JP2008077920A - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of driving a load device even when the output voltage of a power source does not satisfy a required lowest input voltage value of the load device or is set at a value slightly exceeding the required lowest input voltage value of the load device. <P>SOLUTION: By supplying both the output power of a fuel cell 1 and the output power of a battery 2 to an inverter 4 for accessories by diode OR connection, power of the power source having a higher output voltage value within the two power sources (that is, the fuel cell 1 and the battery 2) is supplied to the inverter 4 for accessories. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に補機のインバータに安定した電圧値の電力を供給することができる燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system capable of supplying power having a stable voltage value to an inverter of an auxiliary machine.

従来の燃料電池システムは、バッテリ（より具体的には、いわゆる自動車用のバッテリ）と燃料電池とがコンバータを介して並列接続されており、燃料電池の出力が停止した場合でも、このバッテリからコンプレッサや冷却ポンプ等の補機に電力供給がなされるようになっている。   In a conventional fuel cell system, a battery (more specifically, a so-called automobile battery) and a fuel cell are connected in parallel via a converter, and even when the output of the fuel cell is stopped, the compressor is operated from this battery. Power is supplied to auxiliary equipment such as cooling pumps.

図４は、従来の燃料電池システムの電気系における主要な構成を示す構成図である。
図４に示す燃料電池システムでは、燃料電池１の出力とバッテリ２の出力とが、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して接続されており、これにより、電圧値の差を解消して、双方の電源出力を負荷に投入することができる。 FIG. 4 is a configuration diagram showing a main configuration of an electric system of a conventional fuel cell system.
In the fuel cell system shown in FIG. 4, the output of the fuel cell 1 and the output of the battery 2 are connected via the DC-DC converter 10, thereby eliminating the difference in voltage value and supplying both power sources. Output can be applied to the load.

燃料電池１とバッテリ２とが共に正常動作している場合は、互いの規格の直流電圧値がＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して変換されることで、燃料電池１とバッテリ２の双方から、全ての負荷への電力供給が行われる。   When both the fuel cell 1 and the battery 2 are operating normally, the direct-current voltage values of the standards are converted via the DC-DC converter 10 so that both the fuel cell 1 and the battery 2 Power is supplied to the other load.

駆動モータ用インバータ３は、ダイオードＤ０を介して燃料電池１の出力と直結されているので、バッテリ２の電力供給が途絶えても、燃料電池１が正常動作しているならば負荷の駆動モータへの電力供給は保証されている。また、この時、燃料電池１の電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０と補機用インバータ４とを介して、バッテリ２の出力電圧値で負荷の補機及びバッテリ２にも供給される。   Since the drive motor inverter 3 is directly connected to the output of the fuel cell 1 via the diode D0, even if the power supply of the battery 2 is interrupted, if the fuel cell 1 operates normally, the drive motor inverter 3 The power supply is guaranteed. At this time, the electric power of the fuel cell 1 is also supplied to the load auxiliary machine and the battery 2 at the output voltage value of the battery 2 via the DC-DC converter 10 and the auxiliary machine inverter 4.

一方、補機用インバータ４は、バッテリ２の出力と直結されているので、燃料電池１の電力供給が途絶えても、バッテリ２が正常動作しているならば負荷の補機への電力供給は保証されている。また、この時、バッテリ２の電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０と駆動モータ用インバータ３とを介して、燃料電池１の出力電圧値で負荷の駆動モータにも供給される。   On the other hand, since the auxiliary machine inverter 4 is directly connected to the output of the battery 2, even if the power supply of the fuel cell 1 is interrupted, if the battery 2 is operating normally, the power supply to the load auxiliary machine is not possible. Guaranteed. At this time, the electric power of the battery 2 is also supplied to the load drive motor at the output voltage value of the fuel cell 1 via the DC-DC converter 10 and the drive motor inverter 3.

このようなハイブリッド形電源供給に関する特許出願として、燃料電池とバッテリとをＤＣ−ＤＣコンバータを介して並列接続し、燃料電池とバッテリの最大出力比が、前者が全体出力の６５〜８０〔％〕になる範囲で設定することで、ＤＣ−ＤＣコンバータの損失を抑制する考案が開示されている（例えば、特許文献１）。   As a patent application regarding such hybrid power supply, a fuel cell and a battery are connected in parallel via a DC-DC converter, and the maximum output ratio of the fuel cell and the battery is 65 to 80% of the total output. The device which suppresses the loss of a DC-DC converter by setting in the range which becomes is disclosed (for example, patent documents 1).

また、電力損失が避けられないＤＣ−ＤＣコンバータを省略する構成とし、即ち、燃料電池から第１のインバータを介して第１のモータを駆動する第１の回路と、二次電池から第２のインバータを介して第２のモータを駆動する第２の回路とを備えて、第１と第２の回路をそれぞれ独立に制御する考案が開示されている（例えば、特許文献２）。   Further, the DC-DC converter in which power loss is unavoidable is omitted, that is, the first circuit for driving the first motor from the fuel cell via the first inverter, and the second circuit from the secondary battery. There has been disclosed a device that includes a second circuit that drives a second motor via an inverter and controls the first and second circuits independently (for example, Patent Document 2).

