JP2010003427A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の低電圧化を図りつつ、軽量化およびコストの低減を図る。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧して負荷５３に出力する機能と、バッテリ５２から入力された直流電圧を昇圧／降圧して負荷５３に出力し、負荷５３から入力された直流電圧を昇圧／降圧してバッテリ５２に出力する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、一のインダクタＬ１と複数のＦＥＴＦ１〜Ｆ７とを有する。制御部は、ＦＥＴＦ１，Ｆ２およびＦ３のオン／オフを制御することで、インダクタＬ１の電源側の接続先を燃料電池２またはバッテリ５２のいずれか一方に切り換える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池とバッテリで負荷を駆動させる燃料電池システムでは、燃料電池とバッテリを負荷に対して並列に接続し、バッテリと負荷の間にＤＣ／ＤＣコンバータを設けたものが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２００７−１６５１０４号公報

ところで、燃料電池の低電圧化を図ることができれば、燃料電池システムの重量やコストを軽減させることが可能となる。しかしながら、燃料電池の低電圧化を図ると、燃料電池の出力電圧が負荷の電圧よりも低くなることも考えられる。この場合には、燃料電池と負荷の間にＤＣ／ＤＣコンバータを新たに設ける必要がある。

一方、例えば、自動車等のように大きな電力を要するシステムに燃料電池を搭載する場合には、負荷の消費電力に見合った大きなインダクタを有するＤＣ／ＤＣコンバータが必要となる。このような場合に、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータに加え、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータをさらに設けることとなると、重量やコストが増大してしまうことになる。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池の低電圧化を図りつつ、軽量化およびコストの低減を図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。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、電源である燃料電池および畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、燃料電池から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置に出力し、蓄電部から入力された直流電圧を調整して電力消費装置に出力し、電力消費装置から入力された直流電圧を調整して蓄電部に出力する電圧変換部と、電圧変換部に含まれる一のインダクタの電源側の接続先を、燃料電池または蓄電部のいずれか一方に切り換える切換部と、切換部による切り換えを制御する切換制御部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の出力電圧を電圧変換部で昇圧してから電力消費装置に供給することができる。したがって、燃料電池の低電圧化を図ることができるため、燃料電池ひいては燃料電池システムの軽量化およびコストの低減を図ることができる。また、切換制御部の制御にしたがって、電圧変換部に含まれる一のインダクタの電源側に燃料電池か蓄電部のいずれか一方を接続させることができるため、燃料電池と電力消費装置との間の電圧変換および蓄電部と電力消費装置との間の電圧変換を共通する一のインダクタで行うことができる。したがって、電圧変換部を構成するインダクタを一つにすることができるため、電圧変換部ひいては燃料電池システムの軽量化およびコストの低減を図ることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記蓄電部の出力側と電力消費装置の入力側との間の接続をオン／オフさせるスイッチ部と、蓄電部の充電電圧が電力消費装置の電圧以上であって、電圧変換部から電力消費装置に出力される電力が電力消費装置からの要求電力よりも少ない場合に、スイッチ部を断続的にオンさせるスイッチ制御部と、をさらに備えることとしてもよい。

このようにすることで、電圧変換部から電力消費装置に供給される電力が不足している場合に、電力消費装置の電圧以上の電圧を出力可能な蓄電部から電力消費装置に直接電力を供給させることができる。これにより、電圧変換部が出力可能な電力よりも大きな電力を電力消費装置に供給することができ、ドライバビリティを向上させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池から入力された直流電圧を調整して蓄電部に出力する第二の電圧変換部と、燃料電池から第二の電圧変換部に出力する電力量を制御する電力制御部と、をさらに備えることとしてもよい。このようにすることで、燃料電池の電力を蓄電部に充電させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記電力制御部は、燃料電池が所定の運転状態である場合に、燃料電池から第二の電圧変換部に所定の電力を出力させることとしてもよい。このようにすることで、例えば、燃料電池の出力に余裕がある運転状態である場合に、燃料電池から所定の電力を蓄電部に充電させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記所定の運転状態は、燃料電池の出力電力が予め定められた所定の値よりも低い状態であることとしてもよい。

