JP2010170944A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で燃料電池に電流が逆流することを防止する。
【解決手段】燃料電池２と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との間に配置される燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ３が、燃料電池２と直列に接続される逆止用コイルＬ１と、燃料電池２の出力電圧である直流電圧を昇圧するための昇圧回路と、昇圧用スイッチＳ１のゼロ電流スイッチングを実現するための共振回路と、昇圧回路および共振回路に対して燃料電池２および逆止用コイルＬ１からなる直列回路と並列に接続され、燃料電池２の出力電圧を平滑する平滑用コンデンサＣ１と、を有し、平滑用コンデンサＣ１のインピーダンスを、共振回路から出力される電流が燃料電池２に逆流することを阻止可能に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、共振型の直流電圧変換器を有する燃料電池システムに関する。

下記特許文献１には、共振回路を有する共振型の直流電圧変換器であるＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。このＤＣ／ＤＣコンバータでは、共振回路から出力される電流が直流電源に逆流するのを防止するために、共振回路と直流電源との間に逆止用ダイオードを設けている。

特開平５−２９２７３８号公報

ところで、上記共振型の直流電圧変換器を、燃料電池システムを搭載する燃料電池車両に採用した場合には、直流電源である燃料電池と共振回路との間には大電流が流れ得る。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池と共振回路との間に逆止用ダイオードを設けた場合には、逆止用ダイオードで発生する熱を冷却するための冷却機構を設ける必要があり、構成が複雑になってしまう。また、逆止用ダイオードの発熱によりエネルギー損失が発生するため、燃料電池による電力供給の効率が低減してしまう。

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、簡易な構成で燃料電池に電流が逆流することを防止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直流電圧変換部と、を備え、前記直流電圧変換部は、前記燃料電池と直列に接続されるコイルと、前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧共振部と、前記昇圧共振部に対して前記燃料電池および前記コイルからなる直列回路と並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を平滑するコンデンサと、を有し、前記コイルは、前記昇圧共振部から出力される電流が前記燃料電池に逆流することを阻止可能なインピーダンスに設定されていることを特徴とする。

この発明によれば、昇圧共振部から燃料電池側に向けて電流が出力された場合であっても、コイルのインピーダンスによって燃料電池への電流の流れ込みが阻止されるため、全電流をコンデンサに向けて流すことが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記コイルは、前記昇圧共振部から燃料電池側に向けて出力される電流が、前記燃料電池の出力電流以下であるときには、磁気飽和する特性を有することとしてもよい。

このようにすることで、電流が燃料電池に逆流する状況下では、コイルをインダクタとして機能させることができるため、燃料電池に電流が逆流することを阻止することが可能となる一方、電流が燃料電池に逆流しない状況下では、コイルのインダクタとしての機能を消失させることができるため、燃料電池による電力供給の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、上記コイルの自己共振周波数は、前記昇圧共振部から出力される電流の周波数よりも大きいこととしてもよい。

このようにすることで、昇圧共振部から燃料電池側に流れてきた電流に対して、コイルをインダクタとして確実に機能させることができるため、燃料電池への逆流を確実に阻止することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記昇圧共振部は、昇圧用コイル、昇圧用コンデンサおよび昇圧用スイッチを含む昇圧回路と、共振用コンデンサ、共振用コイルおよび共振用スイッチを含む共振回路と、を有することとしてもよい。

本発明によれば、簡易な構成で燃料電池に電流が逆流することを防止できる。

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。 逆止用コイルのインダクタンスの算出例を説明するための図である。

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と、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ３（直流電圧変換部、以下「燃料電池用コンバータ」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（以下「バッテリ用コンバータ」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とを有する。燃料電池２および燃料電池用コンバータ３の組と、バッテリ４およびバッテリ用コンバータ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。

燃料電池用コンバータ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。この燃料電池用コンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。

燃料電池用コンバータ３は、例えば、燃料電池用コンバータ３から燃料電池２に電流が逆流することを阻止するための逆止用コイルＬ１（コイル）と、燃料電池２の出力電圧である直流電圧を平滑する平滑用コンデンサＣ１（コンデンサ）と、直流電圧を昇圧するための昇圧回路（昇圧共振部）を構成する昇圧用コイルＬ２、昇圧用コンデンサＣ３および昇圧用スイッチＳ１と、昇圧用スイッチＳ１のゼロ電流スイッチングを実現するための共振回路（昇圧共振部）を構成する共振用コンデンサＣ２、共振用コイルＬ３および共振用スイッチＳ２と、を含んで構成される。

