JP2010273495A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】Ｂａｔ用コンバータでの駆動損失を軽減させる。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２の発電電力を充電可能なバッテリ４と、燃料電池およびバッテリ４からの電力を消費するトラクションモータ７と、燃料電池２とトラクションモータ７との間に配置され、燃料電池２からの出力電圧を昇圧してトラクションモータ７側に出力するＦＣ用コンバータ３と、バッテリ４とトラクションモータ７との間に配置され、バッテリ４からの出力電圧を昇圧してトラクションモータ７側に出力するＢａｔ用コンバータ５とを備える燃料電池システム１であって、バッテリ電圧を燃料電池２の開回路電圧およびトラクションモータ７からの要求電圧のいずれの電圧よりも高く設定する。
【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、燃料電池用の電圧変換部であるＦＣ用コンバータとバッテリ用の電圧変換部であるＢａｔ用コンバータとを備えた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、電力消費装置である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、バッテリの電圧が燃料電池の電圧やモータの要求電圧よりも低い場合には、バッテリ電圧をＢａｔ用コンバータで昇圧させることとなる。しかしながら、Ｂａｔ用コンバータで昇圧動作を行うと、Ｂａｔ用コンバータで駆動損失が発生するため、燃費が低下する要因となる。

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、電圧変換部での駆動損失を軽減させ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、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力す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、前記畜電部からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第二の電圧変換部と、を備え、前記畜電部の電圧が、前記燃料電池の出力電圧および前記電力消費装置からの要求電圧のいずれの電圧よりも高いことを特徴とする。

この発明によれば、畜電部からの出力電圧を昇圧する第二の電圧変換部における昇圧動作を極力停止させることができるため、第二の電圧変換部における駆動損失を軽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、上記畜電部の電圧が、前記燃料電池の開回路電圧および前記電力消費装置からの要求電圧のいずれの電圧よりも高いこととしてもよい。

このようにすることで、第二の電圧変換部における昇圧動作をさらに停止させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池に対する要求発電量が所定の閾値以下である場合に、前記畜電部の電圧が、前記燃料電池の出力電圧および前記電力消費装置からの要求電圧のいずれの電圧よりも高いこととしてもよい。上記閾値として、出力の急激な上昇要求を伴う運転状態のときに前記燃料電池に対して発令される要求発電量を設定することができる。

このようにすることで、蓄電部の必要電圧を低下させることができるため、蓄電部を小さくすることができるとともに、電力消費装置での損失を低減させてシステム全体の効率を向上させることが可能となる。

本発明によれば、電圧変換部での駆動損失を軽減させることができる。

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。 実施形態におけるバッテリ電圧の特性を説明するための図である。 変形例におけるバッテリ電圧の特性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。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも適用することができ、さらに、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も適用することができる。

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、本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、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から出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の出力側の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、トラクションインバータ６の入力側の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から出力される直流電圧（以下、「バッテリ電圧」という。）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に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ７側から出力される直流電圧を降圧してバッテリ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、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、電圧センサやアクセル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電圧センサ等の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。

本実施形態における燃料電池システム１は、バッテリ電圧が燃料電池２の開回路電圧（Open Circuit Voltage；ＯＣＶ）よりも高く、かつ、バッテリ電圧がトラクションモータ７からの要求電圧よりも高くなるように設定されている。これは、バッテリ電圧を開回路電圧や要求電圧よりも高い状態で維持させることで、Ｂａｔ用コンバータ５が昇圧動作を行う機会をできる限り減らすことができることに着目したものである。

図２を参照して、具体的に説明する。図２に示す横軸は燃料電池システムの出力を示し、縦軸は電圧を示す。図２に示すＶｂはバッテリ電圧を示し、Ｖｏは燃料電池の開回路電圧を示し、Ｖｍはトラクションモータの要求電圧を示し、Ｖｆは燃料電池の出力電圧を示す。図２に示すように、バッテリ電圧Ｖｂは、燃料電池システム１の全ての出力領域において、燃料電池２の開回路電圧Ｖｏおよびトラクションモータ７の要求電圧のいずれの電圧よりも高くなっている。このようなバッテリ４の出力特性は、バッテリ４が強制充電不要状態であるときに発揮されるように設定することが望ましい。