このようにすることで、例えば、燃料電池の出力が休止状態または低出力状態となる場合に、燃料電池から所定の電力を蓄電部に充電させることができるため、所定の電力以上の電力を燃料電池から出力させながら燃料電池を連続運転させることが可能となり、ひいては燃料電池の耐久性および効率を向上させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記所定の電力は、燃料電池の運転時における出力電力の平均値であることとしてもよい。

このようにすることで、第二の電圧変換部の許容電力を、燃料電池の運転時における出力電力の平均値に抑えることができるため、第二の電圧変換部に要する重量やコストを軽減させることができる。

本発明によれば、燃料電池の低電圧化を図りつつ、軽量化およびコストの低減を図ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システムの電力を充放電する電力系５と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス通路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、フィルタを介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３０と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３２とを有する。空気排出流路３２には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整するための背圧調整弁３３が設けられている。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。水素供給流路４１には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４３が設けられている。循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。

電力系５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１（電圧変換部）、二次電池としてのバッテリ５２（蓄電部）、負荷５３としてのトラクションインバータ５３ｉおよびトラクションモータ５３ｍ（電力消費装置）、図示しない各種の補機インバータ等を備えている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧して負荷５３に出力する機能と、バッテリ５２から入力された直流電圧を昇圧／降圧して負荷５３に出力し、負荷５３から入力された直流電圧を昇圧／降圧してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。このようなＤＣ／ＤＣコンバータ５１の機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ５２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。バッテリ５２には、バッテリ５２の残存容量を検出するための残存容量モニタ（不図示）が設けられている。トラクションインバータ５３ｉは、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ５３ｍに供給する。トラクションモータ５３ｍは、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。

図２を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の回路構成について説明する。図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、電源である燃料電池２およびバッテリ５２と、負荷５３（トラクションインバータ５３ｉおよびトラクションモータ５３ｍ）との間に設けられる。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、一のインダクタＬ１と、複数のＦＥＴＦ１〜Ｆ７とを有する。

インダクタＬ１は、燃料電池２またはバッテリ５２と負荷５３との間で入出力される直流電圧を昇圧または降圧するコイルである。

ＦＥＴＦ１，Ｆ２およびＦ３（切換部）は、インダクタＬ１の電源側の接続先を、燃料電池２またはバッテリ５２のいずれか一方に切り換えるスイッチング素子である。具体的には、ＦＥＴＦ１，Ｆ２をオンとし、ＦＥＴＦ３をオフとすることで、インダクタＬ１の接続先を燃料電池２側に切り換える。一方、ＦＥＴＦ１，Ｆ２をオフとし、ＦＥＴＦ３をオンとすることで、インダクタＬ１の接続先をバッテリ５２側に切り換える。

ＦＥＴＦ４〜Ｆ７は、入力された直流電圧の昇圧または降圧を制御するスイッチング素子である。具体的には、インダクタＬ１の電源側の接続先がバッテリ５２である場合には、一般的な双方向コンバータのスイッチング制御にしたがってＦＥＴＦ４〜Ｆ７をオン／オフさせることで直流電圧を昇圧または降圧させる。一方、インダクタＬ１の電源側の接続先が燃料電池２である場合には、ＦＥＴＦ４〜Ｆ６をオフにして、一般的な昇圧コンバータのスイッチング制御にしたがってＦＥＴＦ７をオン／オフさせることで直流電圧を昇圧させる。

なお、インダクタＬ１の電源側の接続先が燃料電池２である場合に、ＦＥＴＦ６のオン／オフ制御を以下のように行うことで、ダイオードＤ１を省略することができる。例えば、ＦＥＴＦ６のインダクタＬ１側の電圧が負荷５３側の電圧よりも高い場合にはＦＥＴＦ６をオンにし、ＦＥＴＦ６のインダクタＬ１側の電圧が負荷５３側の電圧よりも低い場合にはＦＥＴＦ６をオフにする制御を行う。

