JP2007157477A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高圧ＤＣ／ＤＣコンバータに異常が生じた場合にもバッテリあがりに至るのを回避できるようにする。
【解決手段】電力供給源２，８と、電圧の異なる回路のうち高圧側の回路に接続されている高圧バッテリ１５と、該高圧バッテリ１５および電力供給源２，８に接続された高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、該高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４と高圧バッテリ１５との間に接続されて低圧側の回路に電力供給可能な低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８と、該低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を介して接続された低圧補機２０および低圧バッテリ１９と、を備えた燃料電池システムに対し、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を迂回して低圧補機２０および低圧バッテリ１９の少なくとも一方に電力供給可能な別個のＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、高圧バッテリと高圧ＤＣ／ＤＣコンバータとの間に低圧ＤＣ／ＤＣコンバータを介して低圧補機を接続した構成のシステムの改良に関する。

燃料電池やこれによって駆動される補機などによって構成される燃料電池システムとして、電力供給源（燃料電池やモータジェネレータ）に接続された高圧ＤＣ／ＤＣコンバータと、この高圧ＤＣ／ＤＣコンバータに接続された高圧バッテリと、これら高圧ＤＣ／ＤＣコンバータと高圧バッテリとの間に接続された低圧ＤＣ／ＤＣコンバータと、この低圧ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続された低圧補機および低圧バッテリと、を備えたものが利用されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１８９７９号公報

しかしながら、上述のような構成の燃料電池システムにおいては、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータに何らかの異常が生じた場合、当該高圧ＤＣ／ＤＣコンバータを介しての電力供給が途絶えてバッテリあがりに至るおそれがある。

そこで、本発明は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータに異常が生じた場合にもバッテリあがりに至るのを回避することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討をした。上述の構成のごとく高圧回路（高圧ＤＣ／ＤＣコンバータや高圧バッテリが接続されている回路）と低圧回路（１２Ｖ用低圧補機など）との間に低圧のＤＣ／ＤＣコンバータを介在させているシステムにおいては、例えば高圧バッテリから当該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して低圧回路側に電力供給することができるといった利点があるものの、このように低圧ＤＣ／ＤＣコンバータを高圧バッテリ側に接続させるという構成であるが故にバッテリあがりに至るおそれも有している。この点に着目してさらに検討を進めた結果、本発明者はこのような問題を解決しうる技術を知見するに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、電力供給源と、電圧の異なる回路のうち高圧側の回路に接続されている高圧バッテリと、該高圧バッテリおよび前記電力供給源に接続された高圧ＤＣ／ＤＣコンバータと、該高圧ＤＣ／ＤＣコンバータと前記高圧バッテリとの間に接続されて低圧側の回路に電力供給可能な低圧ＤＣ／ＤＣコンバータと、該低圧ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続された低圧補機および低圧バッテリと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記高圧ＤＣ／ＤＣコンバータを迂回して前記低圧補機および前記低圧バッテリの少なくとも一方に電力供給可能な別個のＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備えていることを特徴とするものである。

このような構成の燃料電池システムにおいては、低圧回路側に対して複数系統の供給経路によって電力供給を行うことが可能となっている。したがって、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータが異常により停止してしまい当該高圧ＤＣ／ＤＣコンバータを経由しての電力供給が行われ得ない状況となっても、他方の電力供給系統を利用しての電力供給を行う途が残る。このため、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータの異常時においても低圧バッテリ等へ電力を供給することが可能である。

また、本発明においては、前記高圧ＤＣ／ＤＣコンバータおよび燃料電池の間に接続された前記別個のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記低圧補機および前記低圧バッテリを接続している。この場合、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータおよび従前の低圧ＤＣ／ＤＣコンバータを介した電力供給経路の他、当該高圧ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなくこの別個のＤＣ／ＤＣコンバータを介する電力供給経路が形成されることになる。

また、上述の燃料電池システムにおいては、複数設けられた前記ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれを当該システム中の負荷に応じて作動させることも好ましい。これらＤＣ／ＤＣコンバータの作動量を適宜変えることとすればシステム中における負荷の態様やバランスに対応して安定した運転を行うことが可能となる。

本発明によれば、システム中の高圧ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて異常が生じた場合にもバッテリあがりという事態に至るのを回避することが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１、図２に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム１は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４と高圧バッテリ１５との間に低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を介して低圧バッテリ１９および低圧補機２０を接続しているという構成のもので、本実施形態においては、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を迂回して低圧バッテリ１９および低圧補機２０の少なくともいずれか一方に電力供給可能な電力供給系統を形成することしている。以下においては、まず燃料電池システム１の概略から説明し、さらにこのように複数とした電力供給系統について説明することとする（図１、図２参照）。

