JP2010135258A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリの過放電を抑制する。
【解決手段】燃料電池2用のDC/DCコンバータ3と、バッテリ4用のDC/DCコンバータ5とを有する燃料電池システム1において、制御部8は、FC用コンバータ3が動作不良であると判定した場合に、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への出力電力の上限を、FC用コンバータ3の出力電力以下に制限するよう、トラクションインバータ6を制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
下記特許文献1には、燃料電池とバッテリ(蓄電部)で負荷を駆動させる燃料電池システムであって、燃料電池用とバッテリ用の二つのコンバータ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、負荷に安定して電力を供給するために、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協調して動作させている。
特開2007−318938号公報
ところで、燃料電池用のコンバータに動作不良が発生して燃料電池側からの出力が減少すると、その減少分を補うためにバッテリ側からの出力が増大することになる。しかしながら、バッテリ側からの出力が増大し、バッテリの放電量が許容量を超えてしまうと、過放電による発火やバッテリの特性劣化等を招きかねない。
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、蓄電部の過放電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、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記電力消費装置に対する出力電力を制限する制御手段と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、第一の電圧変換部が動作不良である場合に、電力消費装置に対する出力電力を制限することができるため、例えば、第二の電圧変換部からの出力電力を、畜電部が過放電に至らない範囲にまで低減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、上記制御手段は、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記電力消費装置に対する出力電力の上限を、前記第一の電圧変換部の出力電力以下に制限することとしてもよい。
このようにすることで、第一の電圧変換部が動作不良である場合に、電力消費装置に対する出力電力を、第一の電圧変換部の出力電力以下に制限することができるため、第二の電圧変換部からの出力電力を低減させることができ、畜電部の過放電を抑制することができる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記電力消費装置に対する出力電力の上限を、前記第一の電圧変換部の出力電力と、前記第二の電圧変換部において許可される所定の出力電力との合算値以下に制限することとしてもよい。
このようにすることで、第一の電圧変換部が動作不良である場合に、電力消費装置に対する出力電力を、第一の電圧変換部の出力電力と、第二の電圧変換部において許可される所定の出力電力との合算値以下に制限することができるため、第二の電圧変換部からの出力電力を、許可されている出力電力以下に低減させることができ、畜電部の過放電を抑制することができる。
また、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、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記第二の電圧変換部の出力電力を制限する制御手段と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、第一の電圧変換部が動作不良である場合に、第二の電圧変換部の出力電力を制限することができるため、例えば、畜電部が過放電に至らないように抑制することが可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記第二の電圧変換部の出力電力の上限を、前記第二の電圧変換部において許可される所定の出力電力以下に制限することとしてもよい。
このようにすることで、第一の電圧変換部が動作不良である場合に、第二の電圧変換部の出力電力を、第二の電圧変換部において許可される所定の出力電力以下に制限することができるため、畜電部の過放電を抑制することができる。
上記各燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の出力電圧を測定する第一の電圧センサと、前記第一の電圧変換部の出力電圧を測定する第二の電圧センサと、をさらに備え、前記制御手段は、前記第一の電圧変換部に含まれる昇圧用のスイッチ部を駆動させるためのデューティ比と、前記第二の電圧センサによって測定された電圧とを用いて前記燃料電池の出力電圧の推測値を算出し、当該推測値と、前記第一の電圧センサによって測定された電圧との差が予め定められた閾値以上である場合に、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定することとしてもよい。
このようにすることで、燃料電池の出力電圧の推測値と測定電圧との差が閾値以上にかけ離れている場合に、第一の電圧変換部が動作不良であると判定することができる。
上記各燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記第一の電圧変換部に含まれる昇圧用のスイッチ部が異常であることを示す信号を受信した場合に、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定することとしてもよい。
このようにすることで、第一の電圧変換部に含まれる昇圧用のスイッチ部が異常である場合に、第一の電圧変換部が動作不良であると判定することができる。
上記各燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の出力電圧を測定する第一の電圧センサをさらに備え、前記制御手段は、前記第一の電圧センサによって測定される電圧の偏差が予め定められた閾値以上である場合に、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定することとしてもよい。
このようにすることで、燃料電池の出力電圧の測定電圧の偏差が閾値以上に開いている場合に、第一の電圧変換部が動作不良であると判定することができる。
本発明によれば、バッテリの過放電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各実施形態について説明する。各実施形態では、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。
[第1実施形態]
まず、図1を参照して、第1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、第1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。
FC用コンバータ3は、例えば、燃料電池2から入力された直流電圧を平滑化するコンデンサC1と、直流電圧を昇圧するためのコイルL1およびメインスイッチS1(スイッチ部)と、共振回路を構成するコンデンサC2およびコイルL2と、共振回路をON/OFFするための共振スイッチS2と、FC用コンバータ3の出力電圧を平滑化するコンデンサC3とを含んで構成される。
