JP2010123505A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に意図しない余剰電力が発生することを抑制する。
【解決手段】ＦＣ用コンバータ３は、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する。Ｂａｔ用コンバータ５は、バッテリ４から入力された直流電圧を調整（昇圧）して電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力し、燃料電池２またはトラクションモータ７から入力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ４に出力する。制御部８は、トラクションインバータ６から供給されるトラクションモータ７への出力電圧が、燃料電池２の出力電圧以上かつバッテリ４の出力電圧以上となるように、トラクションインバータ６の入力側の電圧を制御する負荷電圧制御処理を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

動力源として燃料電池とバッテリを搭載する燃料電池システムでは、運転状態に応じて燃料電池とバッテリからの出力を制御することで運転効率の向上を図っている。下記特許文献１には、燃料電池用のコンバータとバッテリ用のコンバータとを備えたものが開示されている。この燃料電池システムでは、モータに安定して電力を供給するために、二つのコンバータを協調して動作させている。
特開２００７−２０９１６１号公報

ところで、燃料電池システムに設けられるバッテリ用のコンバータには、モータへの目標出力電圧とバッテリの出力電圧との差が所定の電圧差未満になると、バッテリの出力電圧をモータへの目標出力電圧にまで昇圧することができないという特性を有するものがある。このようなバッテリ用のコンバータを有する燃料電池システムにおいて上述したようにバッテリの出力電圧を昇圧できない状態に移行した場合には、燃料電池用のコンバータにおける昇圧を停止させるとともに、モータへの出力電圧をバッテリの出力電圧に低下させる制御が行われる。ところが、このような制御を行うと、本来はモータへの出力電圧よりも小さいはずの燃料電池の出力電圧が、モータへの出力電圧よりも大きくなることが起こり得る。このような場合には、意図しない余剰の電力が燃料電池に発生してしまい、この余剰電力がバッテリに充電され、バッテリが過充電により破綻してしまうことも考えられる。

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、意図しない余剰電力が燃料電池に発生することを抑制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。

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、前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、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、前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される第一の電圧変換部と、前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置される第二の電圧変換部と、前記電力消費装置への出力電圧を、前記燃料電池の出力電圧以上かつ前記畜電部の出力電圧以上に制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、電力消費装置への出力電圧は、燃料電池の出力電圧以上であって、かつ畜電部の出力電圧以上に制御されるため、燃料電池の出力電圧を電力消費装置への出力電圧以下に維持することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記電力消費装置からの要求発電量と、前記畜電部の出力電圧とを用いて、前記畜電部から前記電力消費装置への可能出力電圧を算出し、当該可能出力電圧が前記燃料電池の出力電圧以下である場合には、前記電力消費装置への出力電圧として前記燃料電池の出力電圧を設定し、前記可能出力電圧が前記燃料電池の出力電圧よりも大きい場合には、前記電力消費装置への出力電圧として前記可能出力電圧を設定することとしてもよい。

このようにすることで、畜電部から電力消費装置側に出力可能な可能出力電圧が、燃料電池の出力電圧以下である場合には、電力消費装置への出力電圧として燃料電池の出力電圧が設定され、上記可能出力電圧が燃料電池の出力電圧よりも大きい場合には、電力消費装置への出力電圧として上記可能出力電圧が設定されるため、電力消費装置への出力電圧が燃料電池の出力電圧未満になることを回避することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記電力消費装置からの要求発電量と、前記畜電部の出力電圧とを用いて、前記畜電部から前記電力消費装置への可能出力電圧を算出し、当該可能出力電圧が前記燃料電池の開回路電圧以下である場合には、前記電力消費装置への出力電圧として前記燃料電池の開回路電圧を設定し、前記可能出力電圧が前記燃料電池の開回路電圧よりも大きい場合には、前記電力消費装置への出力電圧として前記可能出力電圧を設定することとしてもよい。

このようにすることで、畜電部から電力消費装置への可能出力電圧が、燃料電池の開回路電圧以下である場合には、電力消費装置への出力電圧として燃料電池の開回路電圧が設定され、上記可能出力電圧が燃料電池の開回路電圧よりも大きい場合には、電力消費装置への出力電圧として上記可能出力電圧が設定されるため、電力消費装置への出力電圧が燃料電池の開回路電圧未満になることを回避することができる。ここで、燃料電池の開回路電圧は、燃料電池の最大電圧であるため、電力消費装置への出力電圧が燃料電池の開回路電圧以上であれば、電力消費装置への出力電圧が燃料電池の出力電圧未満になることはない。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記電力消費装置からの要求発電量に対応する前記電力消費装置への出力電圧である応答出力電圧を算出し、当該応答出力電圧から前記畜電部の出力電圧を減算した減算値が所定の閾値以上である場合には、前記可能出力電圧として前記応答出力電圧を設定し、前記減算値が所定の閾値未満である場合には、前記可能出力電圧として前記畜電部の出力電圧を設定することとしてもよい。