さらに、モータや補機が要求する電力量を積算して発電要求率を算出し、この発電要求率に対応した発電量が確保されるように燃料電池の燃料供給量を制御し、この発電要求率が燃料電池の発電効率の低い圏内に入った時は運転者や車両管理者に対して警告メッセージを発するようにした考案が開示されている（例えば、特許文献３）。
特開２００２−１１８９８１号公報（段落００３３等） 特開平８−３３１７０５号公報（段落００２６等） 特開２００６−５９７０８号公報（段落００３０等） Furthermore, the power generation request rate is calculated by integrating the amount of power required by the motor and auxiliary equipment, and the fuel supply amount of the fuel cell is controlled so that the power generation amount corresponding to this power generation request rate is secured. A device is disclosed in which a warning message is issued to a driver or a vehicle manager when the rate falls within a range where the power generation efficiency of the fuel cell is low (for example, Patent Document 3).
JP 2002-118981 A (paragraph 0033 etc.) JP-A-8-331705 (paragraph 0026, etc.) JP 2006-59708 A (paragraph 0030 and the like)

ところで、上記従来の燃料電池システムにおける補機への電力供給回路にあっては、前述のとおり、コンプレッサや冷却ポンプ等の補機に、バッテリの出力側が直結されており、このバッテリとしては端子電圧が所定電圧の鉛蓄電池が用いられているが、この電圧値は、コンプレッサや冷却ポンプ等の補機のための補機用のインバータの必要最低入力電圧値を満たすものであった。   By the way, in the power supply circuit to the auxiliary machine in the conventional fuel cell system, as described above, the output side of the battery is directly connected to the auxiliary machine such as the compressor and the cooling pump. However, a lead storage battery having a predetermined voltage is used, and this voltage value satisfies the minimum required input voltage value of an auxiliary inverter for auxiliary equipment such as a compressor and a cooling pump.

しかしながら、最近では、自動車等の移動体用のバッテリとして異なる構造の補助電池、例えばリチウム電池が用いられるようになってきている。このリチウム電池の端子電圧は従来の鉛蓄電池よりも低い出力電圧に下がる場合があるため、補機用のインバータに必要な最低入力電圧が確保できないか、若しくは補機用のインバータに必要な最低入力電圧を継続的に確保できなくなるという問題点があった。
また燃料電池側に補機を接続する構成を採用する場合にも補機用インバータの最低入力電圧を確保できない可能性があった。低温時、燃料電池を自己発熱させるために、燃料電池の出力電圧を低く維持することがあるが、この自己発熱に適する低出力電圧は補機用インバータの必要最低入力電圧以下であることが多いのである。 However, recently, an auxiliary battery having a different structure, such as a lithium battery, has been used as a battery for a moving body such as an automobile. Since the terminal voltage of this lithium battery may drop to a lower output voltage than conventional lead-acid batteries, the minimum input voltage required for the auxiliary inverter cannot be secured, or the minimum input required for the auxiliary inverter There was a problem that the voltage could not be secured continuously.
In addition, even when an auxiliary machine is connected to the fuel cell side, there is a possibility that the minimum input voltage of the auxiliary inverter cannot be secured. In order to make the fuel cell self-heat at low temperatures, the output voltage of the fuel cell may be kept low, but the low output voltage suitable for this self-heating is often lower than the necessary minimum input voltage of the auxiliary inverter. It is.

そこで本発明は、上記課題を解決するために、負荷装置の必要最低入力電圧値を満たさないか、または負荷装置の必要最低入力電圧値を僅かに上回るだけの電圧値を出力電圧値時であっても、負荷装置の駆動が可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。   Therefore, in order to solve the above-described problem, the present invention does not satisfy the required minimum input voltage value of the load device or a voltage value slightly exceeding the required minimum input voltage value of the load device at the output voltage value. However, it aims at providing the fuel cell system which can drive a load device.

本発明の他の目的は、電源の出力電圧値が低下して、負荷装置の必要最低入力電圧値を下回る状態になった時にも、負荷装置の駆動が可能な燃料電池システムを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of driving the load device even when the output voltage value of the power supply decreases and falls below a necessary minimum input voltage value of the load device. is there.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、補助電池と、前記燃料電池と前記補助電池との電圧変換を行う電圧変換装置と、電力を消費する負荷装置とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の出力電力と前記補助電池のうち、出力電圧値が高い方から出力電力を前記負荷装置に供給するように構成されている回路を備えたことを特徴とする燃料電池システムを提供するものである。   In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell, an auxiliary battery, a voltage conversion device that performs voltage conversion between the fuel cell and the auxiliary battery, and a load device that consumes power. The fuel cell system includes a circuit configured to supply output power to the load device from a higher output voltage value of the output power of the fuel cell and the auxiliary battery. A fuel cell system is provided.

このように構成したので、補助電池の出力電圧値が負荷装置の最低入力電圧値を下回るか、若しくは補助電池の出力電圧値が負荷装置の最低入力電圧値を継続的に維持できない場合においても、燃料電池の方からの電力を負荷装置に供給することができる。また、燃料電池の出力電圧値が負荷装置の最低入力電圧値を下回る場合においても、補助電池の方からの電力を負荷装置に供給することができる。
ここで「負荷装置」にげ限定はないが、例えば補機用インバータ、駆動モータ用インバータ等が対象である。 Since it is configured in this way, even when the output voltage value of the auxiliary battery is lower than the minimum input voltage value of the load device or the output voltage value of the auxiliary battery cannot continuously maintain the minimum input voltage value of the load device, Electric power from the fuel cell can be supplied to the load device. Further, even when the output voltage value of the fuel cell is lower than the minimum input voltage value of the load device, the power from the auxiliary battery can be supplied to the load device.
Here, although there is no limitation on the “load device”, for example, inverters for auxiliary machines, inverters for drive motors, and the like are targets.

ここで、前記燃料電池システムの前記回路は、前記燃料電池の出力と、前記補助電池の出力とをダイオードＯＲ接続する回路であることを特徴とする。   Here, the circuit of the fuel cell system is a circuit in which the output of the fuel cell and the output of the auxiliary battery are diode-OR connected.

