントローラの作用下に、エアーコンプレッサ４２、水素供給ポンプ３５及び冷却水循環ポンプ５４を停止するとともに遮断弁３２を閉じて燃料電池１４に対する水素ガスの供給を停止する。これにより、燃料電池１４は発電を停止する。

ステップＳ２０においては、時刻ｔ９に、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９の動作を停止させてインバータ８１に対する電力供給を停止する。このとき、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４は降圧動作を行い、燃料電池１４内に残留している電荷のディスチャージを行い、第１電源ライン７２の電圧を徐々に降下させる。ディスチャージされた電荷は、少なくとも一部が蓄電装置７０に充電される。

ステップＳ２１においては、第１電源ライン７２の電圧が蓄電装置７０の充電に適する電圧を下回った時刻ｔ１０に、バッテリコンタクタ１０２ｐをオフにする。これにより、蓄電装置７０への充電が終了する。このとき、マイナス側のバッテリコンタクタ１０２ｎはオンのまま保持しておく。また、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４の降圧動作は継続し、燃料電池１４の残留電荷をさらにディスチャージする。この残留電荷は、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ９０を介して鉛バッテリ９２に充電され、又は電源制御コントローラ１１０等で消費され、あるいは微小な漏れ電流により自然消滅する。

ステップＳ２２において、第１電源ライン７２の電圧が十分小さい値となった時刻ｔ１１に、メインコンタクタ７７ｐをオフにする。これにより、第１電源ライン７２と燃料電池１４の出力端子１４ａは切り離され、第１電源ライン７２の電圧は０となる。また、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４及び第３ＤＣ−ＤＣコンバータ９０が停止するとともに第２電源ライン７３の電圧も０となる。仮に、このとき第１電源ライン７２及び第２電源ライン７３の電圧がほとんど変化しない場合には、メインコンタクタ７７ｐの接点が不良であることが認識され、所定のエラー処理を行う。

ステップＳ２３においては、時刻ｔ１２において、メインコンタクタ７７ｎ及びバッテリコンタクタ１０２ｎをオフとして、燃料電池１４及び蓄電装置７０を第１電源ライン７２及び第２電源ライン７３から完全に絶縁する。その後、鉛バッテリ９２から電源制御コントローラ１１０に電源供給する所定の電源自己保持回路における保持状態を解除し、電源制御コントローラ１１０を停止させる。

上述したように、本実施の形態に係る電気システム１０、燃料電池車両１２及び電力供給方法では、第１電気補機７６は第１電源ライン７２から電源供給を受け、第２電気補機７８は第２電源ライン７３から電源供給を受けている。これにより、第１電気補機７６と第２電気補機７８を使用用途に応じて異なる電圧仕様に設定することができ、電気システム１０のエネルギ効率の向上が図られるとともに、電気システム１０を廉価に構成することができる。

また、第１電気補機７６としてのエアーコンプレッサ４２は、燃料電池１４を稼動するための燃料電池用補機の一部であり、第２電気補機７８は、前記燃料電池用補機以外の電気として設定されている。これにより、燃料電池用補機として高電圧型のものを採用してエネルギ効率の向上を図ることができるとともに、第２電気補機７８は、通常の車両用補機として汎用品を採用することができ、電気システム１０の低廉化を図ることができる。

さらに、燃料電池１４を稼動するための燃料電池用補機である第１電気補機７６は第１電源ライン７２から電力供給を受けており、第２電源ライン７３からは第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４を介さずに直接的に電力供給を受けることはない。したがって、不測の事態により第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４の昇圧機能又は降圧機能が作用しなくなった場合においても、第１電気補機７６は、第１電源ライン７２を介して燃料電池１４から供給される電力によって駆動され、長距離（又は長時間）の走行を継続することができる。

この場合、蓄電装置７０及び鉛バッテリ９２に対する充電は行われないことになるが、第２電気補機７８は第１電気補機７６と比較して消費電力が小さいことから、蓄電装置７０及び鉛バッテリ９２の放電は抑制され、相当の長時間にわたり作用が維持される。仮に蓄電装置７０及び鉛バッテリ９２の充電量が小さくなり第２電気補機７８が作用しない場合においても、燃料電池１４から供給される電力によって第１電気補機７６及び走行モータ１７等の作用は維持され、走行が継続されることはもちろんである。換言すれば、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４が作用しなくなるという不測の事態に対して、走行を継続させ、又は所定の距離だけ走行可能とするために特別な措置は不要であり、当然に、走行継続のために蓄電装置７０から第１電気補機７６に電力を供給する必要はない。したがって、蓄電装置７０は、基本的には、第２電気補機７８を駆動可能な程度で、且つ始動時にエアーコンプレッサ４２を駆動可能な程度の小容量のもので足りる。