これにより、畜電部から電力消費装置側に出力可能な可能出力電圧を、第二の電圧変換部の昇圧能力に応じて設定することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記第一の電圧変換部は、昇圧型の電圧変換器であることとしてもよい。

本発明によれば、意図しない余剰電力が燃料電池に発生することを抑制することができる。

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。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。

まず、図１を参照して、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、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ３（第一の電圧変換部、以下「ＦＣ用コンバータ」という。）、二次電池としてのバッテリ４（蓄電部）、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５（第二の電圧変換部、以下「Ｂａｔ用コンバータ」という。）、負荷としてのトラクションインバータ６およびトラクションモータ７（電力消費装置）、システム全体を統括制御する制御部８（制御手段）とを有する。燃料電池２およびＦＣ用コンバータ３の組と、バッテリ４およびＢａｔ用コンバータ５の組は、トラクションインバータ６およびトラクションモータ７に対して並列に接続されている。

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。

ＦＣ用コンバータ３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電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する機能を有する。このＦＣ用コンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。ＦＣ用コンバータ３の入力側には、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶ１が設けられ、ＦＣ用コンバータ３の出力側には、ＦＣ用コンバータ３の出力電圧を検出する電圧センサＶ２が設けられている。

バッテリ４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燃料電池２の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４とＢａｔ用コンバータ５との間には、バッテリ４の出力電圧を検出する電圧センサＶ３が設けられている。

Ｂａｔ用コンバータ５は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４から入力された直流電圧を調整（昇圧）して電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ７から入力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ４に出力する機能と、を有する。このようなＢａｔ用コンバータ５の機能により、バッテリ４の充放電が実現される。

トラクションインバータ６は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ７に供給する。トラクションモータ７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。

制御部８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７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７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、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８は、トラクションインバータ６から供給されるトラクションモータ７への出力電圧が、燃料電池２の出力電圧以上かつバッテリ４の出力電圧以上となるように、トラクションインバータ６の入力側の電圧を制御する負荷電圧制御処理を実行する。以下に、制御部８によって実行される負荷電圧制御処理の具体的な処理内容について説明する。

制御部８は、トラクションモータ７からの要求発電量と、バッテリ４の出力電圧とを用いて、バッテリ４からトラクションモータ７に出力可能な電圧である可能出力電圧を算出する。制御部８は、可能出力電圧が燃料電池２の出力電圧以下であるか否かを判定する。

制御部８は、可能出力電圧が燃料電池２の出力電圧以下である場合には、トラクションモータ７への出力電圧として燃料電池２の出力電圧を設定する。制御部８は、可能出力電圧が燃料電池２の出力電圧よりも大きい場合には、トラクションモータ７への出力電圧として可能出力電圧を設定する。

これにより、トラクションモータ７への出力電圧は、燃料電池２の出力電圧以上に維持される。また、トラクションモータ７への出力電圧は、可能出力電圧以上となり、この可能出力電圧は、バッテリ４の出力電圧以上であるため、トラクションモータ７への出力電圧は、バッテリ４の出力電圧以上に維持される。つまり、トラクションモータ７への出力電圧は、燃料電池２の出力電圧以上かつバッテリ４の出力電圧以上に維持されることになる。

上記可能出力電圧は、例えば、以下のように算出することができる。制御部８は、トラクションモータ７からの要求発電量に対する応答としてトラクションモータ７に出力される電圧である応答出力電圧を算出する。制御部８は、応答出力電圧からバッテリ４の出力電圧を減算した値である減算値が所定の閾値以上であるか否かを判定する。この所定の閾値は、Ｂａｔ用コンバータ５の特性に応じて設定される値であって、例えば、Ｂａｔ用コンバータ５で昇圧可能な入力電圧と出力電圧との差の下限値が設定される。

制御部８は、減算値が所定の閾値以上である場合には、可能出力電圧として応答出力電圧を設定する。制御部８は、減算値が所定の閾値未満である場合には、可能出力電圧としてバッテリ４の出力電圧を設定する。

ここで、制御部８は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、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７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。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、負荷電圧制御処理について説明する。この負荷電圧制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