このような構成により、簡単な回路構成で前記の燃料電池システムを構築することができる。   With such a configuration, the fuel cell system can be constructed with a simple circuit configuration.

また、前記燃料電池システムの前記補助電池は、出力電圧値が、前記負荷装置に必要な最低入力電圧が確保できないか、若しくは継続的に確保できないものであることを特徴とする。   Further, the auxiliary battery of the fuel cell system is characterized in that the output voltage value cannot ensure the minimum input voltage necessary for the load device or cannot continuously ensure it.

このような特徴により、補助電池としてリチウム電池を使用することができることになり、また、補助電池として鉛蓄電池が使用される場合にも、その出力電圧値の低下に対処することができることになる。一方、暖機運転のために燃料電池側の出力電圧が低く抑えられている場合でも、今度は補助電池側から電力が供給されるので、燃料電池の出力電圧値の低下にも対応可能である。   With such a feature, a lithium battery can be used as an auxiliary battery, and even when a lead storage battery is used as an auxiliary battery, a decrease in the output voltage value can be dealt with. On the other hand, even when the output voltage on the fuel cell side is kept low for warm-up operation, since power is supplied from the auxiliary battery side this time, it is possible to cope with a decrease in the output voltage value of the fuel cell. .

また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、補助電池と、前記燃料電池と前記補助電池との電圧変換を行う電圧変換装置と、電力を消費する負荷装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の出力電力と前記補助電池の出力電力とを選択的に切換え可能に構成された切換手段と、前記燃料電池の出力電力と前記補助電池のうち、出力電圧値が高い方から出力電力を前記負荷装置に供給するように前記切換手段を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする。   The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, an auxiliary battery, a voltage conversion device that performs voltage conversion between the fuel cell and the auxiliary battery, and a load device that consumes power. The switching means configured to be able to selectively switch between the output power of the fuel cell and the output power of the auxiliary battery, and the output power value of the output power of the fuel cell and the auxiliary battery from the higher one And a control device for controlling the switching means so as to supply output power to the load device.

このように構成したので、２つの電源、即ち前記燃料電池と前記補助電池のうち、出力電圧値が高い方の電源から前記負荷装置に対して電力を供給することができる。また、切換手段としてゲート制御可能な切換スイッチを使用すれば、切換スイッチ安価に入手可能であるので、コストの安い燃料電池システムを構成できる。   Since it comprised in this way, electric power can be supplied with respect to the said load apparatus from a power supply with a higher output voltage value among two power supplies, ie, the said fuel cell and the said auxiliary | assistant battery. Further, if a changeover switch capable of gate control is used as the changeover means, the changeover switch can be obtained at a low cost, so that a fuel cell system with a low cost can be configured.

本発明によれば、補助電池の出力電圧値が負荷装置の最低入力電圧値を下回るか、または補助電池の出力電圧値が負荷装置の最低入力電圧値を継続的に維持できない場合においても、燃料電池の方からの電力を負荷装置に供給することができる。   According to the present invention, even when the output voltage value of the auxiliary battery is lower than the minimum input voltage value of the load device or the output voltage value of the auxiliary battery cannot continuously maintain the minimum input voltage value of the load device, Electric power from the battery can be supplied to the load device.

また、燃料電池の出力電圧値が負荷装置の最低入力電圧値を下回る場合においても、補助電池の方からの電力を負荷装置に供給することができる。   Further, even when the output voltage value of the fuel cell is lower than the minimum input voltage value of the load device, the power from the auxiliary battery can be supplied to the load device.

また、補助電池として出力電圧値の低い電池を使用することができることになり、また、補助電池として鉛蓄電池が使用される場合にも、その出力電圧値の低下に対処することができる効果がある。   In addition, a battery having a low output voltage value can be used as the auxiliary battery, and even when a lead storage battery is used as the auxiliary battery, there is an effect that it is possible to cope with a decrease in the output voltage value. .

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、電気自動車に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。 Next, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
In the embodiment of the present invention, the present invention is applied to a hybrid fuel cell system mounted on an electric vehicle. The following embodiments are merely examples of the application form of the present invention, and do not limit the present invention.

（実施形態１）
この実施形態１は、２つの電源、即ち燃料電池と補助電源であるバッテリとの出力電圧値を比較して、出力電圧値の高い方の電源の電力を負荷装置に投入することができる回路を、ダイオードＯＲ接続で構成するものである。 (Embodiment 1)
In the first embodiment, a circuit that compares the output voltage values of two power sources, that is, a fuel cell and a battery that is an auxiliary power source, and can input the power of the power source with the higher output voltage value to the load device. The diode OR connection is used.

図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの電気系における主要な構成を示す構成図である。図１では、燃料ガス（水素）を供給する燃料ガス供給系、酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス供給系、冷却液を供給する冷却系の図示は省略してある。   FIG. 1 is a configuration diagram showing a main configuration of an electric system of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, a fuel gas supply system that supplies fuel gas (hydrogen), an oxidizing gas supply system that supplies oxidizing gas (air), and a cooling system that supplies coolant are omitted.

