JP2011090823A

JP2011090823A - 燃料電池と電力変換装置とを備える電源装置の停止方法

Info

Publication number: JP2011090823A
Application number: JP2009241998A
Authority: JP
Inventors: Kota Manabe; 晃太真鍋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-21
Also published as: JP5521481B2

Abstract

【課題】燃料電池と電力変換装置とを備える電源装置の運転停止時に、燃料電池の劣化を抑制しつつ、燃料電池、および、電力変換装置に残留する残留電荷を除去する。
【解決手段】電源装置は、燃料電池と、燃料電池から出力された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置（昇圧コンバータ、および、インバータ）と、を備える。この電源装置の運転停止時に、燃料電池に燃料ガスを供給しつつ、燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止し、燃料電池に残留する残留電荷、および、電力変換装置が備えるコンデンサに残留する残留電荷を放電させ、その後、燃料電池への燃料ガスの供給を停止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池と電力変換装置とを備える電源装置の停止方法に関するものである。

従来、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池を備える電源装置が注目されている。この電源装置では、運転停止時に、燃料電池への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止されても、燃料電池の内部に残留する燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電が行われて電荷（残留電荷）が残留し、燃料電池の電圧が上昇する。そして、この残留電荷による電圧の上昇は、燃料電池における電解質層を傷めるおそれがある。このため、燃料電池に残留する残留電荷の除去（放電）が行われる（例えば、下記特許文献１〜３参照）。

特開２００４−７１５０４号公報特開２００６−１４７１７７号公報特開２００９−２６６４５号公報

しかし、上述した残留電荷の除去が、燃料電池の内部に残留する燃料ガスが欠乏した状態、すなわち、燃料電池の内部に酸化剤ガスが十分に残存する状態で行われると、燃料電池（膜電極接合体）のカソードにおいて、カソードが備える触媒担体（例えば、カーボン）が、燃料電池の内部に残留する酸化剤ガスによって酸化され、燃料電池（主として、カソード）の劣化を招くという課題があった。このような課題は、電源装置が、燃料電池の他に、燃料電池から出力された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を備える場合に、特に顕著だった。電力変換装置は、一般に、コンデンサを備えており、上記残留電荷は、電力変換装置が備えるコンデンサにも残留するからである。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池と電力変換装置とを備える電源装置の運転停止時に、燃料電池の劣化を抑制しつつ、燃料電池、および、電力変換装置に残留する残留電荷を除去することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池と、前記燃料電池から出力された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、を備える電源装置の停止方法であって、前記燃料電池に燃料ガスを供給しつつ、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止する工程と、前記燃料電池に残留する残留電荷を放電させる工程と、前記電力変換装置に残留する残留電荷を放電させる工程と、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止する工程と、を備える電源装置の停止方法。

適用例１では、電源装置の停止時に、燃料電池に燃料ガスを供給しつつ、燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止するので、酸化剤ガスの供給を停止した後も、燃料電池の内部に残留する酸化剤ガスは、発電によって消費され続ける。そして、燃料電池の内部に残留する酸化剤ガスが十分に消費された後に、燃料電池に残留する残留電荷の除去を行い、さらに、電力変換装置が備えるコンデンサに残留する残留電荷の除去を行う。そして、これらの残留電荷の除去を行った後に、燃料電池への燃料ガスの供給を停止する。したがって、先に説明した燃料電池の劣化を抑制しつつ、燃料電池、および、電力変換装置が備えるコンデンサに残留する残留電荷を除去することができる。

なお、上記電力変換装置は、インバータ（例えば、ＤＣ／ＡＣインバータ）や、コンバータ（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ）を含み得る。

本発明の一実施例としての電源システム１００の概略構成を示す説明図である。電源システム１００の運転停止処理の流れを示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．電源システム：
図１は、本発明の一実施例としての電源システム１００の概略構成を示す説明図である。この電源システム１００は、燃料電池スタック１０と、電力変換装置２０と、電圧センサ３０と、制御ユニット４０と、を備えている。電圧センサ３０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する。

