JP2007335155A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムを小型化することができ、エネルギー効率の良い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行い、正極と負極を有する燃料電池１と、燃料電池１の正極および負極に接続されたインバータ４と、第１出力正極および第１出力負極において、インバータ４と燃料電池１の正極および負極とに接続された双方向昇降圧チョッパ２０と、双方向昇降圧チョッパ２０の第２出力正極および第２出力負極に接続されたバッテリー３と、燃料電池１とインバータ４とに接続されたダイオード１４と、双方向昇降圧チョッパ２０と燃料電池１の正極および負極に接続され、インバータ４に電力を供給する電力供給回路１９と、を備えたことを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に小型で効率の良い燃料電池システムに関する。

燃料電池は電解質膜を燃料極と酸化剤極によって挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する高分子固体電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。

燃料極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。

従来の燃料電池システムでは、例えばモータを動作させるためのインバータの電力を二次電池および燃料電池のハイブリッド電源としていた。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ（本発明の双方向昇降圧チョッパに相当）が必要となるが、ＤＣ−ＤＣコンバータに流れる電流を小さくするため、ＤＣ−ＤＣコンバータと並列に電流経路を確保するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２８０００４号公報

しかし従来の燃料電池システムでは、通常の発電時に使用するＤＣ−ＤＣコンバータを絶縁タイプにする必要があり、ＤＣ−ＤＣコンバータが非絶縁タイプに比べて大型化し、燃料電池システム自体も大型化するという問題点があった。

またＤＣ−ＤＣコンバータとして絶縁タイプのものを使用するため、燃料電池において所定値以上の電力を発電する場合に、インバータ若しくは二次電池に供給する電力がＤＣ−ＤＣコンバータを必ず通過し、非絶縁タイプのＤＣ−ＤＣコンバータと比較して効率が悪化するという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、システムを小型化することができ、効率の良い燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行い、正極と負極を有する燃料電池と、前記燃料電池の正極および負極に接続されたインバータと、第１出力正極および第１出力負極において、前記インバータと前記燃料電池の正極および負極とに接続された双方向昇降圧チョッパと、前記双方向昇降圧チョッパの第２出力正極および第２出力負極に接続されたバッテリーと、前記燃料電池と前記インバータとに接続されたダイオードと、前記双方向昇降圧チョッパと前記燃料電池の正極および負極に接続され、前記インバータに電力を供給する電力供給回路と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池とインバータとに接続されたダイオードと、双方向昇降圧チョッパと燃料電池の正極および負極に接続され、インバータに電力を供給する電力供給回路とを備えているため、絶縁タイプのＤＣ−ＤＣコンバータが必要なく、燃料電池システムを小型化することができ、エネルギー効率を向上させることが可能となる。

また、燃料電池が低電圧で駆動している場合でも電力供給回路がインバータに動作可能な電圧を供給できるため、そのようなときでも燃料電池自動車等を駆動することが可能となり、また電装品等を駆動する補機インバータを設置することができる。

（実施形態１）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態１に係る燃料電池システムについて説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。なお図１は、燃料電池１が通常の発電状態にあるときの燃料電池システムを示している。

本実施形態１に係る燃料電池システムは、主に燃料電池１、バッテリー３、インバータ４、モータ５、逆流防止ダイオード（ダイオード）１４、電力供給回路１９および双方向昇降圧チョッパ２０を備えている。燃料電池１は、例えば固体高分子からなる電解質膜（図示せず）を２枚の触媒電極層等で挟んで構成された単位セル（図示せず）を１００枚から２００枚程度積層して構成されており、水素等の燃料ガスと空気中の酸素等の酸化剤ガスを反応させて発電を行う。なお、燃料電池１の電解質膜を２枚の触媒電極層等で挟んだ部分は、一般的に膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれている。

燃料電池１の正極には逆流防止ダイオード１４のアノードが接続され、逆流防止ダイオード１４のカソードはインバータ４に接続されている。なおインバータ４は、燃料電池１の駆動用のみとしてもよいし、燃料電池１の駆動用と燃料電池１の発電用を兼ねるようにしてもよい。また、燃料電池１の負極はインバータ４に接続されている。さらにインバータ４には、モータ５が接続されている。なおモータ５は、燃料電池１の駆動用と燃料電池１の発電用を兼ねるようにしてもよい。