図１に示す燃料電池システムの電気系は、燃料電池１と、補助電源のバッテリ２と、直流電力を交流電力に変換して駆動用モータに供給する駆動モータ用インバータ３と、直流電力を交流電力に変換して補機に供給する補機用インバータ４（本発明における負荷装置）と、燃料電池１とバッテリ２との出力電圧の差を解消するＤＣ−ＤＣコンバータ１０（本発明における電圧変換装置）と、逆流防止用のダイオードＤ０と、本発明に係る電力用ダイオードＤ５（本発明における第１のダイオード）と、電力用ダイオードＤ６（本発明に係る第２のダイオード）と、から構成されている。   The electric system of the fuel cell system shown in FIG. 1 includes a fuel cell 1, an auxiliary power source battery 2, a drive motor inverter 3 that converts DC power into AC power and supplies it to the drive motor, and DC power is AC Auxiliary inverter 4 (load device in the present invention) that converts the electric power to supply to the auxiliary machine, and DC-DC converter 10 that eliminates the difference in output voltage between fuel cell 1 and battery 2 (voltage conversion in the present invention) Device), a backflow prevention diode D0, a power diode D5 according to the present invention (first diode in the present invention), and a power diode D6 (second diode according to the present invention). ing.

この他に、図示しないが、燃料電池の状態の監視や、燃料電池への燃料供給を制御するための制御部を備えることができる。   In addition, although not shown, a control unit for monitoring the state of the fuel cell and controlling the fuel supply to the fuel cell can be provided.

燃料電池１は、セル（単セル）を複数積層したスタック構造を備えている。各セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と呼ばれる発電体を、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータ一対で挟み込んだ構造をしている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード極及びカソード極の二つの電極で挟み込んだ構造をしている。アノード極は燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極は空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成される。その他、燃料電池の形態として、リン酸型、溶融炭酸塩型等を用いることが可能である。   The fuel cell 1 has a stack structure in which a plurality of cells (single cells) are stacked. Each cell has a structure in which a power generation body called MEA (Membrane Electrode Assembly) is sandwiched between a pair of separators having flow paths of hydrogen gas, air, and cooling water. The MEA has a structure in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between two electrodes, an anode electrode and a cathode electrode. The anode electrode is configured by providing a fuel electrode catalyst layer on a porous support layer, and the cathode electrode is configured by providing an air electrode catalyst layer on a porous support layer. In addition, as the form of the fuel cell, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, or the like can be used.

燃料電池１は水の電気分解の逆反応を起こすものであり、アノード（陰極）極側には燃料ガス供給系統１からアノードガスである水素ガスが供給される。カソード（陽極）極側にはカソードガス供給系統２から酸素を含んだカソードガスである空気が供給される。アノード極側では式（１）のような反応を、カソード極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。   The fuel cell 1 undergoes a reverse reaction of water electrolysis, and hydrogen gas as anode gas is supplied from the fuel gas supply system 1 to the anode (cathode) electrode side. Air, which is a cathode gas containing oxygen, is supplied from the cathode gas supply system 2 to the cathode (anode) electrode side. A reaction such as the formula (1) is caused on the anode electrode side, and a reaction such as the formula (2) is caused on the cathode electrode side to circulate electrons and to pass a current.

Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２） H 2 → 2H + + 2e − (1)
2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)

バッテリ２は、充放電可能な二次電池であり、従来の鉛蓄電池であってもよいが、本発明では、例えばリチウム電池のように、相対的に低い出力電圧となる可能性のある電池であってもよい。つまり、補機用インバータ４に必要な最低入力電圧が確保できないか、または継続的に確保できないような蓄電池であってもよい。また、バッテリ２としては、リチウム電池の他、ニッケル−水素電池、鉛蓄電池等、様々な種類の二次電池を用いることができる。二次電池の代わりに、充放電が可能な蓄電装置（例えば電力用コンデンサ）を用いることも可能である。バッテリ２は、一定電圧で発電するバッテリーユニットを複数積層し直列接続することによって高電圧を出力可能とすることができる。   The battery 2 is a chargeable / dischargeable secondary battery, which may be a conventional lead acid battery, but in the present invention, for example, a lithium battery that may have a relatively low output voltage, such as a lithium battery. There may be. In other words, the storage battery may be such that the minimum input voltage required for the auxiliary inverter 4 cannot be secured or cannot be secured continuously. In addition to the lithium battery, various types of secondary batteries such as a nickel-hydrogen battery and a lead storage battery can be used as the battery 2. Instead of the secondary battery, a chargeable / dischargeable power storage device (for example, a power capacitor) can be used. The battery 2 can output a high voltage by stacking a plurality of battery units that generate power at a constant voltage and connecting them in series.

駆動モータ用インバータ３は、駆動モータを駆動するために燃料電池１の出力側の直流電流を交流電流に変換して出力するものである。   The drive motor inverter 3 converts the direct current on the output side of the fuel cell 1 into an alternating current and outputs it in order to drive the drive motor.

補機用インバータ４は、コンプレッサや冷却ポンプ等の補機を駆動するために直流電流を交流電流に変換して出力するものである。   The auxiliary inverter 4 converts a direct current into an alternating current and outputs it to drive auxiliary equipment such as a compressor and a cooling pump.

