JP2010238538A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の始動の際に耐久性を損なわずにスムースにＦＣリレーの接続を行う。
【解決手段】燃料電池と、負荷と燃料電池との電気的な接続を入り切りするＦＣリレーと、ＦＣリレーを開閉する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧Ｖ₀まで単調に上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、燃料電池の電圧が、運転電圧Ｖ₀よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第１の電圧Ｖ₁と、第１の電圧Ｖ₁よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第２の電圧Ｖ₂との間でＦＣリレーの閉指令を出力する指令手段とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両の始動時の制御に関する。

燃料極に燃料ガスとしての水素を供給し、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって発電すると共に酸化剤極に水を生成する燃料電池の実用化が検討されつつある。

このような燃料電池においては、始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とがそれぞれ通常運転の際の各圧力と同程度の場合には、水素ガスと空気がそれぞれ燃料極と酸化剤極の中で偏在し、このガスの偏在によって発生する電気化学反応で電極が劣化してしまう場合があった。そこで、燃料電池の始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とを通常の各供給圧力よりも高くすることによって電極の劣化を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、燃料電池の始動の際に水素ガスと空気とを高圧で燃料電池に供給した場合、燃料電池の電圧の上昇速度が大きくなって燃料電池の電圧が上限電圧をオーバーシュートしてしまうという問題があった。このため、特許文献１には、燃料電池の始動の際に通常発電の際の圧力よりも高い圧力で水素ガスと空気とを供給する場合、燃料電池の電圧が上限電圧よりも低い所定の電圧に達したら、燃料電池から出力を取り出して車両駆動用モータや抵抗器などに出力する方法が提案されている。

特開２００７−２６８９１号公報

ところで、電動車両に搭載されている燃料電池システムでは、燃料電池とモータとの接続を入り切りするＦＣリレーが設けられており、燃料電池が停止している際には燃料電池を負荷系統から切り離し、燃料電池が始動したら燃料電池を負荷系統に接続するようにしている。しかし、ＦＣリレーを閉として燃料電池と負荷系統とを接続する際にＦＣリレーに大きな電流が流れてしまうとＦＣリレーが溶着したり損傷を受けたりする場合がある。

そこで、燃料電池の始動の際には燃料電池の電圧を一端、開回路電圧まで上昇させ、燃料電池からの電流が流出しない状態としてＦＣリレーを接続し、その後電圧を低下させて燃料電池から電気出力が供給されるようにする方法が用いられている。これは、燃料電池は電圧が開回路電圧まで上昇すると出力電流がゼロとなる特性を持っているからである。しかし、燃料電池の電圧を開回路電圧まで上昇させると高電圧によって燃料電池の耐久性を損なう場合があるという問題があった。

また、燃料電池の電圧が低い場合にはＦＣリレー接続の際に大きな電流は流れずＦＣリレーの損傷は抑制されるが、この場合には負荷系統と燃料電池の電圧との差が大きくなり、ＦＣリレーを接続した際に発生する過渡電流によって漏電検出器が漏電を誤検知し、制御部が燃料電池システムを停止してしまう場合があった。

そこで、本発明は、燃料電池の始動の際に耐久性を損なわずにスムースにＦＣリレーの接続を行うことを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、負荷と燃料電池との電気的な接続を入り切りするＦＣリレーと、ＦＣリレーを開閉する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、燃料電池の電圧が、運転電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第１の電圧と、第１の電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第２の電圧との間でＦＣリレーの閉指令を出力する指令手段と、を有することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムにおいて、第１の電圧は、燃料電池の始動の際の単位時間当たりの電圧上昇レートにＦＣリレーの閉指令出力からＦＣリレーの閉動作完了までの時間を掛けた電圧を運転電圧から引いた電圧であること、としても好適である。

本発明の燃料電池システムにおいて、充放電可能な二次電池と、二次電池と負荷との間に接続された電圧変換器と、を備え、燃料電池は、電圧変換器と共通の電路を介して負荷に電力を供給し、ＦＣリレーは、燃料電池と共通の電路との電気的な接続を入り切りし、第２の電圧は、ＦＣリレーを閉じた際に二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内に過渡的に発生する電圧変動が所定の閾値以下となるような電圧であること、としても好適である。