インバータ４には、燃料電池１と並列に双方向昇降圧チョッパ２０の第１出力１５が接続され、双方向昇降圧チョッパ２０の第２出力１６にはバッテリー３が接続されている。また電力供給回路１９の電力供給回路入力１７は燃料電池１の正極と逆流防止ダイオード１４のカソードの間および燃料電池１の負極に接続され、電力供給回路２０の電力供給回路出力１８は双方向昇降圧チョッパ２０に接続されている。

通常の発電時において燃料電池１で発電された電力は、逆流防止ダイオード１４を経由しインバータ４に供給され、また双方向昇降圧チョッパ２０を経由してバッテリー３に供給される。このとき、電力供給回路１９には電流は流れないようになっている。

図２は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムにおいて燃料電池１の電圧を低電圧に保ちつつインバータ４にはインバータ４の動作可能な電圧を供給した時における電流の流れを示した図の一例である。なおシステム構成は図１のものと同様である。燃料電池１の電圧を低電圧に保ちつつインバータ４にはインバータ４の動作可能な電圧を供給した場合、燃料電池１から発電された電力は逆流防止ダイオード１４を経由せず、電力供給回路１９と双方向昇降圧チョッパ２０を経由し、インバータ４及びバッテリー３に供給される。

図３は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの具体的な回路構成の一例を示した回路図である。

燃料電池１の正極には逆流防止ダイオード１４のアノードが接続される。逆流防止ダイオード１４のカソードはインバータ４の直流正極に接続される。燃料電池１の負極はインバータ４の直流負極に接続される。インバータ４にはモータ５が接続される。

インバータ４の直流正極には平滑コンデンサ２７とＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)２１とＩＧＢＴ２２とＩＧＢＴ２３が並列に接続される。ＩＧＢＴ２１はＩＧＢＴ２４と、ＩＧＢＴ２２はＩＧＢＴ２５と、ＩＧＢＴ２３はＩＧＢＴ２６と直列に接続される。インバータ４の直流負極には平滑コンデンサ２７とＩＧＢＴ２４とＩＧＢＴ２５とＩＧＢＴ２６が並列に接続される。

ＩＧＢＴ２１とＩＧＢＴ２４の間と、ＩＧＢＴ２２とＩＧＢＴ２５の間と、ＩＧＢＴ２３とＩＧＢＴ２６の間から三相のモータ５が接続される。また、インバータ４の直流正極には双方向昇降圧チョッパ２０の第１出力正極が接続され、インバータ４の直流負極には双方向昇降圧チョッパ２０の第１出力負極が接続される。双方向昇降圧チョッパ２０の第２出力正極はバッテリー３の正極に接続され、双方向昇降圧チョッパ２０の第２出力負極はバッテリー３の負極に接続される。

双方向昇降圧チョッパ２０の構成については、第１出力正極にコンデンサ３９が接続され、且つコンデンサ３９は第１出力負極に接続される。第１出力正極には第１降圧用ＩＧＢＴ３１が接続され、第１降圧用ＩＧＢＴ３１はリアクトル４１に接続される。第２昇圧用ダイオード３５は第１降圧用ＩＧＢＴ３１に並列に接続される。リアクトル４１は第２降圧用ＩＧＢＴ３２に接続され、第２降圧用ＩＧＢＴ３２は第２出力正極に接続される。

第１昇圧用ダイオード３６は第２降圧用ＩＧＢＴ３２に並列に接続される。第２出力正極にはコンデンサ４０が接続され、且つコンデンサ４０は第２出力負極に接続される。リアクトル４１と第１降圧用ＩＧＢＴ３１の間には第２昇圧用ＩＧＢＴ３３が接続され、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３は第１出力負極に接続される。第１降圧用ダイオード３７は第２昇圧用ＩＧＢＴ３３に並列に接続される。リアクトル４１と第２降圧用ＩＧＢＴ３２の間には第１昇圧用ＩＧＢＴ３４が接続され、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４は第２出力負極に接続される。第１降圧用ダイオード３８は第１昇圧用ＩＧＢＴ３４に並列に接続される。第１出力負極と第２出力負極は直接接続されている。これら、昇圧用ＩＧＢＴ３３、３３、降圧用ＩＧＢＴ３１、３２が、本願の昇圧用スイッチング素子、降圧用スイッチング素子に相当する。