図１に本実施形態にかかる燃料電池システム１の概略構成を示す。本実施形態に示す燃料電池システム１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるが、これに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム等としても用いることができるのは当然である。図示していない燃料電池セルスタックは、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を有するものであり、例えば固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。

燃料電池２への酸化ガス供給系は、エアコンプレッサ５、インタークーラ３、インタークーラ冷却用ウォータポンプ４を含んだ構成となっている（図１参照）。エアコンプレッサ５は図示しないエアフィルタを介して外気から取り込んだ空気を圧縮する。インタークーラ３は、圧縮されて高温となったエアを冷却する。インタークーラ冷却用ウォータポンプ４は、インタークーラ３を冷却するための冷却水を循環させる。エアコンプレッサ５によって圧縮されたエアは、このようにインタークーラ３によって冷却された後、加湿器１７を通過し、燃料電池２のカソード（酸素極）へと供給される。燃料電池２の電池反応に供された後の酸素オフガスはカソードオフガス流路１６を流れてシステム外へと排気される。この酸素オフガスは燃料電池２での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。そこで、加湿器１７により、低湿潤状態にある供給前の酸化ガスと、カソードオフガス流路１６を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。

燃料電池２への水素ガス供給系は、燃料としての水素を燃料電池２へと供給するためのシステムとして構成されている。特に図示していないが、例えば本実施形態の場合には複数の高圧水素タンクを水素貯蔵源として並列に配置し、水素ガス供給路２３によって燃料電池２のアノード（燃料極）へと導くようにしている（図１参照）。

また、燃料電池２の冷却水（ＬＬＣ）の出入口には、当該冷却水を循環させるための冷却水配管１１が設けられている。この冷却水配管１１には、冷却水を送り出すウォータポンプ１０と、冷却水供給量を調節するための流路切替弁１２とが設けられている。

燃料電池２で発電された直流電力の一部は高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４によって降圧され、高圧蓄電装置として機能する高圧バッテリ（二次電池）１５に充電される。モータインバータ（トラクションインバータ）７は、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ８に交流電力を供給する。このトラクションモータ８は、回生電力を供給可能な電力供給源（モータジェネレータ）としても機能しうる。また、ウォータポンプインバータ９は、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してウォータポンプ１０に交流電力を供給する。さらに、エアコンプレッサ駆動用インバータ６は、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してエアコンプレッサ５に交流電力を供給する。

制御装置１３は、例えば燃料電池自動車に搭載されている場合であればアクセル開度や車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池２が目標電力に一致するようにシステムを制御する装置である。具体的に説明すると、この制御装置１３は、エアコンプレッサ駆動用インバータ６を制御することによって当該エアコンプレッサ５を駆動するモータ（図示省略）の回転数および酸化ガス供給量を調整する。また、インタークーラ冷却用ウォータポンプ４を制御することによって圧縮エアの温度を調整する。さらに、モータインバータ７を制御してトラクションモータ８の回転数を調整し、ウォータポンプインバータ９を制御してウォータポンプ１０を調整する。さらには、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を制御して燃料電池２の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池２の出力電力が目標電力に一致するように調整する。

低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、高圧回路側の直流電力の一部を降圧して低圧回路側へと供給する。降圧された直流電力は、一部が低圧蓄電装置として機能する低圧バッテリ（二次電池）１９に充電され、一部は低圧補機２０を駆動するための電力として用いられる（図１参照）。低圧補機２０は低圧（例えば１２Ｖ）で駆動する各種機器のことであり、例えば高圧水素タンクバルブ、また、例えば燃料電池自動車であればエアコン（エアコンディショナ）、ナビゲーションシステム、ライト類、さらにはポンプ装置、インジェクタ装置、ウィンカ（ターンシグナルランプ）等、種々の電気機器が該当する。これら低圧補機２０は、低圧バッテリ１９から電力供給されることによっても駆動可能される。なお、このように高圧回路と低圧回路との間に介在する低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、例えばシステムの起動時においては高圧側から低圧側へと電力を供給することによって低圧側の電圧が低下するのを回避するといういわばアシストの役割も有している。つまり、低圧バッテリ１９のみで低圧補機２０を起動させた場合、消費電力が大きいと電圧低下を招くおそれがあるため、低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を起動しておき、高圧側のバッテリから低圧側へと電力供給することによって低圧側の電力あるいは電圧を補助（アシスト）することが可能である。なお、本実施形態では単一とした低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を例示しているが（図１、図２参照）、これは一例に過ぎず、場合によっては複数（例えば２つ）の低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を並列に配置することとしてもよい。