これにより、Ｂａｔ用コンバータ５の昇圧動作を極力停止させることができるため、Ｂａｔ用コンバータ５による駆動損失を軽減させることができる。それゆえに、システム効率を向上させ、燃費を向上させることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、上記電圧の出力特性を、燃料電池システム１の全ての出力領域において発揮されるように設定しているが、これに限定されない。

例えば、燃料電池システム１の通常運転領域において、バッテリ電圧を燃料電池の出力電圧よりも高く、かつ、バッテリ電圧をトラクションモータ７からの要求電圧よりも高く設定することとしてもよい。通常運転領域とは、出力の急激な上昇要求を伴わない運転状態であるときの燃料電池システム１の運転領域をいう。具体的には、燃料電池２に対する要求発電量が所定の閾値以下である場合に、通常運転領域とすることができる。この場合の閾値としては、出力の急激な上昇要求を伴う高負荷運転状態のときに燃料電池２に対して発令される要求発電量の下限値を設定することができる。出力の急激な上昇要求を伴う高負荷運転状態としては、例えば、ＷＯＴ（Wide Open Throttle：スロットルバルブ全開）時の運転や、追い越し時の運転、坂道発進時の運転等が該当する。

図３を参照して、本変形例におけるバッテリ電圧の出力特性について具体的に説明する。図３に示す横軸は燃料電池システムの出力を示し、縦軸は電圧を示す。図３に示すＶｂはバッテリ電圧を示し、Ｖｆは燃料電池の出力電圧を示し、Ｖｍはトラクションモータの要求電圧を示し、Ｖｏは燃料電池の開回路電圧を示す。図３に示すＰｔは、通常運転領域を判定する際の上記閾値である。図３に示すように、バッテリ電圧Ｖｂは、燃料電池システム１の通常運転領域（燃料電池システム１の出力が０から閾値Ｐｔまでの間）において、燃料電池２の出力電圧Ｖｆおよびトラクションモータ７の要求電圧のいずれの電圧よりも高くなっている。

これにより、走行時に占める割合が大きい通常運転領域において、Ｂａｔ用コンバータ５の昇圧動作を停止させることができるため、上述した実施形態における燃料電池システム１と同様に、Ｂａｔ用コンバータ５による駆動損失を軽減させることができる。

一方、一時的に発生することが多い高負荷運転状態のときには、Ｂａｔ用コンバータ５の昇圧動作を作動させてバッテリ電圧を昇圧させることができるため、バッテリ４の必要電圧を、上記実施形態におけるバッテリ４の必要電圧よりも低く抑えることができる。これにより、燃料電池システム１の全ての出力領域においてバッテリ電圧を高く維持させる上記実施形態における燃料電池システム１に比べて、バッテリ４を小さくすることができる。

また、バッテリ４の必要電圧を低く抑えることでトラクションインバータ６やトラクションモータ７における損失を低減させることができるため、上記実施形態における燃料電池システム１に比べて、燃料電池システム１全体の効率を向上させることが可能となる。

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 (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、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力す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、前記畜電部からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第二の電圧変換部と、を備え、
   前記畜電部の電圧が、前記燃料電池の出力電圧および前記電力消費装置からの要求電圧のいずれの電圧よりも高いことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記畜電部の電圧が、前記燃料電池の開回路電圧および前記電力消費装置からの要求電圧のいずれの電圧よりも高いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池に対する要求発電量が所定の閾値以下である場合に、前記畜電部の電圧が、前記燃料電池の出力電圧および前記電力消費装置からの要求電圧のいずれの電圧よりも高いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記閾値は、出力の急激な上昇要求を伴う運転状態のときに前記燃料電池に対して発令される要求発電量であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。

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