最初に、制御部８は、トラクションモータ７からの要求発電量に対する応答としてトラクションモータ７に出力する応答出力電圧を算出する（ステップＳ１０１）。

続いて、制御部８は、電圧センサＶ３を用いてバッテリ４の出力電圧を測定する（ステップＳ１０２）。

続いて、制御部８は、上記ステップＳ１０１で算出した応答出力電圧から上記ステップＳ１０２で測定したバッテリ４の出力電圧を減算した減算値が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）に、制御部８は、バッテリ４側からの可能出力電圧として、応答出力電圧を設定する（ステップＳ１０４）。

一方、ステップＳ１０３の判定で減算値が所定の閾値未満であると判定された場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）に、制御部８は、バッテリ４側からの可能出力電圧として、バッテリ４の出力電圧を設定する（ステップＳ１０５）。

続いて、制御部８は、電圧センサＶ１を用いて燃料電池２の出力電圧を測定する（ステップＳ１０６）。

続いて、制御部８は、上記ステップＳ１０４またはＳ１０５で設定した可能出力電圧が、上記ステップＳ１０６で測定した燃料電池２の出力電圧以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０７）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０７；ＹＥＳ）に、制御部８は、トラクションモータ７への出力電圧として、燃料電池２の出力電圧を設定する（ステップＳ１０８）。

一方、ステップＳ１０７の判定で可能出力電圧が燃料電池２の出力電圧よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１０７；ＮＯ）に、制御部８は、トラクションモータ７への出力電圧として、可能出力電圧を設定する（ステップＳ１０９）。

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、バッテリ４からトラクションモータ７側に出力可能な可能出力電圧が、燃料電池２の出力電圧以下である場合には、トラクションモータ７への出力電圧として燃料電池２の出力電圧が設定され、可能出力電圧が燃料電池２の出力電圧よりも大きい場合には、トラクションモータ７への出力電圧として可能出力電圧が設定される。したがって、トラクションモータ７への出力電圧が燃料電池２の出力電圧未満になることを回避することができる。

すなわち、本実施形態における燃料電池システム１によれば、トラクションモータ７への出力電圧を、燃料電池２の出力電圧以上であって、かつバッテリ４の出力電圧以上に制御することができるため、燃料電池２の出力電圧をトラクションモータ７への出力電圧以下に維持させることができ、意図しない余剰電力が燃料電池に発生することを抑制することができる。

なお、上述した実施形態においては、トラクションモータ７への出力電圧を設定する際に、バッテリ４からトラクションモータ７側に出力可能な可能出力電圧と、燃料電池２の出力電圧とを比較しているが、可能出力電圧と比較するのは、燃料電池２の出力電圧には限定されない。例えば、可能出力電圧と、燃料電池２の開回路電圧（Open Circuit Voltage；ＯＣＶ）とを比較して、トラクションモータ７への出力電圧を設定することとしてもよい。開回路電圧は、燃料電池２に電流を流していない状態（負荷をかけていない状態）における電圧であり、燃料電池２の最大電圧となる。したがって、トラクションモータ７への出力電圧を燃料電池２の開回路電圧以上に制御することで、トラクションモータ７への出力電圧が燃料電池２の出力電圧未満になることを抑制することができる。

本変形例における制御部８は、可能出力電圧が燃料電池２の開回路電圧以下であるか否かを判定する。制御部８は、可能出力電圧が燃料電池２の開回路電圧以下である場合には、トラクションモータ７への出力電圧として燃料電池２の開回路電圧を設定する。制御部８は、可能出力電圧が燃料電池２の開回路電圧よりも大きい場合には、トラクションモータ７への出力電圧として可能出力電圧を設定する。

これにより、トラクションモータ７への出力電圧は、燃料電池２の開回路電圧以上に維持される。また、トラクションモータ７への出力電圧は、可能出力電圧以上となり、この可能出力電圧は、バッテリ４の出力電圧以上であるため、トラクションモータ７への出力電圧は、バッテリ４の出力電圧以上に維持される。つまり、トラクションモータ７への出力電圧は、燃料電池２の開回路電圧以上かつバッテリ４の出力電圧以上に維持されることになる。

また、燃料電池２の開回路電圧は固定値であるため、トラクションモータ７への出力電圧を制御するたびに、燃料電池２の出力電力を測定等する手間を省くことができるため、構成を簡素にすることができる。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、本変形例における負荷電圧制御処理について説明する。この負荷電圧制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。なお、図３に示すステップＳ２０１〜Ｓ２０５までの各処理は、上述した実施形態において説明した図２に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０５までの各処理とそれぞれ同一であるため、ここでは、図２に示す処理とは異なるステップＳ２０６以降の処理について説明することとする。