電力変換装置２０は、ＦＣ昇圧コンバータ２２と、リレー２４ａ，２４ｂと、駆動インバータ２６と、電圧センサ２８と、を備えている。ＦＣ昇圧コンバータ２２は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧する。このＦＣ昇圧コンバータ２２は、ＰＷＭ方式（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation；パルス幅変調）のＤＣ／ＤＣコンバータである。電圧センサ２８は、ＦＣ昇圧コンバータ２２の出力電圧を検出する。駆動インバータ２６は、ＦＣ昇圧コンバータ２２から出力された直流電流を交流電流に変換して、駆動モータ５０に供給する。なお、ＦＣ昇圧コンバータ２２、および、駆動インバータ２６は、それぞれ、図示しないコンデンサを備えている。

また、図示するように、駆動インバータ２６には、バッテリ６０、および、バッテリ６０の出力を昇圧するＢＡＴ昇圧コンバータ６２（ＤＣ／ＤＣコンバータ）が接続されている。バッテリ６０には、燃料電池スタック１０によって発電された電力を充電することも可能である。また、電源システム１００、および、ＢＡＴ昇圧コンバータ６２には、直流電流を交流電流に変換して、エアコンプレッサ８０ａや、水素ポンプ８０ｂや、ウォータポンプ８０ｃ等の補機に供給するための補機インバータ７０が接続されている。

なお、エアコンプレッサ８０ａは、燃料電池スタック１０のカソードに、酸化剤ガスとしての空気を供給するために利用される。また、水素ポンプ８０ｂは、燃料電池スタック１０のアノードに、アノードから排出された、水素を含むアノードオフガスを循環させるために利用される。また、ウォータポンプ８０ｃは、燃料電池スタック１０内に冷却水を流すために利用される。

制御ユニット４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、後述する電源システム１００の運転停止処理を含む各種制御を行う。以下、電源システム１００の運転停止処理について説明する。

Ｂ．電源システムの運転停止処理：
図２は、電源システム１００の運転停止処理の流れを示す説明図である。この処理は、制御ユニット４０が備えるＣＰＵが実行する処理である。

制御ユニット４０に電源システム１００の運転停止指示が入力されると、制御ユニット４０は、時刻ｔ１において、エアコンプレッサ８０ａを停止して、燃料電池スタック１０への空気の供給を停止する。また、制御ユニット４０は、燃料電池スタック１０の外部から内部への空気の流入を防止するために、燃料電池スタック１０のカソードから排出されるカソードオフガスの排気も停止する。なお、このとき、燃料電池スタック１０への水素の供給は継続されている。このため、燃料電池スタック１０の内部に残留する酸素と、燃料電池スタック１０に供給された水素とによって、発電は継続され、燃料電池スタック１０には電荷（残留電荷）が残留する。

そして、制御ユニット４０は、電圧センサ３０による検出電圧を参照しつつ、ＦＣ昇圧コンバータ２２のＰＷＭ制御によって、燃料電池スタック１０に残留する残留電荷を放電させて、燃料電池スタック１０の出力電圧を下限電圧まで低下させる。すなわち、燃料電池スタック１０の内部に残留する酸素を、発電によって、できるだけ消費させる。このときの下限電圧は、ＦＣ昇圧コンバータ２２のＰＷＭ制御におけるパルス幅によって定まる。この下限電圧は、０（Ｖ）に近いほど好ましい。

そして、制御ユニット４０は、燃料電池スタック１０の出力電圧が下限電圧まで低下すると、時刻ｔ２において、ＦＣ昇圧コンバータ２２の運転を停止する。その後、制御ユニット４０は、時刻ｔ３において、電圧センサ２８による検出電圧を参照しつつ、駆動インバータ２６を制御し、ＦＣ昇圧コンバータ２２が備えるコンデンサ、および、駆動インバータ２６が備えるコンデンサに蓄電された電荷を放電させて、駆動インバータ２６に入力される電圧（インバータ電圧）を所定値未満（本実施例では、人が感電死しない４２（Ｖ）未満）に低下させる。この放電は、バッテリ６０に蓄電したり、駆動モータ５０等の負荷に電流を流したりすることによって行われる。