さらに、第１電気補機７６としてのエアーコンプレッサ４２、水素供給ポンプ３５及び冷却水循環ポンプ５４は高負荷であることから、電圧Ｖ１の第１電源ライン７２に接続することにより高電圧で駆動され、エネルギ効率が向上する。

燃料電池車両１２においては、一般的に車両サイズが大きいほど走行モータ１７の出力及び駆動電圧が高く設定されるため、第１電源ライン７２はこれに応じて高電圧となる。これに対して電気システム１０においては、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ７９により電圧Ｖ１を降圧して第１電気補機７６に供給することから、車両サイズに関わらず第１電気補機７６の電圧の共通化される。したがって、燃料電池車両１２の設計期間の短縮、製造コストの低減及び生産性の向上が図られる。

また、第２電気補機７８には比較的高負荷である電動エアコンモータ８０が含まれており、第２電源ライン７３から電源供給を受けている。つまり電動エアコンモータ８０は、車両サイズにより電圧の異なる第１電源ライン７２とは電圧仕様上の影響がなく、電動エアコンモータ８０を第１電源ライン７２に接続するための大容量型のＤＣ−ＤＣコンバータが不要である。

ワイパモータ８２やパワーウィンドモータ８４等は、第３ＤＣ−ＤＣコンバータ９０を介して第２電源ライン７３に接続されていることから、電動エアコンモータ８０とその他の車両用補機の電圧を変えて設定することができ、電動エアコンモータ８０を負荷に応じた適切な電圧仕様に設定することができる。さらに、ワイパモータ８２やパワーウィンドモータ８４等は、低圧仕様（例えば、１２Ｖ）に設定され、通常の汎用車両用補機を兼用可能であるとともに、鉛バッテリ９２に接続することにより、動作の安定化を図ることができる。

次に、電気システム１０において、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４の故障を検知するとともに、故障に対応した措置をとる方法について図１３を参照しながら説明する。図１３に示す処理は、電源制御コントローラ１１０の作用下に微小如何毎に繰り返し実行される。

先ず、ステップＳ１０１において、所定の故障検出部によるコンバータ故障の判断を行い、故障が検出された場合にはステップＳ１０２へ移り、正常である場合にはステップＳ１０５へ移る。コンバータ故障の判断は、例えば、入力側と出力側の双方の電流値を検出し、適正な電流が通電されているか否かによりなされる。また、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４がコンバータ故障時にフェール信号を出力する機能を有している場合には、該信号に基づいて故障判断を行ってもよい。

ステップＳ１０２において、電動エアコンモータ８０の消費電力を制限し、又は停止させる。電動エアコンモータ８０は第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４よりも蓄電装置７０側に設けられているが（図７参照）、燃料電池１４を稼動する燃料電池用補機のうち小電力の燃料電池制御部２０６、バルブ類、ラジエータファン等は、一般的に第１電源ライン７２よりも低電圧の第２電源ライン７３に接続されることが多く、電動エアコンモータ８０の消費電力を抑制することにより、蓄電装置７０の放電を低減し、これらの小電力の補機の稼働時間を延長される。結果として燃料電池１４の稼働時間を延長することができ、走行距離を伸ばすことができる。

ステップＳ１０３において、所定の回生制限フィードフォワード処理を行う。つまり、故障時回生電力制限値を所定の値に切換設定し、ステップＳ１０５の処理に対応する。

ステップＳ１０４において、モータトルク応答制限処理を行う。つまり、車速に基づいて許容トルク変化量からモータトルク指令を制限する。このように走行モータ１７の応答の制限を行うことにより、燃料電池１４が出力する電力の応答性も制限されることになる。ここで、燃料電池１４の負荷としては、走行モータ１７、水素供給ポンプ３５、エアーコンプレッサ４２及び冷却水循環ポンプ５４等があるが、このうち走行モータ１７が最も負荷が大きい。したがって、該走行モータ１７のトルクを制限することにより、燃料電池１４の電力の応答性を効果的に制限することができる。

ステップＳ１０５において、回生制限処理を行う。つまり、システム上限電と電圧Ｖ１との偏差に基づいて走行モータ１７の最大回生量を制限して、第１電源ライン７２の電圧Ｖ１の過上昇を防止する。