制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ５３ｍ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１）の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ５３ｍの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３０や水素ポンプ４４のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部６は、スイッチング素子であるＦＥＴＦ１〜Ｆ７のオンオフを制御する。制御部６は、ＦＥＴＦ１，Ｆ２およびＦ３を制御して、インダクタＬ１の電源側の接続先を燃料電池２またはバッテリ５２のいずれか一方に切り換えさせる切換制御部としての機能を有する。

ここで、制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、このＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサ、電流センサおよび圧力センサ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ５３ｍ、コンプレッサ３０および水素ポンプ４４等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ５１で昇圧してから負荷５３に供給することができる。これにより、燃料電池２の低電圧化を図ることができるため、燃料電池２ひいては燃料電池システム１の軽量化およびコストの低減を図ることができる。

また、制御部６の制御にしたがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のインダクタＬ１の電源側に燃料電池２かバッテリ５２のいずれか一方を接続させることができるため、燃料電池２と負荷５３との間の電圧変換、およびバッテリ５２と負荷５３との間の電圧変換を共通する一のインダクタＬ１で行うことができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を構成するインダクタＬ１を一つにすることができるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１ひいては燃料電池システム１の軽量化およびコストの低減を図ることができる。

[第１変形例]
上述した実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のインダクタＬ１を燃料電池２とバッテリ５２を切り換えながら双方で共用しているため、燃料電池２とバッテリ５２の出力電力を合算して負荷５３に供給することができない。この場合には、燃料電池２の最大出力電力とバッテリ５２の最大出力電力のうちの大きい方の電力が、燃料電池システム１としての最大出力電力となる。一方、燃料電池２とバッテリ５２のそれぞれにＤＣ／ＤＣコンバータを設けた場合には、燃料電池２の最大出力電力とバッテリ５２の最大出力電力の合算値が、燃料電池システム１としての最大出力電力となる。つまり、上記実施形態における燃料電池システム１は、ＤＣ／ＤＣコンバータを二つ設けた燃料電池システムよりも最大出力電力が低下してしまうことになる。

この問題を解決するために、例えば、図３に示すように、バッテリ５２の出力側と負荷５３の入力側とを接続し、この接続をオン／オフさせるスイッチ５５をさらに設けることとしてもよい。この場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から負荷５３に出力される電力に加え、バッテリ５２から負荷５３に対して直接電力を供給することが可能となる。

ここで、バッテリ５２から負荷５３に直接電力を供給するための条件として、バッテリ５２の充電電圧がトラクションモータ５３ｍの定格電圧以上であることが挙げられる。これは、バッテリ５２側の電圧が負荷５３側の電圧よりも高くなければバッテリ５２から負荷５３に電力を供給することができないためである。したがって、バッテリ５２の電圧は、バッテリ５２の残存容量が減少したときであってもトラクションモータ５３ｍの定格電圧以上を維持することができるような電圧に設定することが好ましい。

また、バッテリ５２から負荷５３に直接電力を供給する際には、スイッチ５５を断続的にオンさせることが好ましい。これは、スイッチ５５をオン状態のまま維持すると、負荷５３側の電圧がバッテリ５２側の電圧と同等になってしまうためである。したがって、バッテリ５２から負荷５３に直接電力を供給する際には、負荷５３側の電圧が必要以上に高くなることがないように、スイッチ５５のオン／オフを繰り返すことが好ましい。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から負荷５３に供給される電力がトラクションモータ５３ｍからの要求電力を充足している場合には、バッテリ５２から負荷５３に直接電力を供給させる必要がない。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から負荷５３に供給される電力がトラクションモータ５３ｍからの要求電力よりも少ない場合に、バッテリ５２から負荷５３に直接電力を供給させることが好ましい。

本第１変形例における制御部６（スイッチ制御部）は、バッテリ５２の充電電圧がトラクションモータ５３ｍの定格電圧以上であって、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から負荷５３に出力される電力がトラクションモータ５３ｍからの要求電力よりも少ない場合に、スイッチ５５を断続的にオンさせる。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１から負荷５３に供給される電力が不足している場合に、トラクションモータ５３ｍの定格電圧以上の電圧を出力可能なバッテリ５２から負荷５３に対して直接電力を供給させることができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１が出力可能な電力よりも大きな電力を負荷５３に供給することができ、ドライバビリティを向上させることができる。