電力供給回路５０は図１、図２に示される電力供給回路の構成例である。電力供給回路５０の入力負極と出力負極はそれぞれ、双方向昇降圧チョッパ２０の負極に接続されている。電力供給回路５０の入力正極は燃料電池１の正極と逆流防止ダイオード１４のアノードの間に接続される。出力正極は、双方向昇降圧チョッパ２０の第２出力正極に接続される。

電力供給回路５０は入力正極にコンデンサ５６が接続され、且つコンデンサ５６は入力負極に接続される。入力正極に降圧用ＩＧＢＴ５１が接続され、降圧用ＩＧＢＴ５１はリアクトル５５が接続される。リアクトル５５には昇圧用ダイオード５４が接続され、昇圧用ダイオード５４は電力供給回路電力供給スイッチ（スイッチング素子）５３が接続される。電力供給回路電力供給スイッチ５３は出力正極に接続される。降圧用ＩＧＢＴ５１とリアクトル５５間には、降圧用ダイオード５７が接続され、降圧用ダイオード５７は入力負極に接続される。昇圧用ダイオード５４とリアクトル５５間には昇圧用ＩＧＢＴ５２が接続され、且つ昇圧用ＩＧＢＴ５２は出力負極に接続される。これにより、電力供給回路５０は単方向昇降圧チョッパとしての機能を有することとなる。

図４は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。以下、図４を用いて図１から図３に示す燃料電池システムの動作について説明する。

フローがスタートすると（ステップ５００）、制御手段（図示せず）が燃料電池システムのスイッチ（ＳＷ）がＯＮであるかどうかを判断する（ステップ５０１）。ＯＮでなければ、フローを終了する（ステップ５０２）。ＯＮである場合には、燃料電池１の動作モード（通常モードか低電圧モードか）を制御手段で判断する。燃料電池１の電圧を低電圧に保ちつつ、インバータ４にインバータ４の動作可能な電圧を供給するモード（低電圧モード）であれば、制御手段が燃料電池１の電圧の大小を判断する（ステップ５０４）。ここで、燃料電池１の電圧（ＶＦｃ）がインバータ４の動作可能な下限電圧（ＶＬｏａｄ ｍｉｎ）より小さければ、電力供給回路電力供給スイッチ５３をＯＮにする（ステップ５０６）。

ステップ５０４においてＶＦｃがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さくなければ、電力供給回路電力供給スイッチ５３をＯＦＦにすると共に、電力供給回路５０の降圧用ＩＧＢＴ５１、昇圧用ＩＧＢＴ５２をＯＦＦにし（ステップ５０５）、ステップ５０１へ戻る。ステップ５０６で電力供給回路電力供給スイッチ５３をＯＮにした後に、制御手段で燃料電池１の電圧の大小を判断する（ステップ５０７）。ＶＦｃがバッテリー３の電圧（ＶＢａｔｔ）より大きければ電力供給回路５０を降圧モードで動作させる（ステップ５０９）。電力供給回路５０を降圧モードで動作させるには、昇圧用ＩＧＢＴ５２をＯＦＦにし、降圧用ＩＧＢＴ５１はＶＦｃとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＦｃとする。

ステップ５０７においてＶＦｃがＶＢａｔｔより大きくなければ、電力供給回路５０を昇圧モードで動作させる（ステップ５０８）。電力供給回路５０を昇圧モードで動作させるには、降圧用ＩＧＢＴ５１はＯＮにし、昇圧用ＩＧＢＴ５２はＶＦｃとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＦｃ/ＶＢａｔｔとする。