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、互いに異なる出力電圧値を有する燃料電池１とバッテリ２との間の電力交換装置であり、スイッチング素子Ｔｒ１〜４、ダイオードＤ１〜４、及びリアクトルＬを有する。例えばスイッチング素子Ｔｒは、ＩＧＢＴ等の大電力用トランジスタである。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の二次側、すなわち燃料電池１の出力側では、スイッチング素子Ｔｒ１とダイオードＤ１の並列接続回路と、スイッチング素子Ｔｒ２とダイオードＤ２との並列接続回路とが直列接続（２段重ね）された構成となっている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の一次側、すなわちバッテリ２の出力側では、スイッチング素子Ｔｒ３とダイオードＤ３の並列接続回路と、スイッチング素子Ｔｒ４とダイオードＤ４との並列接続回路とが直列接続（２段重ね）された構成となっている。   The DC-DC converter 10 is a power exchange device between the fuel cell 1 and the battery 2 having different output voltage values, and includes switching elements Tr1 to Tr4, diodes D1 to D4, and a reactor L. For example, the switching element Tr is a high power transistor such as an IGBT. On the secondary side of the DC-DC converter 10, that is, on the output side of the fuel cell 1, a parallel connection circuit of the switching element Tr1 and the diode D1 and a parallel connection circuit of the switching element Tr2 and the diode D2 are connected in series (two-stage stacking). ). In addition, on the primary side of the DC-DC converter 10, that is, on the output side of the battery 2, a parallel connection circuit of the switching element Tr3 and the diode D3 and a parallel connection circuit of the switching element Tr4 and the diode D4 are connected in series (two-stage overlapping). ).

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ機能を有する回路部分と、得られた交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する回路部分とが組み合わされたものであり、燃料電池１の出力側では、スイッチング素子Ｔｒ１とダイオードＤ１の並列接続回路と、スイッチング素子Ｔｒ２とダイオードＤ２との並列接続回路とが直列接続（２段重ね）された構成となっている。また、バッテリ２の出力側では、スイッチング素子Ｔｒ３とダイオードＤ３の並列接続回路と、スイッチング素子Ｔｒ４とダイオードＤ４との並列接続回路とが直列接続（２段重ね）された構成となっている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０において、前記直列接続の接点は燃料電池１の出力側に１箇所、バッテリ２の出力側に１箇所存在するが、この２箇所の接点はリアクトルＬを介して電気的に接続されている。   The circuit configuration of the DC-DC converter 10 is a combination of a circuit part having an inverter function that once converts an input DC voltage into AC, and a circuit part that rectifies the obtained AC again and converts it to a different DC voltage. On the output side of the fuel cell 1, the parallel connection circuit of the switching element Tr1 and the diode D1 and the parallel connection circuit of the switching element Tr2 and the diode D2 are connected in series (two stages stacked). It has become. On the output side of the battery 2, a parallel connection circuit of the switching element Tr3 and the diode D3 and a parallel connection circuit of the switching element Tr4 and the diode D4 are connected in series (two stages stacked). In the DC-DC converter 10, the contact point of the series connection exists at one place on the output side of the fuel cell 1 and one place on the output side of the battery 2. These two contact points are electrically connected via the reactor L. Has been.

なお、このＤＣ−ＤＣコンバータ１０の内部回路構成は、単相のブリッジ回路であり、多相（三相等）化する場合には、それぞれのブリッジ回路を並列に接続して構成することになる。また、図示した回路構成は単なる例示に過ぎず、公知の回路を適用することができる。   Note that the internal circuit configuration of the DC-DC converter 10 is a single-phase bridge circuit, and in the case of polyphase (three-phase, etc.), the respective bridge circuits are connected in parallel. The illustrated circuit configuration is merely an example, and a known circuit can be applied.

特に、当該燃料電池システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の一次側出力及び二次側出力が、ダイオードＤ５及びＤ６を介して接続された引き出されたダイオードＯＲ回路を通して、補機用インバータ４に電力供給されている点に特徴がある。すなわち、ダイオードＤ５のアノードがＤＣ−ＤＣコンバータ１０の二次側の正極に、ダイオードＤ６のアノードがＤＣ−ＤＣコンバータ１０の二次側の正極に、それぞれ接続されている。そしてダイオードＤ５及びＤ６のカソードが互いに接続され、補機用インバータ４の入力電圧として接続されている。つまり、ダイオードＤ５及びＤ６は、ダイオードＯＲ接続されている。   In particular, in the fuel cell system, the primary output and the secondary output of the DC-DC converter 10 are supplied to the auxiliary inverter 4 through the extracted diode OR circuit connected through the diodes D5 and D6. It is characterized in that it is. That is, the anode of the diode D5 is connected to the positive electrode on the secondary side of the DC-DC converter 10, and the anode of the diode D6 is connected to the positive electrode on the secondary side of the DC-DC converter 10. The cathodes of the diodes D5 and D6 are connected to each other and connected as the input voltage of the auxiliary inverter 4. That is, the diodes D5 and D6 are diode-OR connected.

本実施形態では、駆動モータ用インバータ３は、燃料電池１の出力と直結されているので、バッテリ２の電力供給が途絶えるか、またはバッテリ２の出力電圧値が燃料電池１の出力電圧値を下回った場合でも、燃料電池１が正常動作しているならば燃料電池１からの負荷の駆動モータへの電力供給は保証されている。また、この時、燃料電池１の電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０と補機用インバータ４とを介して、バッテリ２の出力電圧値でバッテリ２にも供給される。   In this embodiment, since the drive motor inverter 3 is directly connected to the output of the fuel cell 1, the power supply of the battery 2 is interrupted or the output voltage value of the battery 2 is lower than the output voltage value of the fuel cell 1. Even if the fuel cell 1 is operating normally, the power supply from the fuel cell 1 to the drive motor of the load is guaranteed. At this time, the electric power of the fuel cell 1 is also supplied to the battery 2 at the output voltage value of the battery 2 via the DC-DC converter 10 and the auxiliary inverter 4.

一方、補機用インバータ４には、ダイオードＯＲ接続により、燃料電池１の出力とバッテリ２の出力とが共に供給されるので、いずれか高い出力電圧値を維持している電池からの電力供給が行われる。   On the other hand, since the auxiliary inverter 4 is supplied with both the output of the fuel cell 1 and the output of the battery 2 by the diode OR connection, the power supply from the battery maintaining the higher output voltage value can be performed. Done.