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。
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、FC用コンバータ3が動作不良であるか否かを判定する。制御部8は、FC用コンバータ3が動作不良である場合に、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への出力電力(トラクションモータ7で消費可能な電力)の上限を、FC用コンバータ3の出力電力以下に制限するよう、トラクションインバータ6に指示を送出する。FC用コンバータ3が動作不良であるか否かは、例えば、以下の三つの方法により判定することができる。
第一の方法として、制御部8は、FC用コンバータ3に含まれるメインスイッチS1を駆動させるためのデューティ比と、電圧センサV2によって測定された電圧を用いて、燃料電池2の出力電圧の推測値を算出し、この推測値と、電圧センサV1によって測定された測定電圧との差が予め定められた閾値以上である場合に、FC用コンバータ3が動作不良であると判定する。上記推測値は、例えば、デューティ比と測定電圧を、以下の式1に代入して算出することができる。
デューティ比=1−(推測値/測定電圧) … 式1
上記閾値は予め実験等により求められ、例えば、推測値と実測値との差がFC用コンバータ3の性能保証範囲外に達する際の値を、上記閾値として設定することができる。
第二の方法として、制御部8は、FC用コンバータ3に含まれるメインスイッチS1が異常であることを示す信号を受信した場合に、FC用コンバータ3が動作不良であると判定する。この信号は、例えば、メインスイッチS1の動作を制御するスイッチング制御部から送信される信号であって、メインスイッチS1に異常が発生してメインスイッチS1を停止させる場合に送信される信号である。
第三の方法として、制御部8は、電圧センサV1によって測定された測定電圧の偏差を監視し、測定電圧の偏差が予め定められた閾値以上に達した場合に、FC用コンバータ3が動作不良であると判定する。この閾値は、例えば、燃料電池の運転状態に応じた出力電圧を予め実験等により求めておき、この出力電力と測定電圧との偏差が正常範囲外に達する際の値を閾値として設定することができる。
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、第1実施形態における出力電力制限処理について説明する。この出力電力制限処理は、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、FC用コンバータ3が動作不良であるか否かを判定する(ステップS101)。この判定がNOである場合(ステップS101;NO)には、出力電力制限処理を終了させる。
一方、ステップS101の判定でFC用コンバータ3が動作不良であると判定された場合(ステップS101;YES)に、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への出力電力を、FC用コンバータ3の出力電力以下に制限させる(ステップS102)。
上述してきたように、第1実施形態における燃料電池システム1によれば、FC用コンバータ3が動作不良である場合に、トラクションモータ7に対する出力電力を、FC用コンバータ3の出力電力以下に制限することができるため、Bat用コンバータ5からの出力を低減させることができ、バッテリ4の過放電を抑制することができる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態について説明する。上述した第1実施形態における燃料電池システムでは、トラクションインバータから供給されるトラクションモータへの出力電力を制限する際に、FC用コンバータの出力電力以下に制限しているが、第2実施形態における燃料電池システムでは、トラクションモータへの出力電力を制限する際に、FC用コンバータの出力電力と、Bat用コンバータにおいて許可される所定の出力電力との合算値以下に制限する点で異なる。
第2実施形態における燃料電池システムの構成の構成は、図1に示す第1実施形態における燃料電池システムの各構成と同様である。したがって、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第1実施形態との相違点について説明する。
制御部8は、FC用コンバータ3が動作不良である場合に、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への出力電力の上限を、FC用コンバータ3の出力電力と、Bat用コンバータ5において許可される所定の出力電力との合算値以下に制限するよう、トラクションインバータ6に指示を送出する。
所定の出力電力は、例えばバッテリ4の温度や残存容量等に応じてバッテリの性能が低下しない範囲で設定される。この所定の出力電力は、複数設けることとしてもよい。例えば、通常時用の出力電力と、この通常時用の出力電力よりも高い緊急時用の出力電力とを設けることとしてもよい。この場合には、例えば、FC用コンバータ3の故障が確定的で緊急停止させるとき等に、緊急時用の出力電力を選択して設定することで、バッテリ4からの出力だけでもトラビリを極力悪化させることなく運転を継続させることが可能となる。
次に、図3に示すフローチャートを用いて、第2実施形態における出力電力制限処理について説明する。この出力電力制限処理は、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、FC用コンバータ3が動作不良であるか否かを判定する(ステップS201)。この判定がNOである場合(ステップS201;NO)には、出力電力制限処理を終了させる。
一方、ステップS201の判定でFC用コンバータ3が動作不良であると判定された場合(ステップS201;YES)に、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への出力電力を、FC用コンバータ3の出力電力と、Bat用コンバータ5において許可される所定の出力電力との合算値以下に制限させる(ステップS202)。
上述してきたように、第2実施形態における燃料電池システム1によれば、FC用コンバータ3が動作不良である場合に、トラクションモータ7に対する出力電力を、FC用コンバータ3の出力電力と、Bat用コンバータ5において許可される所定の出力電力との合算値以下に制限することができるため、Bat用コンバータ5からの出力を許可されている電力以下に低減させることができ、バッテリ4の過放電を抑制することができる。
また、上述した第1実施形態における燃料電池システムでは、トラクションモータへの出力電力の最大値がFC用コンバータの出力電力となるのに対し、本第2実施形態における燃料電池システムでは、トラクションモータへの出力電力の最大値が、FC用コンバータの出力電力とBat用コンバータの出力電力との合算値となるため、トラクションモータへの許可パワーは、第1実施形態の燃料電池システムよりも第2実施形態の燃料電池システムの方が大きくなる。したがって、第2実施形態の燃料電池システムを選択することで、FC用コンバータの動作不良時における最大出力パワーを、第1実施形態の燃料電池システムよりも大きくすることができる。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態について説明する。上述した第1実施形態における燃料電池システムでは、FC用コンバータ3が動作不良である場合に、トラクションインバータから供給されるトラクションモータへの出力電力を制限しているが、第3実施形態における燃料電池システムでは、FC用コンバータ3が動作不良である場合に、Bat用コンバータの出力電力を制限する点で異なる。