ステップ５０８において電力供給回路５０を昇圧モードで動作させるか、またはステップ５０９において電力供給回路５０を降圧モードで動作させた後に、制御手段はＶＢａｔｔとＶＬｏａｄが同じ値であるかどうかを判断する（ステップ５１０）。ＶＢａｔｔとＶＬｏａｄが同じであればステップ５０１へ戻り、ＶＢａｔｔとＶＬｏａｄが同じでなければ、制御手段はＶＢａｔｔとＶＬｏａｄの大小を判断する（ステップ５１１）。ＶＢａｔｔがＶＬｏａｄより大きければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第１出力側（負荷側）から第２出力側（バッテリ側）に降圧モードで電力を流し（ステップ５１２）、ステップ５０１へ戻る。第１出力側（負荷側）から第２出力側（バッテリ側）に降圧モードで電力を流すためには、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第１降圧用ＩＧＢＴ３１はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄとする。

ステップ５１１においてＶＢａｔｔがＶＬｏａｄより大きくなければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第２出力側（バッテリ側）から第１出力側（負荷側）に降圧モードで電力を流し、ステップ５０１へ戻る。第２出力側（バッテリ側）から第１出力側（負荷側）に降圧モードで電力を流すためには、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２降圧用ＩＧＢＴ３２はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＬｏａｄ/ＶＢａｔｔとする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池１とインバータ４とに接続されたダイオード１４と、双方向昇降圧チョッパ２０と燃料電池１の正極および負極に接続され、インバータ４に電力を供給する電力供給回路１９とを備えているため、絶縁タイプのＤＣ−ＤＣコンバータが必要なく、燃料電池システムを小型化することができ、エネルギー効率を向上させることが可能となる。

また、燃料電池１が低電圧で駆動している場合でも電力供給回路１９がインバータ２０に動作可能な電圧を供給できるため、そのようなときでも燃料電池自動車等を駆動することが可能となり、また電装品等を駆動する補機インバータを設置することができる。

さらに、電力供給回路５０の出力正極が、双方向昇降圧チョッパ２０の第２出力正極に接続されているため、燃料電池１の電圧を低電圧にしたときの回路動作を簡素化することができる。

（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの具体的な回路構成の一例を示した回路図である。なお、本実施形態２に係る燃料電池システムの構成は、実施形態１の図１および図２に示すものと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。また本実施形態２に係る燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載されているものとする。

図５に示すように本実施形態では、電力供給回路５０の出力正極が、双方向昇降圧チョッパ２０の第１出力正極に接続されている。

図６は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。以下、図６を用いて図５に示す燃料電池システムの動作について説明する。

フローがスタートすると（ステップ５５０）、制御手段（図示せず）が燃料電池システムのスイッチ（ＳＷ）がＯＮであるかどうかを判断する（ステップ５５１）。ＯＮでなければ、フローを終了する（ステップ５５２）。ＯＮである場合には、燃料電池１の動作モード（通常モードか低電圧モードか）を制御手段で判断する。燃料電池１の電圧を低電圧に保ちつつ、インバータ４にインバータ４の動作可能な電圧を供給するモード（低電圧モード）、例えば燃料電池１の電圧を燃料電池自動車の走行に必要な電圧よりも下げるモードであれば、制御手段が燃料電池１の電圧の大小を判断する（ステップ５５４）。ここで、燃料電池１の電圧（ＶＦｃ）がインバータ４の動作可能な下限電圧（ＶＬｏａｄ ｍｉｎ）より小さければ、電力供給回路電力供給スイッチ５３をＯＮにする（ステップ５５６）。

ステップ５５４においてＶＦｃがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さくなければ、電力供給回路電力供給スイッチ５３をＯＦＦにすると共に、電力供給回路５０の降圧用ＩＧＢＴ５１、昇圧用ＩＧＢＴ５２をＯＦＦにし（ステップ５５５）、ステップ５５１へ戻る。ステップ５５６で電力供給回路電力供給スイッチ５３をＯＮにした後に、制御手段で燃料電池１の電圧の大小を判断する（ステップ５５７）。ＶＦｃがＶＬｏａｄより大きければ電力供給回路５０を降圧モードで動作させる（ステップ５５９）。電力供給回路５０を降圧モードで動作させるには、昇圧用ＩＧＢＴ５２をＯＦＦにし、降圧用ＩＧＢＴ５１はＶＦｃとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＦｃとする。