[第２変形例]
上述した実施形態では、燃料電池２からバッテリ５２に電力を充電させる機能についてまでは特に記載していないが、例えば、図４に示すように、燃料電池２とバッテリ５２との間に充電器５６（第二の電圧変換部）をさらに設けて、燃料電池２からバッテリ５２に電力を充電させることとしてもよい。

充電器５６は、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧／降圧してバッテリ５２に出力するＤＣ／ＤＣコンバータである。

本第２変形例における制御部６（電力制御部）は、燃料電池２から充電器５６に出力する電力量を制御する。具体的には、制御部６は、燃料電池２の運転状態が燃料電池２の出力に余裕がある運転状態（例えば、運転休止状態および低出力状態）である場合に、燃料電池２から充電器５６に所定の電力を出力させる。これにより、燃料電池２の出力が運転休止状態または低出力状態となる場合に、燃料電池２から所定の電力をバッテリ５２に充電させることができるため、所定の電力以上の電力を燃料電池２から出力させながら燃料電池２を連続運転させることが可能となり、ひいては燃料電池２の耐久性および効率を向上させることが可能となる。

ここで、低出力とは、予め定められた所定の値よりも低い出力電力のことをいい、例えば、アイドリング時、低速走行時、回生制動時等の運転時における出力電力が該当する。

また、所定の電力は、燃料電池２が余裕を持って出力できる比較的小さな電力であり、例えば、燃料電池２の運転時における出力電力の平均値が該当する。これにより、充電器５６の許容電力を、燃料電池２の運転時における出力電力の平均値に抑えることができるため、充電器５６に含まれるインダクタを、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のインダクタＬ１に比べて格段に小さくすることができる。したがって、充電器５６に要する重量やコストを軽減させることができる。

所定の電力は、以下のようにしてメモリに格納することができる。例えば、メモリに運転時の出力電力を蓄積していき、その出力電力の平均値を算出して随時メモリ内の電力値を更新させることとしてもよいし、予め実験等によって求められた一般的な平均値をメモリに格納することとしてもよい。

[その他の変形例]
上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。 第１変形例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ周辺の構成を示す図である。 第２変形例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ周辺の構成を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…電力系、６…制御部、５１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５２…バッテリ、５３…負荷、５３ｉ…トラクションインバータ、５３ｍ…トラクションモータ、５５…スイッチ、５６…充電器、Ｌ１…インダクタ。

Claims (6)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、
   電源である前記燃料電池および前記畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、
   前記燃料電池から入力された直流電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力し、前記蓄電部から入力された直流電圧を調整して前記電力消費装置に出力し、前記電力消費装置から入力された直流電圧を調整して前記蓄電部に出力する電圧変換部と、
   前記電圧変換部に含まれる一のインダクタの前記電源側の接続先を、前記燃料電池または前記蓄電部のいずれか一方に切り換える切換部と、
   前記切換部による切り換えを制御する切換制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記蓄電部の出力側と前記電力消費装置の入力側との間の接続をオン／オフさせるスイッチ部と、
   前記蓄電部の充電電圧が前記電力消費装置の電圧以上であって、前記電圧変換部から前記電力消費装置に出力される電力が前記電力消費装置からの要求電力よりも少ない場合に、前記スイッチ部を断続的にオンさせるスイッチ制御部と、
   をさらに備え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。
3. 前記燃料電池から入力された直流電圧を調整して前記蓄電部に出力する第二の電圧変換部と、
   前記燃料電池から前記第二の電圧変換部に出力する電力量を制御する電力制御部と、
   をさらに備え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。
4. 前記電力制御部は、前記燃料電池が所定の運転状態である場合に、前記燃料電池から前記第二の電圧変換部に所定の電力を出力させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記所定の運転状態は、前記燃料電池の出力電力が予め定められた所定の値よりも低い状態であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記所定の電力は、前記燃料電池の運転時における出力電力の平均値であることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。

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