本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムは、二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内の漏電を検出する漏電検出器を備え、制御部は、漏電検出器からの閾値以上の信号が所定の時間継続した場合に漏電が発生したものと判断する漏電判断手段を有すること、としても好適であるし、ＦＣリレーの閉指令出力の後、所定の時間だけ漏電検出器からの信号をマスクする漏電判定マスク手段を有すること、としても好適である。

本発明の電動車両は、上記の燃料電池システムを搭載したものである。

本発明は、燃料電池の始動の際に耐久性を損なわずにスムースにＦＣリレーの接続を行うことができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における燃料電池システムの系統図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムの始動の際の電圧の上昇を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、電動車両２００に搭載されている燃料電池システム１００は、充放電可能な二次電池１２と、二次電池１２の電圧を昇圧または降圧する昇降圧コンバータ１３と、昇降圧コンバータ１３の直流電力を交流電力に変換して走行用モータ１５に供給するインバータ１４と、燃料電池１１と、を備えている。

二次電池１２は充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成され、その電圧は走行用モータ１５の駆動電圧よりも低い電圧であるが、走行用モータの駆動電圧と同等あるいは高い電圧であってもよい。昇降圧コンバータ１３は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって二次電池１２から供給された一次側の電圧を走行用モータ駆動用の二次側の電圧に電圧変換するものであり、基準電路３２が二次電池１２のマイナス側電路３４とインバータ１４のマイナス側電路３９とに共通に接続され、一次側電路３１が二次電池１２のプラス側電路３３に接続され、二次側電路３５がインバータ１４のプラス側電路３８に接続された非絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。また、二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４には二次電池１２と負荷系統との接続を入り切りするシステムリレー２５が設けられている。

燃料電池１１は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電するもので、水素ガスは高圧の水素タンク１７から水素供給弁１８を介して燃料極（アノード）に供給され、空気は空気圧縮機１９によって酸化剤極（カソード）に供給される。燃料電池１１のプラス側電路３６は昇降圧コンバータ１３の二次側電路３５にＦＣリレー２４と逆流防止ダイオード２３を介して接続され、燃料電池１１のマイナス側電路３７はＦＣリレー２４を介して昇降圧コンバータ１３の基準電路３２に接続されている。昇降圧コンバータ１３の二次側電路３５はインバータ１４のプラス側電路３８に接続され、昇降圧コンバータ１３の基準電路３２はインバータ１４のマイナス側電路３９に接続されているので、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７はそれぞれインバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９にＦＣリレー２４を介して接続されている。ＦＣリレー２４は負荷系統と燃料電池１１との接続を入り切りするもので、ＦＣリレー２４が閉となると燃料電池１１は昇降圧コンバータ１３の二次側と接続され、燃料電池１１の発電電力は二次電池１２の一次側電力を昇圧した二次側電力と共にインバータ１４に供給されて車輪６０を回転させる走行用モータ１５を駆動する。この際、燃料電池１１の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧、インバータ１４の入力電圧と同一電圧となる。また、空気圧縮機１９や冷却水ポンプ、水素ポンプなど燃料電池１１の補機１６の駆動電力は二次電池１２から供給される。

二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４との間には一次側の電圧を平滑化する一次側コンデンサ２０が接続され、一次側コンデンサ２０には両端の電圧を検出する電圧センサ４１が設けられている。また、インバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９との間には二次側の電圧を平滑にする二次側コンデンサ２１が設けられ、二次側コンデンサ２１にも両端の電圧を検出する電圧センサ４２が設けられている。一次側コンデンサ２０の両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の入力電圧である一次側電圧Ｖ_Lであり、二次側コンデンサ２１の両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧Ｖ_Hである。また、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７との間には燃料電池１１の電圧を検出する電圧センサ４３が設けられている。