ステップ５５７においてＶＦｃがＶＬｏａｄより大きくなければ、電力供給回路５０を昇圧モードで動作させる（ステップ５５８）。電力供給回路５０を昇圧モードで動作させるには、降圧用ＩＧＢＴ５１はＯＮにし、昇圧用ＩＧＢＴ５２はＶＦｃとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＦｃ/ＶＢａｔｔとする。

ステップ５５８において電力供給回路５０を昇圧モードで動作させるか、またはステップ５５９において電力供給回路５０を降圧モードで動作させた後に、制御手段はＶＢａｔｔとＶＬｏａｄが同じ値であるかどうかを判断する（ステップ５６０）。ＶＢａｔｔとＶＬｏａｄが同じであればステップ５５１へ戻り、ＶＢａｔｔとＶＬｏａｄが同じでなければ、制御手段はＶＢａｔｔとＶＬｏａｄの大小を判断する（ステップ５６１）。ＶＢａｔｔがＶＬｏａｄより小さければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第１出力側（負荷側）から第２出力側（バッテリ側）に降圧モードで電力を流し（ステップ５６２）、ステップ５５１へ戻る。第１出力側（負荷側）から第２出力側（バッテリ側）に降圧モードで電力を流すためには、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第１降圧用ＩＧＢＴ３１はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄとする。

ステップ５６１においてＶＢａｔｔがＶＬｏａｄより小さくなければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第２出力側（バッテリ側）から第１出力側（負荷側）に降圧モードで電力を流し、ステップ５５１へ戻る。第２出力側（バッテリ側）から第１出力側（負荷側）に降圧モードで電力を流すためには、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２降圧用ＩＧＢＴ３２はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＬｏａｄ/ＶＢａｔｔとする。

本実施形態では、電力供給回路５０の出力正極が双方向昇降圧チョッパ２０の第１出力正極に接続されているため、燃料電池１の電圧を低電圧に保っているときにインバータ４に効率よく電力を供給することができる。その他の効果については実施形態１に係る燃料電池システムと同様である。

（実施形態３）
図７は、本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの具体的な回路構成の一例を示した回路図である。なお、本実施形態３に係る燃料電池システムは、以下に示す点を除いて実施形態１に係る燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

電力供給回路６０は図１、図２に示される電力供給回路の構成例である。本実施形態３に係る燃料電池システムの電力供給回路６０は、電力供給回路電力供給スイッチ（スイッチング素子）６１とダイオード６２から構成されている。

電力供給回路６０の入力正極は、燃料電池１の正極と逆流防止ダイオード１４のアノードの間に接続されている。また電力供給回路６０の出力正極は、双方向昇降圧チョッパ２０内のリアクトル４１と第２降圧用ＩＧＢＴ３２の間に接続されている。

電力供給回路６０は、入力正極にダイオード６２のアノードが接続され、ダイオード６２のカソードは電力供給回路電力供給スイッチ６１に接続され、電力供給回路電力供給スイッチ６１は出力正極に接続されている。

図８は、本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。以下、図８を用いて図７に示す燃料電池システムの動作について説明する。

フローがスタートすると（ステップ６００）、制御手段（図示せず）が燃料電池のスイッチがＯＮであるかどうかを判断する（ステップ６０１）。ＯＮでなければ、フローを終了する（ステップ６０２）。ＯＮである場合には、燃料電池１の動作モード（通常モードか低電圧モードか）を制御手段で判断する（ステップ６０３）。低電圧モードであれば、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６０４）。低電圧モードでなければ、電力供給回路電力供給スイッチ６１をＯＦＦにし（ステップ６１９）、ステップ６０１へ戻る。

ステップ６０４においてＶＦｃがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さければ、インバータ４または燃料電池１の電力を双方向昇降圧チョッパ２０を動作させ第１出力側から第２出力側に電力を流す（ステップ６０６）。ＶＬｏａｄ＞ＶＢａｔｔであれば、双方向昇降圧チョッパ２０を降圧モードで動作させる。第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第１降圧用ＩＧＢＴ３１はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄとする。ＶＬｏａｄ＜ＶＢａｔｔであれば双方向昇降圧チョッパ２０を昇圧モードで動作させる。第１降圧用ＩＧＢＴ３１をＯＮ、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３をＯＦＦにし、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＬｏａｄ/ＶＢａｔｔとしてステップ６０１に戻る。