例えば、燃料電池１の電力供給が途絶えるか、または燃料電池１の出力電圧値がバッテリ２の出力電圧値を下回った場合でも、バッテリ２が正常動作しているならば、バッテリ２の電力がダイオードＤ６を介して補機用インバータ４に供給される。しかも、この時、バッテリ２の電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０と駆動モータ用インバータ３とを介して、燃料電池１の出力電圧値で負荷の駆動モータにも供給される。燃料電池１とバッテリ２の双方がともに補機用インバータ４の最低入力電圧値よりも下回ってしまうような場合はまず起こりえないため、上記回路構成によれば、補機用インバータ４への電力供給が途絶えることを防止可能である。   For example, even if the power supply of the fuel cell 1 is interrupted or the output voltage value of the fuel cell 1 is lower than the output voltage value of the battery 2, if the battery 2 is operating normally, the power of the battery 2 is a diode. It is supplied to the auxiliary machine inverter 4 through D6. In addition, at this time, the electric power of the battery 2 is also supplied to the load drive motor at the output voltage value of the fuel cell 1 via the DC-DC converter 10 and the drive motor inverter 3. Since it is unlikely that both the fuel cell 1 and the battery 2 are both lower than the minimum input voltage value of the auxiliary inverter 4, according to the circuit configuration described above, the power to the auxiliary inverter 4 can be reduced. It is possible to prevent the supply from being interrupted.

また、燃料電池１とバッテリ２とが共に正常動作している場合は、互いの電力がＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して変換されることで、燃料電池１とバッテリ２の双方から、全ての負荷への電力供給が行われる。   In addition, when both the fuel cell 1 and the battery 2 are operating normally, the mutual electric power is converted via the DC-DC converter 10, so that all the loads from both the fuel cell 1 and the battery 2 can be obtained. Is supplied with power.

以上、本実施形態１によれば、２つの電源、即ち燃料電池１とバッテリ２のうち、出力電圧値が高い方の電源から補機用インバータ４に対して電力を供給することができるので、バッテリ２の出力電圧値が補機用インバータ４の必要とする入力電圧値を下回る場合にも、正常動作している燃料電池１の方から補機用インバータ４に対して電力を供給することができる。よって、バッテリ２がリチウム電池の場合や、またはバッテリ２が鉛蓄電池であって運転途中で出力電圧値が低下する場合にも対応することができる効果がある。   As described above, according to the first embodiment, power can be supplied to the auxiliary inverter 4 from the power source having the higher output voltage value of the two power sources, that is, the fuel cell 1 and the battery 2. Even when the output voltage value of the battery 2 is lower than the input voltage value required by the auxiliary inverter 4, power can be supplied from the normally operating fuel cell 1 to the auxiliary inverter 4. it can. Therefore, it is possible to cope with the case where the battery 2 is a lithium battery, or the case where the battery 2 is a lead storage battery and the output voltage value decreases during operation.

（実施形態２）
この実施形態２は、２つの電源、即ち燃料電池と補助電源であるバッテリとの出力電圧値を比較して、出力電圧値の高い方の電源の電力を負荷に投入することができる回路を、この２つの電源の出力電圧値をそれぞれ測定する電圧計と、燃料電池とバッテリとを切り換える切換スイッチと、電圧計が示す電圧値を比較して切換スイッチを操作する制御部を使用して構成するものである。 (Embodiment 2)
In this second embodiment, a circuit that compares the output voltage values of two power sources, that is, a fuel cell and a battery that is an auxiliary power source, and can supply the power of the power source with the higher output voltage value to the load, The voltmeter for measuring the output voltage values of the two power supplies, a changeover switch for switching between the fuel cell and the battery, and a control unit for operating the changeover switch by comparing the voltage values indicated by the voltmeter. Is.

図２は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの電気系における主要な構成を示す構成図である。
図２に示す燃料電池システムの電気系は、前述の図４に示す回路に加えて、燃料電池１の出力電圧値を測定する電圧計Ｖ１と、バッテリ２の出力電圧値を測定する電圧計Ｖ２と、燃料電池１の出力とバッテリ２の出力とを切り換える切換スイッチＳＷと、補機用インバータ４に電力を供給する電源を、切換スイッチＳＷを介して燃料電池１またはバッテリ２のいずれかに切換える制御部５と、を備える。 FIG. 2 is a configuration diagram showing the main configuration of the electric system of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
The electric system of the fuel cell system shown in FIG. 2 includes a voltmeter V1 for measuring the output voltage value of the fuel cell 1 and a voltmeter V2 for measuring the output voltage value of the battery 2 in addition to the circuit shown in FIG. The switch SW for switching between the output of the fuel cell 1 and the output of the battery 2 and the power source for supplying power to the auxiliary inverter 4 are switched to either the fuel cell 1 or the battery 2 via the switch SW. And a control unit 5.

上記構成において、燃料電池１の出力電圧値は電圧計Ｖ１によって測定され、この測定結果は、信号Ｓ１として制御部５に送出される。また、バッテリ２の出力電圧値は電圧計Ｖ２によって測定され、この測定結果は、信号Ｓ２として制御部５に送出される。   In the above configuration, the output voltage value of the fuel cell 1 is measured by the voltmeter V1, and the measurement result is sent to the control unit 5 as the signal S1. The output voltage value of the battery 2 is measured by the voltmeter V2, and the measurement result is sent to the control unit 5 as a signal S2.