昇降圧コンバータ１３の入力側の一次側電路３１と基準電路３２との間には放電抵抗２６，２７とが直列に接続され、その中間は接地されている。同様に昇降圧コンバータ１３の出力側の二次側電路３５と基準電路３２との間にも放電抵抗２８，２９が直列に接続され、その中間は接地されている。また、基準電路３２には基準電路３２の電圧を計測する電圧センサ４４が取り付けられている。

制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータであり、燃料電池１１、空気圧縮機１９、水素供給弁１８、昇降圧コンバータ１３、インバータ１４、走行用モータ１５、補機１６、ＦＣリレー２４、システムリレー２５は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、二次電池１２と各電圧センサ４１〜４４はそれぞれ制御部５０に接続され、二次電池１２の状態と各電圧センサ４１〜４４の検出信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。電動車両２００には燃料電池システム１００を始動停止させるスイッチであるイグニッションキー３０が設けられている。イグニッションキー３０は制御部５０に接続され、イグニッションキー３０のオンオフ信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。

以上のように構成された燃料電池システム１００の動作について図２を参照して説明する。図２において線ａは昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧Ｖ_Hを示し、線ｂは燃料電池１１の電圧であるＦＣ電圧Ｖ_Fを示す。燃料電池１１は図２に示すように、電圧ゼロの状態から始動される。

図２に示す時間ｔ₀に運転者がイグニッションキー３０をオンするとそのオン信号が制御部５０に入力され、制御部５０はシステムリレー２５を閉として二次電池１２を系統に接続する。二次電池１２が系統に接続されると二次電池１２から供給される電力によって一次側コンデンサ２０が充電される。一次側コンデンサ２０が充電されたら制御部５０は昇降圧コンバータ１３の昇圧動作を開始して二次側コンデンサ２１を充電し、電圧センサ４２によって検出される二次側電圧Ｖ_Hを上昇させていく。二次側電圧Ｖ_Hが開回路電圧ＯＣＶに達したら二次側コンデンサ２１の充電が完了し二次電池１２からの電力供給が可能となるので、制御部５０は図２に示す時間ｔ₁に走行用モータ１５に電力を供給する準備が完了したことを示すＲｅａｄｙのランプを点灯させる。このＲｅａｄｙランプ点灯後、運転者がアクセルを踏み込むと、二次電池１２からの電力が車輪６０を回転させる走行用モータ１５に供給され、電動車両２００は走行を開始することができる。二次電池１２から電力が走行用モータ１５に供給されても燃料電池１１はＦＣリレー２４が開状態となっているので系統から切り離されており、電力は燃料電池１１には流れこまない。

制御部５０は、図２に示す時間ｔ₁に水素系統を加圧する指令を出力する。この指令によって水素供給弁１８が開となり、水素タンク１７から燃料電池１１への水素の供給が開始される。水素が供給されると燃料電池１１の燃料極の圧力が上昇するが、まだ酸化剤極に空気が供給されていないので燃料電池１１の内部では電気化学反応が起きず、燃料電池１１は発電しないので、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fは始動電圧と同様のゼロとなっている。

水素系統の加圧開始の後、図２に示す時間ｔ₂に二次側電圧Ｖ_HをＯＣＶから運転電圧Ｖ₀に低下させると共に、空気圧縮機１９の始動指令を出力する。この指令によって空気圧縮機１９が始動し、燃料電池１１への空気の供給が開始される。そして、図２に示す時間ｔ₃に二次側電圧Ｖ_Hの運転電圧Ｖ₀への低下が終了し、その後、二次側電圧Ｖ_Hは運転電圧Ｖ₀に保持される。運転電圧Ｖ₀は、例えば、開回路電圧ＯＣＶの９０％程度の電圧である。