ステップ６０４においてＶＦｃがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さくなければ、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６０５）。ＶＦｃがＶＬｏａｄより小さければ、電力供給回路電力供給スイッチ６１をＯＮにする（ステップ６０７）。

その後、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６０８）。ＶＦｃが設定電圧より小さくなければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第１出力側に昇圧モードで動作させる（ステップ６０９）。第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３はＶＦｃとＶＬｏａｄの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＦｃ/ＶＬｏａｄとし、ステップ６１５へ進む。

ステップ６０５において、ＶＦｃがＶＬｏａｄより小さくなれば、ステップ６０６へ進む。

ステップ６０８においてＶＦｃが設定電圧より小さければ、電力供給回路電力供給スイッチ６１をＯＦＦにする（ステップ６２０）。その後、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６１０）。ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第２出力側から第１出力側に降圧モードで動作させる（ステップ６１１）。第２出力側から第１出力側に降圧モードで電力を流すためには、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第２昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２降圧用ＩＧＢＴ３２はＶＢａｔｔとＶＬｏａｄの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＬｏａｄ/ＶＢａｔｔとし、ステップ６０１へ戻る。

ステップ６０８においてＶＦｃが設定電圧より小さくなければ、ステップ６０９へ進む。

ステップ６１０において、ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さくなければ、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６１２）。ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作可能な上限電圧より大きければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第１出力側から第２出力側に降圧モードで動作させる（ステップ６１３）。第１出力側から第２出力側に降圧モードで電流を流すためには、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第１降圧用ＩＧＢＴ３１はＶＢａｔｔとＶＬｏａｄの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄとしてステップ６０１へ戻る。ステップ６１２においてＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作可能な上限電圧より大きくなければ、双方向昇降圧チョッパ２０を停止させる。ここでは、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、ステップ６０１へ戻る。

ステップ６１５では、制御手段が電圧の大小を判断する。ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作下限電圧より小さければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第１出力側へ電流を流す。電力供給回路電力供給スイッチ６１はＯＮ、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３はＶＬｏａｄとＶＦｃの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＦｃ/ＶＬｏａｄとするとともに、電力供給回路電力供給スイッチ６１はＯＦＦ、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２降圧用ＩＧＢＴ３２はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＬｏａｄ/ＶＢａｔｔに切替えて第１出力側へ電流を流し（ステップ６１６）、ステップ６０１へ戻る。

ステップ６１５においてＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作下限電圧より小さくなければ、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６１７）。ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作上限電圧より大きければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第１出力側へ電流を流した後、第２出力側へ電流を流す。電力供給回路電力供給スイッチ６１はＯＮ、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３はＶＬｏａｄとＶＦｃの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＦｃ/ＶＬｏａｄとするとともに、電力供給回路電力供給スイッチ６１はＯＦＦ、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第１降圧用ＩＧＢＴ３１はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄに切替えて第２出力側へ電流を流し、ステップ６０１へ戻る。ステップ６１７においてＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作上限電圧より大きくなければ、ステップ６０１へ戻る。

本実施形態では、燃料電池システムの電力供給回路６０が、電力供給回路電力供給スイッチ６１とダイオード６２から構成されているため、回路構成が簡易となり製造コスト等を抑えることができる。なお、その他の効果については実施形態１に係る燃料電池システムと同様である。

（実施形態４）
図９は、本発明の実施形態４に係る燃料電池システムの具体的な回路構成の一例を示した回路図である。なお、本実施形態４に係る燃料電池システムは、以下に示す点を除いて実施形態３に係る燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

電力供給回路６０の出力正極は双方向昇降圧チョッパ２０内のリアクトル４１と第１降圧用ＩＧＢＴ３１の間に接続される。

図１０は、本発明の実施形態４に係る燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。以下、図１０を用いて図９に示す燃料電池システムの動作について説明する。

フローがスタートすると（ステップ６５０）、制御手段（図示せず）が燃料電池のスイッチがＯＮであるかどうかを判断する（ステップ６５１）。ＯＮでなければ、フローを終了する（ステップ６５２）。ＯＮである場合には、燃料電池１の動作モード（通常モードか低電圧モードか）を制御手段で判断する（ステップ６５３）。低電圧モードであれば、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６５４）。低電圧モードでなければ、電力供給回路電力供給スイッチ６１をＯＦＦにし（ステップ６６９）、ステップ６５１へ戻る。