ここで、ゼロ電流スイッチングのしくみについて説明する。ゼロ電流スイッチングは、スイッチのオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消するために行うスイッチング手法である。本実施形態におけるゼロ電流スイッチングは、昇圧用スイッチＳ１のオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消するためのものである。以下に、その手順を説明する。

まず、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに切り換える場合には、昇圧用スイッチＳ１をオンから徐々にオフに切り換える（手順１）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に流れる電流が減少していくため、ダイオードＤ３および共振用コンデンサＣ２側に電流が集中することになる。

その後、昇圧用スイッチＳ１に流れる電流が０になった後に、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに完全に切り換える（手順２）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に電流が流れていないときに昇圧用スイッチＳ１をオフにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。

一方、電流が共振用コンデンサＣ２に流れ込むことによって、共振用コンデンサＣ２には電荷が蓄積されていくことになる。

続いて、共振用コンデンサＣ２に蓄積された電荷を放出するために、共振用スイッチＳ２をオフからオンに切り換える（手順３）。これにより、共振用コンデンサＣ２からダイオードＤ２および共振用コイルＬ３を介して平滑用コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑用コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。つまり、共振回路から平滑用コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑用コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。

その後、共振用コンデンサＣ２から全ての電荷が放出され、共振用コンデンサＣ２の電圧が０になると、ダイオードＤ３および共振用コンデンサＣ２からなる直列回路の両端の電位差が０になり、昇圧用スイッチＳ１の両端の電位差も０になる。

昇圧用スイッチＳ１の両端の電位差が０になった後に、昇圧用スイッチＳ１をオフからオンに切り換える（手順４）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に電流が流れないときに昇圧用スイッチＳ１をオンにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。

このようなゼロ電流スイッチングを実行する場合には、上記手順３を実行したときに、共振用コンデンサＣ２から出力される電流Ｉが、Ａ地点で、平滑用コンデンサＣ１に向けて流れる電流Ｉｃと、燃料電池２に向けて逆流する電流Ｉｆとに分流されることになる（図２参照）。

ところで、燃料電池２に電流Ｉｆが流れ込むと、燃料電池２が劣化する要因となる。したがって、本実施形態では、この問題を解決するために、燃料電池２に逆止用コイルＬ１を直列接続させて、燃料電池２に電流Ｉｆが流れ込むことを阻止することとした。これを実現するためには、逆止用コイルＬ１のインピーダンスを、電流Ｉｆが０以下になるように設定することが望ましい。このような逆止用コイルＬ１のインピーダンスは、例えば、以下のように算出することができる。

まず、電流Ｉが電流Ｉｃと電流Ｉｆとに分流することから、以下の式１が成立する。
Ｉ＝Ｉｃ＋Ｉｆ …（式１）

続いて、ＡＢ間の燃料電池２側のインピーダンスをＺｆとし、ＡＢ間の平滑用コンデンサＣ１側のインピーダンスをＺｃとすると、以下の式２が成立する。
Ｉｃ＊Ｚｃ＝Ｉｆ＊Ｚｆ …（式２）

式２に式１を代入すると、以下の式３が求まる。
Ｉｆ＝Ｉ＊｛Ｚｃ／（Ｚｆ＋Ｚｃ）｝ …（式３）

電流Ｉｆが０以下となる条件を満たすためには、式３の｛Ｚｃ／（Ｚｆ＋Ｚｃ）｝が０以下となればよい。式３に含まれるＺｃとＺｆは、以下のように表わすことができる。

まず、平滑用コンデンサＣ１側のインピーダンスＺｃについては、平滑用コンデンサＣ１内の抵抗成分をＲｃとし、平滑用コンデンサＣ１内のインダクタンスをＬｃとし、平滑用コンデンサＣ１のコンデンサ容量をＣ１とすると、以下の式４のように表わすことができる。なお、ｗは角速度であり、ｊ²＝−１である（以下、同様）。
Ｚｃ＝Ｒｃ＋（１／ｊｗＣ１）＋ｊｗＬｃ …（式４）

また、燃料電池２側のインピーダンスＺｆについては、燃料電池２内の抵抗成分をＲｆとし、燃料電池２内のインダクタンスをＬｆとし、逆止用コイルＬ１のインダクタンスをＬ１とすると、以下の式５のように表わすことができる。
Ｚｆ＝Ｒｆ＋ｊｗ（Ｌｆ＋Ｌ１） …（式５）