一方、時間ｔ₂に空気圧縮機１９が始動され、空気が燃料電池１１に供給され始めると燃料電池１１の内部で水素と空気中の酸素との電気化学反応が始まり、電圧センサ４３によって検出される燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fは始動電圧のゼロから図２の線ｂに示すように次第に上昇していく。そして、図２に示す時間ｔ₆に燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fは運転電圧Ｖ₀に達する。この時、昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧Ｖ_Hは運転電圧Ｖ₀に保持されているので、燃料電池のＦＣ電圧Ｖ_Fも運転電圧Ｖ₀に保持され、開回路電圧ＯＣＶまで上昇しない。この間、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fは単調に上昇していく。制御部５０は、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fが運転電圧Ｖ₀に達した後、図２に示す時間ｔ₆から時間ｔ₇の間、燃料電池システム１００の状態を保持して燃料電池システム１００の動作の安定を確認する。制御部５０は、燃料電池システム１００の安定が確認されたら燃料電池システム１００の始動動作を終了し、図２に示す時間ｔ₇に燃料電池システム１００を通常運転に移行する。

燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fが上昇している間は、逆流防止ダイオードでブロックされるため燃料電池１１を系統に接続しても電流は流れ出さない。従って、燃料電池１１のＦＣリレー２４を燃料電池１１の電圧が上昇している間に閉としてもリレー２４の閉の瞬間に大きな電流が流れてＦＣリレー２４が溶着してしまうことがなくなる。しかし、制御部５０からＦＣリレー２４を閉とする指令が出力されてから実際にＦＣリレー２４の閉動作が完了するまでには図２に示すΔｔだけの動作時間がかかってしまうので、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fが運転電圧Ｖ₀に上昇しきる直前にＦＣリレー２４の閉指令を出力すると、実際にＦＣリレー２４の閉動作が完了するタイミングには燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fが運転電圧Ｖ₀となっており、ＦＣリレー２４が閉となった瞬間に大きな電流が流れ出してＦＣリレー２４が溶着してしまう場合がある。

そこで、図２に示すように、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fが運転電圧Ｖ₀に達する前にＦＣリレー２４の閉動作が完了する様に、燃料電池１１の電圧が運転電圧よりも低い第１の電圧Ｖ₁となったタイミングでＦＣリレー２４の閉指令を出力するようにする。Ｖ₁は運転電圧Ｖ₀から燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fの電圧上昇レートにＦＣリレー２４の動作時間Δｔを掛けた電圧を差し引いた電圧である。上昇レートが変化する場合には、変化する上昇レートにＦＣの動作時間Δｔを掛けた電圧を運転電圧Ｖ₀から差し引いた電圧である。例えば、動作時間Δｔを幾つかの時間Δｔ’に区分してその区分毎の上昇レートにΔｔ’を掛けて得られた電圧を合計した電圧を運転電圧Ｖ₀から差し引くようにしてもよい。

一方、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fがゼロに近い状態でＦＣリレー２４を接続した場合、ＦＣリレー２４には大きな電流が流れず、ＦＣリレー２４は溶着してしまうことが無い。しかし、昇降圧コンバータ１３によって二次側電圧Ｖ_Hは運転電圧Ｖ₀に昇圧されているので、ＦＣリレー２４を閉にして燃料電池１１と昇降圧コンバータ１３、インバータ１４とを接続すると過渡的に放電抵抗２６〜２９の接地点の間に電流が流れる。この電流によって昇降圧コンバータ１３の基準電路３２に取り付けられている電圧センサ４４が電圧の変動を検知し、制御部５０は漏電が発生したものと誤判断して燃料電池システム１００を停止させてしまう場合がある。この電圧センサ４４によって検出される電圧の変化は、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fと昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧Ｖ_Hとの差が大きいほど大きくなるので、漏電発生の誤判断を防止するためには、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fと二次側電圧Ｖ_Hとの差があまり大きくならないようなタイミングでＦＣリレー２４を接続することが必要である。そこで、ＦＣリレー２４の閉指令は燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fが第２の電圧Ｖ₂以上において行う。第２の電圧Ｖ₂は、ＦＣリレー２４を閉じた際に二次電池１２と昇降圧コンバータ１３と燃料電池１１とを含む電気系統内に過渡的に発生する電流によって漏電発生と判断される電圧変動を電圧センサ４４で検出しない最低の電圧である。