ステップ６５４においてＶＦｃがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さければ、インバータ４または燃料電池１の電力を双方向昇降圧チョッパ２０を動作させ第１出力側から第２出力側に電力を流す（ステップ６５６）。ＶＬｏａｄ＞ＶＢａｔｔであれば、双方向昇降圧チョッパ２０を降圧モードで動作させる。第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第１降圧用ＩＧＢＴ３１はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄとする。ＶＬｏａｄ＜ＶＢａｔｔであれば双方向昇降圧チョッパ２０を昇圧モードで動作させる。第１降圧用ＩＧＢＴ３１をＯＮ、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３をＯＦＦにし、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄとしてステップ６５１に戻る。

ステップ６５４においてＶＦｃがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さくなければ、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６５５）。ＶＦｃがＶＬｏａｄより小さければ、電力供給回路電力供給スイッチ６１をＯＮにする（ステップ６５７）。

その後、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６５８）。ＶＦｃが設定電圧より小さくなければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第２出力側に昇圧モードで動作させる（ステップ６５９）。第１降圧用ＩＧＢＴ３１をＯＮ、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３をＯＦＦにし、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４はＶＦｃとＶＬｏａｄの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄとし、ステップ６６５へ進む。

ステップ６５５において、ＶＦｃがＶＬｏａｄより小さくなれば、ステップ６０６へ進む。

ステップ６５８においてＶＦｃが設定電圧より小さければ、電力供給回路電力供給スイッチ６１をＯＦＦにする（ステップ６７０）。その後、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６６０）。ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第２出力側から第１出力側に降圧モードで動作させる（ステップ６６１）。第２出力側から第１出力側に降圧モードで電力を流すためには、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第２昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２降圧用ＩＧＢＴ３２はＶＢａｔｔとＶＬｏａｄの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＬｏａｄ/ＶＢａｔｔとし、ステップ６５１へ戻る。

ステップ６５８においてＶＦｃが設定電圧より小さくなければ、ステップ６０９へ進む。

ステップ６６０において、ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作可能な下限電圧より小さくなければ、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６６２）。ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作可能な上限電圧より大きければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第１出力側から第２出力側に降圧モードで動作させる（ステップ６６３）。第１出力側から第２出力側に降圧モードで電流を流すためには、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第１降圧用ＩＧＢＴ３１はＶＢａｔｔとＶＬｏａｄの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄとしてステップ６５１へ戻る。ステップ６６２においてＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作可能な上限電圧より大きくなければ、双方向昇降圧チョッパ２０を停止させる。ここでは第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、ステップ６５１へ戻る。

ステップ６６５では、制御手段が電圧の大小を判断する。ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作下限電圧より小さければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第１出力側へ電流を流す。電力供給回路電力供給スイッチ６１はＯＮ、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３はＶＬｏａｄとＶＦｃの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＦｃ/ＶＬｏａｄとするとともに、電力供給回路電力供給スイッチ６１はＯＦＦ、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第２降圧用ＩＧＢＴ３２はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＬｏａｄ/ＶＢａｔｔに切替えて第１出力側へ電流を流し（ステップ６６６）、ステップ６５１へ戻る。

ステップ６６５においてＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作下限電圧より小さくなければ、制御手段が電圧の大小を判断する（ステップ６６７）。ＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作上限電圧より大きければ、双方向昇降圧チョッパ２０を第２出力側へ電流を流した後、第１出力側へ電流を流す。電力供給回路電力供給スイッチ６１はＯＮ、第１降圧用ＩＧＢＴ３１、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３をＯＦＦにし、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４はＶＬｏａｄとＶＦｃの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝１−ＶＦｃ/ＶＬｏａｄとするとともに、電力供給回路電力供給スイッチ６１はＯＦＦ、第２降圧用ＩＧＢＴ３２、第２昇圧用ＩＧＢＴ３３、第１昇圧用ＩＧＢＴ３４をＯＦＦにし、第１降圧用ＩＧＢＴ３１はＶＬｏａｄとＶＢａｔｔの電圧に応じデューティー比ＤＵＴＹを例えばＤＵＴＹ＝ＶＢａｔｔ/ＶＬｏａｄに切替えて第２出力側へ電流を流し、ステップ６５１へ戻る。ステップ６６７においてＶＬｏａｄがＶＬｏａｄの動作上限電圧より大きくなければ、ステップ６５１へ戻る。

