JP2009054316A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低効率運転時の昇温性能を高めることのできる燃料電池システムを提案する。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、蓄電装置５０と、燃料電池２０の出力電圧を昇降圧制御して蓄電装置５０に充電するＤＣ／ＤＣコンバータ６０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御するコントローラ８０とを備える。コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を通常運転時のスイッチングパターンよりもリアクトル電流が低下するスイッチングパターンで低効率運転時に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はＤＣ／ＤＣコンバータを備える燃料電池システムに関し、特に、低効率運転時におけるＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング制御に関する。

燃料電池スタックは、燃料ガス及び酸化ガスを膜−電極接合体に供給することにより電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するためのエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電源としての用途が期待されている。

この種の燃料電池は、一般に７０〜８０℃が発電に最適な温度域とされているが、寒冷地などの環境では、起動してから最適温度域に達するまでに長時間を要する場合があるので、各種の暖機システムが検討されている。例えば、特開２００６−７３５０１号公報には、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を実施することにより、濃度過電圧を増大せしめ、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち熱損失（電力損失）の割合を多くすることで、燃料電池を暖機する手法について開示されている。かかる手法によれば、燃料電池による自己暖機が可能であるため、暖機用の装置を搭載する必要がなく、利便性に優れている。
特開２００６−７３５０１号公報

ところで、燃料電池によって発電される電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池に充電される。ある種のＤＣ／ＤＣコンバータは、複数のスイッチングトランジスタとリアクトルとを備えており、スイッチングトランジスタによるスイッチング動作によって、燃料電池の出力電圧を昇降圧制御している。

従来の低効率運転では、リアクトルに電気エネルギーを蓄積するステップと、リアクトルに蓄積された電気エネルギーを放出するステップとが交互に繰り返されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータをスイッチング制御していたので、リアクトル電流は、間欠的に流れることとなる。リアクトル電流が間欠的に流れる不連続モードと、リアクトル電流が連続的に流れる連続モードとを伝送電力一定の条件下で比較すると、前者の方が後者よりもリアクトル電流の平均値が高くなる。

リアクトルの直流重畳特性（リアクトルに電流を流したときに、磁気飽和現象に起因してリアクトルが低下する特性）を考慮すると、リアクトル電流を定格電流以上に流すことはできないので、低効率運転時にＤＣ／ＤＣコンバータを不連続モードで制御すると、燃料電池から引き出すことのできる電力が制限されてしまい、低効率運転時の昇温性能を高めることができない。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、低効率運転時の昇温性能を高めることのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池が発電した少なくとも一部の電力を充電する蓄電装置と、燃料電池の出力電圧を昇降圧制御して、蓄電装置への充電を制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータによるスイッチング動作を制御する制御装置とを備える。制御装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータを通常運転時のスイッチングパターンよりもリアクトル電流が低下するスイッチングパターンで低効率運転時に制御する。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、リアクトル電流が間欠的に流れる不連続モード又はリアクトル電流が連続的に流れる連続モードのうち何れかの動作モードで動作可能である。制御装置は、通常運転時には不連続モードでＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、低効率運転時には連続モードでＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。

連続モード時のリアクトル平均電流は、不連続モード時のリアクトル平均電流より少ない。この特性は、ＤＣ／ＤＣコンバータを流れるリアクトル電流が一定である場合、連続モードにて燃料電池から蓄電装置に伝送可能な電力は、不連続モードにて伝送可能な電力を上回っていることを示している。リアクトルの直流重畳特性によって定まる定格電流を超えないようにリアクトル電流を制御しつつ、低効率運転時にＤＣ／ＤＣコンバータを連続モードでスイッチング制御することで、更に多くの電力を燃料電池から引き出すことができる。燃料電池の発電電力が増大すれば、電力損失も増大するので、低効率運転時の昇温性能を著しく向上させることができる。

本発明によれば、低効率運転時の昇温性能を高めることができる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０の主要構成を示している。燃料電池システム１０は、燃料電池車両の電力供給系に搭載される車載電源システムである。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、ＦＣ補機２１、トラクションインバータ３０、トラクションモータ４０、二次電池５０、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０、車載補機７０、コントローラ８０、及びセンサ類９０を備えている。

燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質を挟んで一対の電極（アノード極、カソード極）を配置してなる複数のセルを直列に接続してなるスタック構造を有する発電装置である。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。触媒反応によりアノード極で発生した水素イオンは、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極において酸化ガスと電気化学反応を起こして発電する。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

ＦＣ補機２１は、燃料電池スタック２０のアノード極に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系（水素貯蔵タンク、水素遮断弁、水素供給圧調整レギュレータなど）と、燃料電池２０スタックのカソード極に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系（エアコンプレッサなど）と、その他の補機類（燃料ガス及び酸化ガスを加湿するための加湿モジュール、燃料電池冷却装置など）を備える。