以上、述べたように、本実施形態は、ＦＣリレー２４の閉指令を燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fが第１の電圧Ｖ₁と第２の電圧Ｖ₂との間、すなわち、図２に示す時間ｔ₄と時間ｔ₅との間に行うことで、ＦＣリレー２４の溶着防止と漏電の誤判断の発生を抑制し、燃料電池システム１００をスムースに始動することができる。また、始動の際に燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fは開回路電圧ＯＣＶまで上昇しないので、燃料電池１１の耐久性を損なうことを抑制することができる。

以上述べた実施形態では、漏電の検出は昇降圧コンバータ１３の基準電路３２に設けられた電圧センサ４４によって行うこととして説明したが、接地端に流れる電流を測定する漏電検出器によって行うようにしてもよい。また、ＦＣリレー２４が閉となった際に流れる電流は過渡的な電流なので、電圧センサ４４から制御部５０への信号入力あるいは、漏電検出器から制御部５０への信号入力が所定の時間だけ継続した際に漏電の判断を行うようにして漏電の誤判断を抑制して燃料電池システム１００をスムースに始動するようにしても良いし、所定の時間だけ電圧センサ４４の入力信号あるいは漏電検出器の入力信号を制御部５０が判断しないように入力信号をマスクするようにしても良い。これによって、より低いＦＣ電圧Ｖ_Fの状態でも漏電の誤判断による燃料電池システム１００の停止を抑制しスムースに燃料電池システム１００を始動することができる。

１１ 燃料電池、１２ 二次電池、１３ 昇降圧コンバータ、１４ インバータ、１５ 走行用モータ、１６ 補機、１７ 水素タンク、１８ 水素供給弁、１９ 空気圧縮機、２０ 一次側コンデンサ、２１ 二次側コンデンサ、２３ 逆流防止ダイオード、２４ ＦＣリレー、２５ システムリレー、２６〜２９ 放電抵抗、３０ イグニッションキー、３１ 一次側電路、３２ 基準電路、３３，３６，３８ プラス側電路、３４，３７，３９ マイナス側電路、３５ 二次側電路、４１〜４４ 各電圧センサ、５０ 制御部、６０ 車輪、１００ 燃料電池システム、２００ 電動車両、Ｖ₀ 運転電圧、Ｖ₁ 第１の電圧、Ｖ₂ 第２の電圧、Δｔ 動作時間。

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   負荷と燃料電池との電気的な接続を入り切りするＦＣリレーと、
   ＦＣリレーを開閉する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
   制御部は、
   燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動する始動手段と、
   燃料電池の電圧が、運転電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第１の電圧と、第１の電圧よりも低く燃料電池の始動電圧よりも高い第２の電圧との間でＦＣリレーの閉指令を出力する指令手段と、
   を有することを特徴と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、
   第１の電圧は、燃料電池の始動の際の単位時間当たりの電圧上昇レートにＦＣリレーの閉指令出力からＦＣリレーの閉動作完了までの時間を掛けた電圧を運転電圧から引いた電圧であること、
   を特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   充放電可能な二次電池と、
   二次電池と負荷との間に接続された電圧変換器と、を備え、
   燃料電池は、電圧変換器と共通の電路を介して負荷に電力を供給し、
   ＦＣリレーは、燃料電池と共通の電路との電気的な接続を入り切りし、
   第２の電圧は、ＦＣリレーを閉じた際に二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内に過渡的に発生する電圧変動が所定の閾値以下となるような電圧であること、
   を特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   燃料電池システムは、二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内の漏電を検出する漏電検出器を備え、
   制御部は、漏電検出器からの閾値以上の信号が所定の時間継続した場合に漏電が発生したものと判断する漏電判断手段を有すること、
   を特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３項に記載の燃料電池システムであって、
   燃料電池システムは、二次電池と電圧変換器と燃料電池とを含む電気系統内の漏電を検出する漏電検出器を備え、
   制御部は、ＦＣリレーの閉指令出力の後、所定の時間だけ漏電検出器からの信号をマスクする漏電判定マスク手段を有すること、
   を特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムを搭載する電動車両。

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