本実施形態では、燃料電池システムの電力供給回路６０が、電力供給回路電力供給スイッチ６１とダイオード６２から構成されているため、回路構成が簡易となり製造コスト等を抑えることができる。なお、その他の効果については実施形態３に係る燃料電池システムと同様である。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。例えば、実施形態１から実施形態４において燃料電池システムの具体的な回路構成を示したが、同様の機能を有するものであれば異なる回路構成を採用することもできる。また、実施形態１から４では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いているが、これに限らず、ＦＥＴ（電解効果型トランジスタ）等を用いることも可能である。

本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。 図１の燃料電池システムにおいて燃料電池の電圧を低電圧に保ちつつインバータの動作可能な電圧を供給した時における電流の流れを示した図の一例である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの具体的な回路構成の一例を示した回路図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの具体的な回路構成の一例を示した回路図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの具体的な回路構成の一例を示した回路図である。 本発明の実施形態３に係る燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態４に係る燃料電池システムの具体的な回路構成の一例を示した回路図である。 本発明の実施形態４に係る燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
３ バッテリー
５ モータ
１４ 逆流防止ダイオード
１５ 第１出力
１６ 第２出力
１７ 電力供給回路入力
１８ 電力供給回路出力
１９ 電力供給回路
２０ 双方向昇降圧チョッパ
２１、２２、２３、２４、２５、２６ ＩＧＢＴ
２７ 平滑コンデンサ
３１、３２、３３、３４ ＩＧＢＴ
３５、３６ ダイオード
４０ コンデンサ
４１ リアクトル
５０、６０ 電力供給回路
５１、５２ ＩＧＢＴ
５３ 電力供給回路電力供給スイッチ
５４、５７ ダイオード
５５ リアクトル
６１ 電力供給回路電力供給スイッチ
６２ ダイオード

Claims (10)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行い、正極と負極を有する燃料電池と、
   前記燃料電池の正極および負極に接続されたインバータと、
   第１出力正極および第１出力負極において、前記インバータと前記燃料電池の正極および負極とに接続された双方向昇降圧チョッパと、
   前記双方向昇降圧チョッパの第２出力正極および第２出力負極に接続されたバッテリーと、
   前記燃料電池と前記インバータとに接続されたダイオードと、
   前記双方向昇降圧チョッパと前記燃料電池の正極および負極に接続され、前記インバータに電力を供給する電力供給回路と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池自動車に走行駆動源として搭載され、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行い、正極と負極を有する燃料電池と、
   前記燃料電池の正極および負極に接続されたインバータと、
   第１出力正極および第１出力負極において、前記インバータと前記燃料電池の正極および負極とに接続された双方向昇降圧チョッパと、
   前記双方向昇降圧チョッパの第２出力正極および第２出力負極に接続されたバッテリーと、
   前記燃料電池と前記インバータとに接続されたダイオードと、
   前記双方向昇降圧チョッパと前記燃料電池の正極および負極に接続され、前記燃料電池の電圧を前記燃料電池自動車の走行に必要な電圧よりも下げるときに前記インバータに電力を供給する電力供給回路と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記電力供給回路は、少なくとも前記双方向昇降圧チョッパの第２出力正極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記電力供給回路は、少なくとも前記双方向昇降圧チョッパの第１出力正極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記双方向昇降圧チョッパは、昇圧用スイッチング素子と降圧用スイッチング素子とを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記電力供給回路は、ダイオードとスイッチング素子を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 前記電力供給回路は、昇圧用ダイオードと降圧用ダイオードとを有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記電力供給回路は、単方向昇降圧チョッパとしての機能を有することを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池システム。
9. 前記電力供給回路は、前記燃料電池の電圧が前記インバータの動作可能な下限電圧を下回ったときに前記インバータに電力を供給することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
10. 前記インバータに接続されたモータを備えたことを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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