まず、ステップＳ２０４またはＳ２０５において可能出力電圧が設定された後に、制御部８は、この可能出力電圧が、燃料電池２の開回路電圧以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ２０６；ＹＥＳ）に、制御部８は、トラクションモータ７への出力電圧として、燃料電池２の開回路電圧を設定する（ステップＳ２０７）。

一方、ステップＳ２０６の判定で可能出力電圧が燃料電池２の開回路電圧よりも大きいと判定された場合（ステップＳ２０６；ＮＯ）に、制御部８は、トラクションモータ７への出力電圧として、当該可能出力電圧を設定する（ステップＳ２０８）。

このように、変形例における燃料電池システム１によれば、バッテリ４からトラクションモータ７側に出力可能な可能出力電圧が、燃料電池２の開回路電圧以下である場合には、トラクションモータ７への出力電圧として燃料電池２の開回路電圧が設定され、可能出力電圧が燃料電池２の開回路電圧よりも大きい場合には、トラクションモータ７への出力電圧として可能出力電圧が設定されるため、トラクションモータ７への出力電圧が燃料電池２の開回路電圧未満になることを回避することができる。

すなわち、本変形例における燃料電池システム１によれば、トラクションモータ７への出力電圧を、燃料電池２の最大電圧である開回路電圧以上であって、かつバッテリ４の出力電圧以上に制御することができるため、燃料電池２の出力電圧をトラクションモータ７への出力電圧以下に維持させることができ、燃料電池に意図しない余剰電力が発生することを抑制することができる。

なお、上述した実施形態においては、ＦＣ用コンバータとして、昇圧型の電圧変換器を用いているが、これに限定されず、ＦＣ用コンバータとして、昇降圧型の電圧変換器を用いることとしてもよい。この場合には、トラクションモータ７への出力電圧として、上述した可能出力電圧が常に設定されることとなる。また、可能出力電圧が燃料電池の出力電圧以下である場合には、ＦＣ用コンバータが燃料電池の出力電圧を可能出力電圧に降圧して出力することとなる。これにより、燃料電池の出力電圧がモータへの出力電圧よりも大きくなった場合には、ＦＣ用コンバータを用いて、燃料電池の出力電圧をモータへの出力電圧以下に降圧することができるため、燃料電池に意図しない余剰電力が発生した場合であっても、この余剰電力がバッテリに充電されることを防止することができる。

また、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。 実施形態における負荷電圧制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。 変形例における負荷電圧制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＦＣ用コンバータ、４…バッテリ、５…Ｂａｔ用コンバータ、６…トラクションインバータ、７…トラクションモータ、８…制御部、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…電圧センサ。

Claims (5)

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、
   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、
   前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される第一の電圧変換部と、
   前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置される第二の電圧変換部と、
   前記電力消費装置への出力電圧を、前記燃料電池の出力電圧以上かつ前記畜電部の出力電圧以上に制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記電力消費装置からの要求発電量と、前記畜電部の出力電圧とを用いて、前記畜電部から前記電力消費装置への可能出力電圧を算出し、当該可能出力電圧が前記燃料電池の出力電圧以下である場合には、前記電力消費装置への出力電圧として前記燃料電池の出力電圧を設定し、前記可能出力電圧が前記燃料電池の出力電圧よりも大きい場合には、前記電力消費装置への出力電圧として前記可能出力電圧を設定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記電力消費装置からの要求発電量と、前記畜電部の出力電圧とを用いて、前記畜電部から前記電力消費装置への可能出力電圧を算出し、当該可能出力電圧が前記燃料電池の開回路電圧以下である場合には、前記電力消費装置への出力電圧として前記燃料電池の開回路電圧を設定し、前記可能出力電圧が前記燃料電池の開回路電圧よりも大きい場合には、前記電力消費装置への出力電圧として前記可能出力電圧を設定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記電力消費装置からの要求発電量に対応する前記電力消費装置への出力電圧である応答出力電圧を算出し、当該応答出力電圧から前記畜電部の出力電圧を減算した減算値が所定の閾値以上である場合には、前記可能出力電圧として前記応答出力電圧を設定し、前記減算値が所定の閾値未満である場合には、前記可能出力電圧として前記畜電部の出力電圧を設定することを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
5. 前記第一の電圧変換部は、昇圧型の電圧変換器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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