ステップＳ１０６において、モータ出力制限処理を行う。つまり、燃料電池１４の発電可能量と負荷系統の要求電力のいずれか小さい方と燃料電池発電量との差である偏差に基づいて許容モータ出力電力上限値を設定する。この処理により、走行モータ１７の出力が適正に制限される。ステップＳ１０６の後、図１３に示す今回の処理を終了する。

ところで、一般的に燃料電池１４における燃料ガス及び反応ガスの供給量は発電量に応じて設定されるが流体の慣性、管路抵抗、及びエアーコンプレッサ４２の動特性等により燃料ガス及び反応ガスの供給量を急速に変化させることには限界があり、必要とされる電力の変化量（つまり応答性）に反応しきれない状況が発生し得る。このような場合に第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４が故障していると蓄電装置７０からの電流アシストがないことから、燃料電池１４には発電許容変化量を超えた発電が必要となり、反応ガス、燃料ガスの供給ポンプの能力が不足することになる。その結果、ガス不足の状態の稼動となり、燃料電池の劣化を招くおそれがある。

これに対して、図１３に示したように、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４の故障を検出する工程と、故障が検出された場合に燃料電池１４から出力される電力の応答性を制限する工程とを有することにより、蓄電装置７０からの電流アシストがなくても燃料電池１４におけるガスの不足状態が回避され、燃料電池１４の劣化を防止することができる。また、応答性を制限することにより燃料ガスの消費量が低減されて走行距離が伸びる。

次に、電気システム１０は、第１電気補機７６の態様により以下の変形例である電気システム１０ａ、１０ｂ等であってもよい。すなわち、図１４に示す第１の変形例に係る電気システム１０ａのように、第１電気補機７６のエアーコンプレッサ４２、冷却水循環ポンプ５４及び水素供給ポンプ３５をそれぞれ第１電源ライン７２の電圧Ｖ１に対応した電圧仕様とし、降圧用のＤＣ−ＤＣコンバータを介さずに直接的に該第１電源ライン７２に接続してもよい。

また、図１５に示す第２の変形例に係る電気システム１０ｂのように、エアーコンプレッサ４２、冷却水循環ポンプ５４及び水素供給ポンプ３５をそれぞれの負荷に対応した好適な個別の電圧仕様とし、各々に対応する電圧に降圧するＤＣ−ＤＣコンバータ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを介して電力を供給するようにしてもよい。

このような、電気システム１０ａ、１０ｂにおいても前記電気システム１０と同様に、システムの汎用化、低廉化が図られるとともに、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ７４が故障した場合においても、相当長時間、燃料電池１４の稼動を継続できることはもちろんである。

本発明に係る燃料電池の電気システム、燃料電池車両及び電力供給方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

本実施の形態に係る燃料電池の電気システムのブロック構成図である。 燃料電池システムのブロック構成図である。 第１ＤＣ−ＤＣコンバータのブロック構成図である。 第２ＤＣ−ＤＣコンバータのブロック構成図である。 第２ＤＣ−ＤＣコンバータによる電圧制御特性を示すグラフである。 電源開閉部のブロック構成図である。 電気システムの概略ブロック構成図である。 電力供給方法の手順を示すフローチャート（その１）である。 電力供給方法の手順を示すフローチャート（その２）である。 電力供給方法の手順を示すフローチャート（その３）である。 燃料電池の電気システムの起動シーケンスを示すタイムチャートである。 燃料電池の電気システムの停止シーケンスを示すタイムチャートである。 ＤＣ−ＤＣコンバータの故障を検出する工程、及び故障が検出された場合に燃料電池から出力される電力の応答性を制限する工程を含む制御手順を示すフローチャートである。 第１の変形例に係る燃料電池の電気システムのブロック構成図である。 第２の変形例に係る燃料電池の電気システムのブロック構成図である。 従来技術に係る電気システムのブロック構成図（その１）である。 従来技術に係る電気システムのブロック構成図（その１）である。

符号の説明

１０、１０ａ、１０ｂ…電気システム １２…燃料電池車両
１４…燃料電池 １６、８１、８６…インバータ
１７…走行モータ ３５…水素供給ポンプ
３５ａ、４２ａ、５４ａ…モータ ４２…エアーコンプレッサ
５４…冷却水循環ポンプ ７０…蓄電装置
７２…第１電源ライン ７３…第２電源ライン
７４…第１ＤＣ−ＤＣコンバータ ７６…第１電気補機
７８…第２電気補機 ７９…第２ＤＣ−ＤＣコンバータ
８０…電動エアコンモータ ８２…ワイパモータ
８４…パワーウィンドモータ ８８…コンプレッサ
９０…第３ＤＣ−ＤＣコンバータ ９２…鉛バッテリ
１００…サブ電気システム Ｌ…負荷
Ｌｓ…規定閾値 Ｖ１〜Ｖ４…電圧