燃料電池２０スタックは、ＦＣ補機２１から燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けることにより、電気化学反応を利用して電気エネルギーを出力する。

トラクションモータ４０は、走行推進力を得るための電動モータであり、例えば、三相同期モータから構成されている。

トラクションインバータ３０は、例えば、６個のパワートランジスタにより構成される３相ブリッジ回路を備えており、燃料電池スタック２０又は二次電池５０から供給される直流電力をパワートランジスタのスイッチング動作によって交流電力（三相交流）に変換し、トラクションモータ４０に供給する。コントローラ８０は、トラクションインバータ３０の電力変換動作を制御する機能を有しており、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ３０に出力し、トラクションモータ４０の出力トルク及び回転数を制御する。

二次電池５０は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池５０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等が好適である。

尚、二次電池５０に替えて、キャパシタ（電気二重層コンデンサ、電解コンデンサなど）の蓄電装置をＤＣ／ＤＣコンバータ６０の１次側に接続してもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池スタック２０の出力電圧又は二次電池５０の出力電圧を昇圧降圧制御するための双方向電圧変換手段である。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、入力電圧（直流電圧）を交流電圧に変換するインバータ類似の回路と、その交流を整流して出力電圧（直流電圧）に変換する回路とが組み合わされた多相コンバータの回路構成を有している。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、１２個のＩＧＢＴ素子Ｔｒ１〜Ｔｒ１２と、１２個のダイオード素子Ｄ１〜Ｄ１２と、３個のリアクトルＬ１〜Ｌ３と、２個の平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２とから成る三相フルブリッジコンバータの回路構成を有している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが低いときには、三相運転よりも単相運転の方がスイッチング損失は少ないので、単相運転が実施される。単相運転のときには、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１，Ｔｒ１０のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ４，Ｔｒ７のペアが動作する。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の通過パワーが高いときには、単相運転よりも三相運転の方がスイッチング損失は少ないので、三相運転が実施される。三相運転のときには、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１，Ｔｒ１０のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ４，Ｔｒ７のペアと、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ２，Ｔｒ１１のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ５，Ｔｒ８のペアと、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ３，Ｔｒ１２のペア、及びＩＧＢＴ素子Ｔｒ６，Ｔｒ９のペアとがそれぞれ１２０度の位相差で動作する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の一次側には、二次電池５０が接続される一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の二次側には、燃料電池スタック２０、トラクションインバータ３０、及び車載補機７０がそれぞれ並列に接続される。

例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、二次電池５０の出力電圧を昇降圧することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池車両がトラクションモータ４０により力行走行するときには、二次電池５０の出力電圧を昇圧してトラクションインバータ３０に直流電力を供給する一方、燃料電池車両がトラクションモータ４０により回生制動するときには、回生した直流電圧を降圧して二次電池５０を充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池スタック２０の余剰発電力を蓄電するために、燃料電池スタック２０の出力電圧を降圧して二次電池５０を充電する機能も有する。

車載補機７０は、例えば、酸化ガスを加圧するためのコンプレッサモータ、加湿モジュールに純水を供給するためのポンプ駆動モータ、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却水ポンプ駆動モータ、ラジエータファンモータなどの各種補機類である。

コントローラ８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）、入出力インタフェース等を備える制御装置である。コントローラ８０は、センサ類９０から出力される各種信号等を基に、燃料電池車両を制御する。センサ類９０として、例えば、イグニッションスイッチ９１、車速センサ９２、アクセルセンサ９３などがある。

例えば、コントローラ８０は、イグニッションスイッチ９１から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ９３から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ９２から出力される車速信号などを基にシステム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ８０は、燃料電池スタック２０と二次電池５０の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するようにＦＣ補機２１を制御して、燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ８０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ３０に出力し、トラクションモータ４０の出力トルク、及び回転数を制御する。

コントローラ８０は、燃料電池システム１０を起動したときのスタック温度が所定温度（例えば０℃）未満である場合に、低効率運転を実施し、燃料電池スタック２０を暖機する。低効率運転とは、エアストイキ比を１．０付近に設定して燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を制御することにより、発電損失を高めて、低い発電効率で運転することをいう。エアストイキ比とは、酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給酸素がどれだけ余剰であるかを示す。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を実施すると、通常運転時よりも濃度過電圧が大きくなるので、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち熱損失（発電損失）が増大する。低効率運転は、例えば、低温起動時において熱損失を意図的に増大させることによって、燃料電池スタック２０を迅速に暖機するための手段として、車両走行前の起動準備段階又は車両走行しながらの暖機運転時などに実施される。

コントローラ８０は、通常運転時において、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を不連続モードでスイッチング制御する一方、低効率運転時において、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を連続モードでスイッチング制御する。
ここで、図２乃至図５を参照しながら不連続モード及び連続モードについて説明する。説明を簡略化するため、単相運転の場合について説明するが、三相運転の場合についても同様のスイッチング制御が可能である。