ここで、本実施形態においては、上述した低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８のみならず、さらに別個のＤＣ／ＤＣコンバータ２１を高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４と電力供給源（例えば燃料電池２、あるいは図２中においてＭＧと表記しているモータジェネレータ）との間に配置し、当該ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を介して低圧補機２０および低圧バッテリ１９を接続することとしている（図１参照）。別の表現をすれば、本実施形態においては、電力供給源側にもＤＣ／ＤＣコンバータ２をぶら下げたような構成とし、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の両サイドに別々のＤＣ／ＤＣコンバータ（１８，２１）が並ぶようにしている（図２参照）。このように接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を介することなく高圧回路側の直流電力の一部を降圧し、低圧回路側の低圧補機２０や低圧バッテリ１９へと電力供給することが可能である。したがって、このような回路構成とした本実施形態の燃料電池システム１によれば、低圧回路側に対して２系統、つまり、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を経由する経路と、このＤＣ／ＤＣコンバータ２１を経由する経路との２通りの供給経路によって電力供給を行うことが可能となっている。

以上のような本実施形態の燃料電池システム１によれば、例えば高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に異常が生じたような場合であっても対処が可能だという利点がある。すなわち、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が異常により停止した場合、当該高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４を経由しての電力供給が行われない状態となるが、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を経由するもう一方の系統を利用しての電力供給が可能である。このように、いわば予備的な供給系統を構成することとした燃料電池システム１においては、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の異常に起因するバッテリあがり、つまりは低圧バッテリ１９の蓄電量低下を回避することが可能となる。これによれば、従前よりも更にフェールセーフなシステムを構築することが可能となり、システムにおけるいわゆるフォールトトレランス（障害許容力）を向上させることにつながる。加えて、別個のＤＣ／ＤＣコンバータ２１を用いることとした本実施形態の燃料電池システム１によれば、低圧回路側の低圧補機２０や低圧バッテリ１９の電圧と、電力供給源（燃料電池２あるいはモータジェネレータ）側の電圧とが等しくないとしても電圧制御を行って電力供給することができるという利点もある。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した実施形態では、低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８とは別個のＤＣ／ＤＣコンバータ２１を介して高圧回路側と低圧回路側とを接続することにより電力供給経路を２系統とした場合を例に説明したが、これは一例に過ぎず、これよりも多い電力供給経路（少なくとも３つ以上の系統）とすることももちろん可能である。

また、本実施形態のようにＤＣ／ＤＣコンバータを複数備えた燃料電池システム１においては、これらＤＣ／ＤＣコンバータを負荷に応じて必要なだけ作動させることとしてもよい。例えば図２に示しているように２つのＤＣ／ＤＣコンバータ１８，２１が並列に配置されている回路であれば、低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の作動量が増えた場合（低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８における電流が増えた場合）にはその分だけ高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の作動量（高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４における電流）が増えることになるし、逆に、もう一方のＤＣ／ＤＣコンバータ２１の作動量が増えた場合（ＤＣ／ＤＣコンバータ２１における電流が増えた場合）には高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の作動量（高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４における電流）が減ることが一般的である。つまりは、制御装置１３によりこれらＤＣ／ＤＣコンバータ１８，２１の作動量を適宜変えることとすればシステム中における負荷の態様やバランスに対応して安定した運転を行うことが可能となる点で好ましい。例えば、電力供給源から供給される電力を、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４および低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を経由して低圧回路側に供給するとすれば特に高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４における電力損失が比較的大きいのに対し、供給系統を切り換え、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１のみを経由して低圧回路側に供給することとすればこのような電力損失を回避しうる分だけ電力効率の向上あるいは燃費の向上を実現することが可能となる。また、上述のように電力供給系統を複数とした場合には、ある特定のコンバータを常時作動させておく必要もなくなることから不要なアイドル損失を減少させて燃費の向上を図りうるという利点もある。

本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。 電力供給経路を２系統とした本実施形態の燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、１４…高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５…高圧バッテリ、１８…低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、２１…別個のＤＣ／ＤＣコンバータ、２０…低圧補機

Claims (3)

1. 電力供給源と、電圧の異なる回路のうち高圧側の回路に接続されている高圧バッテリと、該高圧バッテリおよび前記電力供給源に接続された高圧ＤＣ／ＤＣコンバータと、該高圧ＤＣ／ＤＣコンバータと前記高圧バッテリとの間に接続されて低圧側の回路に電力供給可能な低圧ＤＣ／ＤＣコンバータと、該低圧ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続された低圧補機および低圧バッテリと、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記高圧ＤＣ／ＤＣコンバータを迂回して前記低圧補機および前記低圧バッテリの少なくとも一方に電力供給可能な別個のＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記高圧ＤＣ／ＤＣコンバータおよび燃料電池の間に接続された前記別個のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記低圧補機および前記低圧バッテリを接続したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 複数設けられた前記ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれを当該システム中の負荷に応じて作動させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
   
   

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