Claims (11)

1. 反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に接続された第１電源ラインと、
   前記燃料電池を稼動するための燃料電池用補機の少なくとも一部である第１電気補機と、
   前記燃料電池の出力電圧より低電圧で動作し、双方向に電圧変換を行う第１ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記第１電源ラインに接続されるサブ電気システムと、
   を有し、
   前記サブ電気システムは、第１蓄電装置と、
   前記第１蓄電装置と前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータとを接続する第２電源ラインと、
   前記燃料電池用補機以外の電気補機である第２電気補機と、
   を含み、
   前記第１電気補機は前記第１電源ラインから電力供給を受けるように接続され、前記第２電気補機は前記第２電源ラインから電力供給を受けるように接続されていることを特徴とする燃料電池の電気システム。
2. 請求項１記載の電気システムにおいて、
   前記第１電気補機は、前記燃料電池に加圧空気を供給するエアーコンプレッサ、前記燃料電池に水素を供給する水素供給ポンプ、又は前記燃料電池を冷却する冷却水循環用ポンプの少なくとも１つであることを特徴とする燃料電池の電気システム。
3. 請求項１記載の電気システムにおいて、
   前記第１電気補機の少なくとも一部は、電圧を降圧する第２ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記第１電源ラインに接続されていることを特徴とする燃料電池の電気システム。
4. 請求項３記載の電気システムにおいて、
   前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記第１電源ラインから電力供給を受ける主機の負荷が規定閾値未満であるときに入力電圧を降圧して前記第１電気補機に供給し、前記主機の負荷が規定閾値以上であるときに入出力を直結して前記第１電気補機に電力供給することを特徴とする燃料電池の電気システム。
5. 請求項１記載の電気システムにおいて、
   前記第２電気補機は、少なくとも電動エアコンモータを含むことを特徴とする燃料電池の電気システム。
6. 請求項５記載の電気システムにおいて、
   前記第２電気補機における前記電動エアコンモータを除く少なくとも一部は、電圧を降圧する第３ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記第２電源ラインに接続されるとともに、第２蓄電装置に接続されていることを特徴とする燃料電池の電気システム。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気システムを搭載し、前記燃料電池により発生した電力を用いて走行することを特徴とする燃料電池車両。
8. 反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電圧より低電圧の第１蓄電装置と、
   前記燃料電池に接続された第１電源ラインと、
   前記第１蓄電装置に接続された第２電源ラインと、
   前記第１電源ラインと前記第２電源ラインとの間で双方向に電圧変換を行う、第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記第１電源ラインから電力供給を受ける主機及び第１電気補機と、
   前記第２電源ラインから電力供給を受ける第２電気補機と、
   を有することを特徴とする燃料電池の電気システム。
9. 反応ガスが供給されることにより発電する燃料電池から第１電源ラインを介して主機及び第１電気補機に電力を供給する工程と、
   前記燃料電池の出力電圧より低電圧の蓄電装置から第２電源ラインを介して第２電気補機に電力を供給する工程と、
   双方向に電圧変換可能なＤＣ−ＤＣコンバータにより、前記第１電源ラインの電圧を降圧した電力を前記第２電源ラインを介して前記第２電気補機に供給し、又は前記蓄電装置を充電する工程と、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータにより、前記第２電源ラインの電圧を昇圧した電力を前記第１電源ラインを介して前記主機又は前記第１電気補機に供給する工程と、
   を有することを特徴とする電力供給方法。
10. 請求項９記載の電力供給方法において、
    前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記主機の負荷が規定閾値未満であるときに入力電圧を降圧して前記第１電気補機に供給し、前記主機の負荷が規定閾値以上であるときに入出力を直結して前記第１電気補機に電力供給する工程を有することを特徴とする電力供給方法。
11. 請求項９記載の電力供給方法において、
    前記ＤＣ−ＤＣコンバータの故障を検出する故障検出工程と、
    前記故障検出工程により前記ＤＣ−ＤＣコンバータの故障が検出された場合、前記燃料電池から出力される電力の応答性を制限する応答制限工程と、
    を有することを特徴とする電力供給方法。

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