図２は不連続モードのスイッチングパターンを示している。同図に示すように、ある瞬間において、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ４及びＴｒ７はターンオンされ、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１及びＴｒ１０はターンオフされる。このとき、リアクトルＬ１に電気エネルギーが蓄積され、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０には、経路Ａを通じてリアクトル電流が流れる。次いで、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ４及びＴｒ７がターンオフされ、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１及びＴｒ１０がターンオンされる。このとき、リアクトルＬ１に蓄積されていた電気エネルギーが放電され、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０には、経路Ｂを通じてリアクトル電流が流れる。このように、不連続モードでは、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ４は、ターンオンとターンオフとを交互に繰り返すので、燃料電池スタック２０から二次電池５０へ流れる電流は、図３に示すように、間欠的な電流となる。ここで、Ｉ１は、不連続モード時の平均リアクトル電流を示す。

図４は連続モードのスイッチングパターンを示している。同図に示すように、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ４は、常時ターンオンし、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１０は、常時ターンオフしている。ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１及びＴｒ７がターンオンとターンオフとを交互に繰り返すことで、電流経路を切り替えている。ある瞬間において、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１は、ターンオンされ、ＴＧＢＴ素子Ｔｒ７は、ターンオフされる。このとき、リアクトルＬ１に電気エネルギーが蓄積され、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０には、経路Ｃを通じてリアクトル電流が流れる。次いで、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ１は、ターンオフされ、ＴＧＢＴ素子Ｔｒ７は、ターンオンされる。このとき、リアクトルＬ１に蓄積されていた電気エネルギーが放電され、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０には、経路Ｄを通じてリアクトル電流が流れる。このように、連続モードでは、ＩＧＢＴ素子Ｔｒ４は、ターンオンの状態を維持するので、燃料電池スタック２０から二次電池５０へ流れる電流は、図５に示すように、連続的な電流となる。ここで、Ｉ２は、連続モード時の平均リアクトル電流を示す。

ここで、注目すべき点は、不連続モード及び連続モードの何れにおいても、燃料電池スタック２０から二次電池５０に伝送される電力が一定である場合、連続モードにおける平均リアクトル電流Ｉ２は、不連続モードにおける平均リアクトル電流Ｉ１よりも少ないという点である。その理由については、図５において、ハッチングを付した箇所は、リアクトルＬ１に蓄積された電気エネルギーが放電されるときに流れる放電電流に加えて、燃料電池スタック２０からの発電電流が重畳されて、二次電池５０に供給されることを示していることから理解できる。このような特性は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０のスイッチング制御を不連続モードから連続モードに変更することにより、より少ないリアクトル電流で同じ電力を伝送できることを意味している。

この特性を別の観点から見ると、リアクトル電流が一定である場合、連続モードで伝送可能な電力は不連続モードで伝送可能な電力を上回っていることが分かる。リアクトルＬ１〜Ｌ３の直流重畳特性によって定まる定格電流を超えないようにリアクトル電流を制御しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を連続モードでスイッチング制御することで、低効率運転時に更に多くの電力を燃料電池スタック２０から引き出すことができる。燃料電池スタック２０の発電電力が増大すれば、電力損失も増大するので、低効率運転時の昇温性能を著しく向上させることができる。

尚、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を二次電池５０側に接続する回路構成を例示したが、ＤＣ／ＤＣコンバータを二次電池側と燃料電池スタック側の両方に接続する回路構成を採用してもよい。このような回路構成では、燃料電池スタック側に接続するＤＣ／ＤＣコンバータを上述のようにスイッチング制御すればよい。

本実施形態に係わる燃料電池システムの構成図である。 不連続モード時のスイッチングパターンを示す説明図である。 不連続モード時のリアクトル電流を示す説明図である。 連続モード時のスイッチングパターンを示す説明図である。 連続モード時のリアクトル電流を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ２１…ＦＣ補機 ３０…トラクションインバータ ４０…トラクションモータ ５０…二次電池 ６０…ＤＣ／ＤＣコンバータ ７０…車両補機 ８０…コントローラ

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池が発電した少なくとも一部の電力を充電する蓄電装置と、
   前記燃料電池の出力電圧を昇降圧制御して、前記蓄電装置への充電を制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータによるスイッチング動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを通常運転時のスイッチングパターンよりもリアクトル電流が低下するスイッチングパターンで低効率運転時に制御する、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、リアクトル電流が間欠的に流れる不連続モード又はリアクトル電流が連続的に流れる連続モードのうち何れかの動作モードで動作可能であり、
   前記制御装置は、通常運転時には、不連続モードで前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、低効率運転時には、連続モードで前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する、燃料電池システム。

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