次に動作を説明する。
制御部５は、信号Ｓ１を電圧値に変換する（以下、この電圧値をＥ１とする）と共に、信号Ｓ２を電圧値に変換する（以下、この電圧値をＥ２とする）。 Next, the operation will be described.
The control unit 5 converts the signal S1 into a voltage value (hereinafter, this voltage value is referred to as E1), and converts the signal S2 into a voltage value (hereinafter, this voltage value is referred to as E2).

次に、制御部５は、電圧値Ｅ１と電圧値Ｅ２とを比較し、Ｅ１≧Ｅ２の場合は、指示信号Ｓ３が、切換スイッチＳＷに補機用インバータ４に燃料電池１の電力を投入させることを指示する信号となるように指示信号Ｓ３を形成して、この指示信号Ｓ３を切換スイッチＳＷに送出する。また、制御部５は、Ｅ１＜Ｅ２の場合には、指示信号Ｓ３が、切換スイッチＳＷに補機用インバータ４にバッテリ２の電力を投入させることを指示する信号となるように指示信号Ｓ３を形成して、この指示信号Ｓ３を切換スイッチＳＷに送出する。   Next, the control unit 5 compares the voltage value E1 and the voltage value E2, and if E1 ≧ E2, the instruction signal S3 causes the changeover switch SW to turn on the power of the fuel cell 1 to the auxiliary inverter 4. An instruction signal S3 is formed so as to be an instruction signal, and this instruction signal S3 is sent to the changeover switch SW. Further, when E1 <E2, the control unit 5 changes the instruction signal S3 so that the instruction signal S3 is a signal that instructs the changeover switch SW to turn on the power of the battery 2 to the auxiliary inverter 4. Then, the instruction signal S3 is sent to the changeover switch SW.

なお、制御部５は、Ｅ１≦Ｅ２の場合に、信号Ｓ３が、切換スイッチＳＷに補機用インバータ４にバッテリ２の電力を投入させることを指示する信号となるように信号Ｓ３を形成して、この信号Ｓ３を切換スイッチＳＷに送出するように構成することもできる。   The control unit 5 forms the signal S3 so that the signal S3 becomes a signal for instructing the changeover switch SW to turn on the power of the battery 2 to the auxiliary inverter 4 when E1 ≦ E2. The signal S3 may be sent to the changeover switch SW.

図３は、本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの制御部の１動作例を示すフローチャート図である。
まず、信号ＳＷ１を電圧値Ｅ１に変換する（ステップＳ１）。
次に、信号ＳＷ２を電圧値Ｅ２に変換する（ステップＳ２）。
次に、電圧値Ｅ１と電圧値Ｅ２とを比較する（ステップＳ３）。
次に、電圧値Ｅ１と電圧値Ｅ２との比較結果を検証し、Ｅ１≧Ｅ２であれば、ステップＳ５に進み、さもなくて、Ｅ１＜Ｅ２であれば、ステップＳ６に移る（ステップＳ４）。 FIG. 3 is a flowchart showing one operation example of the control unit of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
First, the signal SW1 is converted into a voltage value E1 (step S1).
Next, the signal SW2 is converted into a voltage value E2 (step S2).
Next, the voltage value E1 and the voltage value E2 are compared (step S3).
Next, the comparison result between the voltage value E1 and the voltage value E2 is verified. If E1 ≧ E2, the process proceeds to step S5. Otherwise, if E1 <E2, the process proceeds to step S6 (step S4).

ステップＳ５では、指示信号Ｓ３を、補機インバータ４への電力供給が燃料電池１側からとなるように切換スイッチＳＷに切換えさせる指示信号として形成し、ステップＳ６に進む。   In step S5, the instruction signal S3 is formed as an instruction signal for causing the changeover switch SW to switch the power supply to the auxiliary inverter 4 from the fuel cell 1 side, and the process proceeds to step S6.

ステップＳ７では、指示信号Ｓ３を、補機インバータ４への電力供給がバッテリ２側からとなるように切換スイッチＳＷに切換えさせる指示信号として形成し、ステップＳ６に進む。   In step S7, the instruction signal S3 is formed as an instruction signal for causing the changeover switch SW to switch the power supply to the auxiliary inverter 4 from the battery 2 side, and the process proceeds to step S6.

ステップＳ６では、指示信号Ｓ３を切換スイッチＳＷに送出し、その後、ステップＳ１に戻る。   In step S6, the instruction signal S3 is sent to the changeover switch SW, and then the process returns to step S1.

なお、ステップＳ１とステップＳ２とを入れ替えることが可能であり、また、ステップＳ４では、Ｅ１＞Ｅ２であれば、ステップＳ５に進み、さもなくて、Ｅ１≦Ｅ２であれば、ステップＳ６に移るように構成してもよい。   Note that step S1 and step S2 can be interchanged. In step S4, if E1> E2, the process proceeds to step S5. Otherwise, if E1 ≦ E2, the process proceeds to step S6. You may comprise.

以上、本実施形態２によれば、２つの電源、即ち燃料電池１とバッテリ２の内、出力電圧値が高い方の電源から補機用インバータ４に対して電力を供給することができる回路を、制御部５、電圧計Ｖ１，Ｖ２、切換スイッチＳＷで構成する。ここで、制御部５は、例えば移動体に搭載される燃料電池システムの場合には供給燃料の制御等の目的で既に設置されているものであり、また、電圧計Ｖ１，Ｖ２についても、インピーダンス測定等の目的で既に設置されている場合が多く、さらに、スイッチＳＷは電力用のダイオードＤ５，Ｄ６よりも安価に入手可能であるので、実施形態１よりもコストの安い燃料電池システムを構成できる効果がある。   As described above, according to the second embodiment, a circuit that can supply power to the auxiliary inverter 4 from the power source having the higher output voltage value out of the two power sources, that is, the fuel cell 1 and the battery 2. , Control unit 5, voltmeters V1 and V2, and changeover switch SW. Here, for example, in the case of a fuel cell system mounted on a moving body, the control unit 5 is already installed for the purpose of controlling the supplied fuel, and the voltmeters V1 and V2 are also impedance. In many cases, the switch SW is already installed for the purpose of measurement and the like, and the switch SW is available at a lower cost than the power diodes D5 and D6. Therefore, a fuel cell system with a lower cost than that of the first embodiment can be configured. effective.