第3実施形態における燃料電池システムの構成を、図4に示す。第2実施形態における燃料電池システムは、出力電力制限処理時における制御部8の制御対象がBat用コンバータ5である点で、出力電力制限処理時における制御部8の制御対象がトラクションインバータ6である第1実施形態における燃料電池システムの構成と異なるが、それ以外の構成については、第1実施形態における燃料電池システムの各構成と同様である。したがって、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第1実施形態との相違点について説明する。
制御部8は、FC用コンバータ3が動作不良である場合に、Bat用コンバータ5の出力電力の上限を、Bat用コンバータ5において許可される所定の出力電力以下に制限するよう、Bat用コンバータ5に指示を送出する。所定の出力電力については、上述した第2実施形態における所定の出力電力と同様であるため、その説明を省略する。
次に、図5に示すフローチャートを用いて、第3実施形態における出力電力制限処理について説明する。この出力電力制限処理は、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、FC用コンバータ3が動作不良であるか否かを判定する(ステップS301)。この判定がNOである場合(ステップS301;NO)には、出力電力制限処理を終了させる。
一方、ステップS301の判定でFC用コンバータ3が動作不良であると判定された場合(ステップS301;YES)に、制御部8は、Bat用コンバータ5の出力電力を、Bat用コンバータ5において許可される所定の出力電力以下に制限させる(ステップS302)。
上述してきたように、第3実施形態における燃料電池システム1によれば、FC用コンバータ3が動作不良である場合に、Bat用コンバータ5の出力電力を、Bat用コンバータ5において許可される所定の出力電力以下に制限することができるため、Bat用コンバータ5からの出力を許可されている電力以下に低減させることができ、バッテリ4の過放電を抑制することができる。
なお、上述した各実施形態の構成を適宜組み合わせることとしてもよい。例えば、第2実施形態においてトラクションモータ7に対する出力電力を制限する際に、第3実施形態におけるBat用コンバータ5の出力電力を制限する際の処理をさらに行うこととしてもよい。
また、上述した各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。
第1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。 第1実施形態における出力電力制限処理の流れを説明するためのフローチャートである。 第2実施形態における出力電力制限処理の流れを説明するためのフローチャートである。 第3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。 第3実施形態における出力電力制限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、S1…メインスイッチ、V1,V2…電圧センサ。

Claims (8)

  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、
    前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記電力消費装置に対する出力電力を制限する制御手段と、
    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、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記電力消費装置に対する出力電力の上限を、前記第一の電圧変換部の出力電力以下に制限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、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記電力消費装置に対する出力電力の上限を、前記第一の電圧変換部の出力電力と、前記第二の電圧変換部において許可される所定の出力電力との合算値以下に制限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. 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、
    前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記第二の電圧変換部の出力電力を制限する制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  5. 前記制御手段は、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定した場合に、前記第二の電圧変換部の出力電力の上限を、前記第二の電圧変換部において許可される所定の出力電力以下に制限することを特徴とする請求項4記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池の出力電圧を測定する第一の電圧センサと、
    前記第一の電圧変換部の出力電圧を測定する第二の電圧センサと、をさらに備え、
    前記制御手段は、前記第一の電圧変換部に含まれる昇圧用のスイッチ部を駆動させるためのデューティ比と、前記第二の電圧センサによって測定された電圧とを用いて前記燃料電池の出力電圧の推測値を算出し、当該推測値と、前記第一の電圧センサによって測定された電圧との差が予め定められた閾値以上である場合に、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御手段は、前記第一の電圧変換部に含まれる昇圧用のスイッチ部が異常であることを示す信号を受信した場合に、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池の出力電圧を測定する第一の電圧センサをさらに備え、
    前記制御手段は、前記第一の電圧センサによって測定される電圧の偏差が予め定められた閾値以上である場合に、前記第一の電圧変換部が動作不良であると判定することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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JP (1) JP2010135258A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013099009A1 (ja) 2011-12-28 2013-07-04 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US9889765B2 (en) 2012-07-20 2018-02-13 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
US10644335B2 (en) 2014-11-14 2020-05-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system

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