そして、制御ユニット４０は、インバータ電圧が４２（Ｖ）未満に低下すると、時刻ｔ４において、水素ポンプ８０ｂを停止するとともに、燃料電池スタック１０への水素の供給を停止する。その後、制御ユニット４０は、時刻ｔ５において、リレー２４ａ，２４ｂを切断し、電源システム１００の運転停止処理を終了する。なお、電源システム１００の運転停止処理において、燃料電池スタック１０への水素の供給を停止した後に、燃料電池スタック１０の内部に残留する水素を掃気するようにしてもよい。

上述した電源システム１００の運転停止時に、燃料電池スタック１０への水素および空気の供給を同時に停止して、燃料電池スタック１０の内部に残留する残留電荷の除去（放電）を行う場合、この残留電荷の除去が、燃料電池スタック１０の内部に残留する水素が欠乏した状態、すなわち、燃料電池スタック１０の内部に酸素が十分に残存する状態で行われると、燃料電池スタック１０の劣化を招く。これは、燃料電池スタック１０のカソードにおいて、カソードが備える触媒担体（例えば、カーボン）が、燃料電池スタック１０の内部に残留する酸素によって酸化されることに起因する。

これに対し、以上説明した本実施例の電源システム１００の運転停止処理では、燃料電池スタック１０に水素を供給しつつ、燃料電池スタック１０への空気の供給を停止するので、空気の供給を停止した後も、燃料電池スタック１０の内部に残留する酸素は、発電によって消費され続ける。そして、燃料電池スタック１０内に残留する酸素が、発電によって十分に消費された後に、燃料電池スタック１０に残留する残留電荷の除去を行い、さらに、電力変換装置２０が備えるコンデンサに残留する残留電荷の除去を行う。そして、これらの残留電荷の除去を行った後に、燃料電池スタック１０への水素の供給を停止する。したがって、先に説明した燃料電池スタック１０の劣化を抑制しつつ、燃料電池スタック１０に残留する残留電荷、および、電力変換装置２０が備えるコンデンサに残留する残留電荷を除去することができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、電力変換装置２０は、ＦＣ昇圧コンバータ２２を備えるものとしたが、ＦＣ昇圧コンバータ２２を省略してもよい。この場合、燃料電池スタック１０に残留する残留電荷の除去は、例えば、先に説明した、ＦＣ昇圧コンバータ２２が備えるコンデンサに蓄電された電荷の放電と同様に、駆動インバータ２６の制御によって行うようにしたり、別途、放電回路を設けるようにしたりすればよい。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、図２に示した電源システム１００の運転停止制御において、制御ユニット４０は、時刻ｔ３において、ＦＣ昇圧コンバータ２２が備えるコンデンサに蓄電された電荷の放電を開始するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、この放電を、時刻ｔ１において開始するようにしてもよい。

１０…燃料電池スタック
２０…電力変換装置
２２…ＦＣ昇圧コンバータ
２４ａ，２４ｂ…リレー
２６…駆動インバータ
２８…電圧センサ
３０…電圧センサ
４０…制御ユニット
５０…駆動モータ
６０…バッテリ
６２…ＢＡＴ昇圧コンバータ
７０…補機インバータ
８０ａ…エアコンプレッサ
８０ｂ…水素ポンプ
８０ｃ…ウォータポンプ
１００…電源システム

Claims

燃料電池と、前記燃料電池から出力された直流電力を交流電力に変換する電力変換装置と、を備える電源装置の停止方法であって、
前記燃料電池に燃料ガスを供給しつつ、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止する工程と、
前記燃料電池に残留する残留電荷を放電させる工程と、
前記電力変換装置に残留する残留電荷を放電させる工程と、
前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止する工程と、
を備える電源装置の停止方法。