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態１ではダイオードＯＲの出力を、実施形態２では切換スイッチＳＷの出力を、それぞれ補機用インバータ４に接続していたが、これに替えて駆動モータ用インバータ３に接続するように構成してもよい。入力される電源電圧が最低駆動電圧以下に低下してしまうことを防止できる点では、補機用インバータの場合と同じ利点があるからである。
例えば、バッテリ２として、リチウム電池、ニッケル−水素電池、鉛蓄電池、電力用コンデンサ等のうち、いずれか１つだけを使用すべきとの制限は不要であるので、これらが随時、取り替え自在であるように構成することができる。 (Other embodiments)
The present invention can be applied with various modifications other than the above embodiment.
For example, in the first embodiment, the output of the diode OR and the output of the changeover switch SW in the second embodiment are connected to the auxiliary inverter 4, respectively. Instead, the output is connected to the drive motor inverter 3. You may comprise. This is because there is the same advantage as in the case of the inverter for auxiliary machinery in that the input power supply voltage can be prevented from dropping below the minimum drive voltage.
For example, the battery 2 is not limited to use only one of a lithium battery, a nickel-hydrogen battery, a lead storage battery, a power capacitor, etc., and can be replaced at any time. It can be constituted as follows.

上記各実施形態では移動体である車両上に搭載されるハイブリッド燃料電池システムを例示したが、本発明は、自動車のみならず、他の移動体、例えば、船舶、航空機等に搭載されるものであってもよい。また、定置型のハイブリッド燃料電池システムにおいて本発明を適用しても無論よい。   In each of the above embodiments, the hybrid fuel cell system mounted on a vehicle that is a moving body has been exemplified. However, the present invention is mounted not only on an automobile but also on other moving bodies such as ships, aircrafts, and the like. There may be. Of course, the present invention may be applied to a stationary hybrid fuel cell system.

本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの電気系における主要な構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the main structures in the electric system of the fuel cell system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの電気系における主要な構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the main structures in the electric system of the fuel cell system which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムの制御部の１動作例を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows 1 operation example of the control part of the fuel cell system which concerns on Embodiment 2 of this invention. 従来の燃料電池システムの電気系における主要な構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the main structures in the electric system of the conventional fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

１…燃料電池（本体）、２…バッテリ、３…駆動モータ用インバータ、４…補機用インバータ、５…制御部、１０…ＤＣ−ＤＣコンバータ、Ｄ０〜Ｄ６…ダイオード、Ｌ…リアクタ、ＳＷ…切換スイッチ、Ｖ１，Ｖ２…電圧計、Ｔｒ１〜Ｔｒ４…スイッチング素子、Ｓ１，Ｓ２…電圧値を示す信号、Ｓ３…指示信号 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell (main body), 2 ... Battery, 3 ... Drive motor inverter, 4 ... Auxiliary machine inverter, 5 ... Control part, 10 ... DC-DC converter, D0-D6 ... Diode, L ... Reactor, SW ... Changeover switch, V1, V2 ... Voltmeter, Tr1-Tr4 ... Switching element, S1, S2 ... Signal indicating voltage value, S3 ... Instruction signal

Claims (4)

燃料電池と、補助電池と、前記燃料電池と前記補助電池との電圧変換を行う電圧変換装置と、電力を消費する負荷装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力電力と前記補助電池のうち、出力電圧値が高い方から出力電力を前記負荷装置に供給するように構成されている回路を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising a fuel cell, an auxiliary battery, a voltage converter that performs voltage conversion between the fuel cell and the auxiliary battery, and a load device that consumes power,
A fuel cell system comprising a circuit configured to supply output power to the load device from a higher output voltage value of the output power of the fuel cell and the auxiliary battery. 前記回路は、前記燃料電池の出力と、前記補助電池の出力とをダイオードＯＲ接続する回路である、請求項１記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1, wherein the circuit is a circuit in which an output of the fuel cell and an output of the auxiliary battery are diode-OR connected. 前記補助電池は、出力電圧値が、前記負荷装置に必要な最低入力電圧が確保できないかまたは継続的に確保できないものであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。   3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the auxiliary battery has an output voltage value that cannot ensure a minimum input voltage necessary for the load device or cannot continuously ensure the output voltage value. 4. 燃料電池と、補助電池と、前記燃料電池と前記補助電池との電圧変換を行う電圧変換装置と、電力を消費する負荷装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力電力と前記補助電池の出力電力とを選択的に切換え可能に構成された切換手段と、
前記燃料電池の出力電力と前記補助電池のうち、出力電圧値が高い方から出力電力を前記負荷装置に供給するように前記切換手段を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system comprising: a fuel cell; an auxiliary battery; a voltage converter that performs voltage conversion between the fuel cell and the auxiliary battery; and a load device that consumes power.
Switching means configured to be able to selectively switch between the output power of the fuel cell and the output power of the auxiliary battery;
And a control device for controlling the switching means so as to supply output power to the load device from a higher output voltage value of the output power of the fuel cell and the auxiliary battery. Battery system.
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