したがって、式３の｛Ｚｃ／（Ｚｆ＋Ｚｃ）｝に、式４および式５を代入し、｛Ｚｃ／（Ｚｆ＋Ｚｃ）｝が０以下となるＬ１を決定することで、電流Ｉｆが０以下となる逆止用コイルＬ１のインピーダンスを算出することが可能となる。

また、逆止用コイルＬ１は、共振回路から燃料電池２側に向けて出力される電流Ｉｆが、燃料電池２の出力電流以下であるときには、磁気飽和を起こす特性を有することが望ましい。これにより、例えば、燃料電池２の高出力時等のように、燃料電池２の出力電流が共振回路からの逆電流よりも大きい場合には、逆止用コイルＬ１を磁気飽和させることができる。

これは、コイルが磁気飽和を起こすと、インダクタンスが極端に減少し、インダクタとしての機能を失うことに着眼したものである。つまり、逆止用コイルＬ１が磁気飽和を起こすと、逆止用コイルＬ１を備えていない状態に近づけることが可能となるため、燃料電池による電力供給の効率を向上させることが可能となる。また、逆止用コイルＬ１がインダクタとして機能する電流範囲を小さくすることができるため、インダクタの小型化を実現することが可能となる。

したがって、逆止用コイルＬ１の磁気飽和特性を上述したように設定することで、電流が燃料電池２に逆流する状況下では、逆止用コイルＬ１をインダクタとして機能させることができるため、燃料電池２に電流が逆流することを阻止することが可能となる。一方、電流が燃料電池２に逆流しない状況下では、逆止用コイルＬ１のインダクタとしての機能を消失させることができるため、燃料電池による電力供給の効率を向上させることが可能となる。

また、逆止用コイルＬ１の自己共振周波数は、共振回路から出力される電流Ｉの周波数よりも大きくなるように設定することが望ましい。これにより、共振回路から燃料電池２側に流れてきた電流に対して、逆止用コイルＬ１をインダクタとして確実に機能させることができるため、燃料電池２への逆流を確実に阻止することが可能となる。

図１に示すバッテリ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。このようなバッテリ用コンバータ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、例えば、昇圧用スイッチＳ１や共振用スイッチＳ２のオン／オフを制御することで、上述したゼロ電流スイッチング制御を行う。

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、電流センサや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。

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、共振回路から燃料電池２側に向けて電流が出力された場合であっても、逆止用コイルＬ１のインピーダンスによって燃料電池２への電流の流れ込みが阻止されるため、共振回路から燃料電池２側に向けて出力された全電流を平滑用コンデンサＣ１に向けて流すことが可能となる。したがって、逆止用コイルＬ１を追加した簡易な構成で燃料電池２に電流が逆流することを防止することが可能となる。

なお、上述した実施形態における逆止用コイルＬ１を設ける対象となるＤＣ／ＤＣコンバータ３の構成は、図１に示す構成には限定されない。燃料電池２の出力電圧を昇圧して電力消費装置側に出力する構成を有するとともに、電力消費装置側に電流を出力するのみならず、燃料電池２側にも電流を出力する構成を有する直流電圧変換器全般に、本発明を適用することができる。

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。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８…制御部、Ｃ１…平滑用コンデンサ、Ｃ２…共振用コンデンサ、Ｃ３…昇圧用コンデンサ、Ｌ１…逆止用コイル、Ｌ２…昇圧用コイル、Ｌ３…共振用コイル、Ｓ１…昇圧用スイッチ、Ｓ２…共振用スイッチ。

Claims (4)

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直流電圧変換部と、を備え、
   前記直流電圧変換部は、
   前記燃料電池と直列に接続されるコイルと、
   前記燃料電池の出力電圧を昇圧させ、前記電力消費装置側および前記燃料電池側の双方に電流を出力可能な昇圧共振部と、
   前記昇圧共振部に対して前記燃料電池および前記コイルからなる直列回路と並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を平滑するコンデンサと、を有し、
   前記コイルは、前記昇圧共振部から出力される電流が前記燃料電池に逆流することを阻止可能なインピーダンスに設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記コイルは、前記昇圧共振部から燃料電池側に向けて出力される電流が、前記燃料電池の出力電流以下であるときには、磁気飽和する特性を有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. 前記コイルの自己共振周波数は、前記昇圧共振部から出力される電流の周波数よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 前記昇圧共振部は、昇圧用コイル、昇圧用コンデンサおよび昇圧用スイッチを含む昇圧回路と、共振用コンデンサ、共振用コイルおよび共振用スイッチを含む共振回路と、を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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