JP2015088240A

JP2015088240A - 燃料電池の電圧補償装置

Info

Publication number: JP2015088240A
Application number: JP2013223423A
Authority: JP
Inventors: 道岡　力; Tsutomu Michioka; 力道岡
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2015-05-07

Abstract

【課題】簡素かつ安価な構成で、燃料電池の出力電圧の過渡的な低下を補償することができる、燃料電池の電圧補償装置を提供する。【解決手段】燃料電池２からインバータ５への給電回路の一部を構成するプラス配線３には、電流の逆流を防止するためのダイオード２２が設けられている。このダイオード２２と並列かつ燃料電池２と直列に、絶縁型電源２３が設けられている。絶縁型電源２３とプラス配線３との間には、開閉器２４が設けられている。開閉器２４が閉じられると、絶縁型電源２３が燃料電池２と直列に接続される。これにより、燃料電池２から出力される電流は、ダイオード２２の逆流防止機能によりダイオード２２を流れず、絶縁型電源２３を通して流れる。その結果、燃料電池２の出力電圧に絶縁型電源２３の出力電圧が重畳される。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の電圧補償装置に関する。

燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードにヒドラジンなどの燃料が供給されるとともに、カソードに空気が供給されると、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。

燃料電池を用いた燃料電池システムでは、たとえば、燃料電池から電力の供給を受ける負荷に流れる電流が急増し、燃料電池の出力電流が急増すると、燃料電池のＩＶ特性および出力応答性により、燃料電池の出力電圧が過渡的に低下する。この燃料電池の出力電圧の過渡的な低下により、負荷に供給される電圧が所定の入力下限電圧を下回ったり、フェイルセーフ機能が作動して、燃料電池システムの動作が停止したりする場合がある。そのため、燃料電池システムでは、二次電池が燃料電池と並列に設けられており、燃料電池の出力電圧が過渡的に低下したときには、その低下が二次電池の出力電圧により補償される。

特許第４１４９４６３号公報

しかしながら、かかる構成では、大容量かつ高電圧を出力する二次電池が必要であり、燃料電池システムが高価になる。

本発明の目的は、簡素かつ安価な構成で、燃料電池の出力電圧の過渡的な低下を補償することができる、燃料電池の電圧補償装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池の電圧補償装置は、燃料電池から負荷への給電回路の一部を構成する配線の途中部に設けられ、当該配線における電流の逆流を防止するためのダイオードと、配線に接続され、燃料電池に対して直列かつダイオードに対して並列に設けられた絶縁型電源と、絶縁型電源と配線との間に設けられた開閉器とを含む。

この構成によれば、燃料電池から負荷への給電回路の一部を構成する配線には、電流の逆流を防止するためのダイオードが設けられている。このダイオードと並列かつ燃料電池と直列に、絶縁型電源が設けられている。絶縁型電源と配線との間には、開閉器が設けられている。

開閉器が開かれた状態では、絶縁型電源が配線から電気的に切り離されるので、燃料電池から出力される電流は、ダイオードを通して、配線を負荷に向けて流れる。

開閉器が閉じられると、絶縁型電源が燃料電池と直列に接続される。この状態では、燃料電池から出力される電流は、ダイオードの逆流防止機能によりダイオードを流れず、絶縁型電源を通して流れる。これにより、燃料電池の出力電圧に絶縁型電源の出力電圧が重畳される。よって、燃料電池の出力電圧が過渡的に低下したときに、開閉器が閉じられることにより、その出力電圧の過渡的な低下を絶縁型電源の出力電圧で補償することができる。

この電圧補償装置が燃料電池を備える燃料電池システムに用いられることにより、燃料電池の出力電圧の過渡的な低下を補償するため大容量かつ高電圧を出力する二次電池が燃料電池システムから不要になる。よって、燃料電池システムのコストの低減を図ることができる。また、燃料電池の出力電圧の過渡的な低下が補償されるので、負荷に電力を安定して供給することができる。さらには、燃料電池の出力電圧の低下に起因する燃料電池システムの動作停止を回避することができ、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

電圧補償装置は、配線を流れる電流値を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出される電流値の単位時間あたりの変化量が所定値以上である場合に、開閉器を閉じる開閉制御手段とをさらに含む構成であってもよい。

この構成により、燃料電池の出力電流の急変により、燃料電池の出力電圧が過渡的に低下したときに、開閉器が閉じられるので、その出力電圧の過渡的な低下を良好に補償することができる。

また、絶縁型電源と並列に、キャパシタ（コンデンサ）が設けられてもよい。

この場合、開閉器が閉じられたときに、キャパシタの放電によっても、燃料電池の出力電圧の低下を補償できる。よって、絶縁型電源の容量を低下させることができ、さらに安価な構成を実現することができる。

本発明によれば、簡素かつ安価な構成で、燃料電池の出力電圧の過渡的な低下を補償することができる。よって、その補償のための大容量かつ高電圧を出力する二次電池を燃料電池システムから不要にすることができ、燃料電池システムのコストの低減を図ることができる。また、燃料電池の出力電圧の過渡的な低下が補償されるので、負荷に電力を安定して供給することができ、負荷を安定して動作させることができる。さらには、燃料電池の出力電圧の低下に起因する燃料電池システムの動作停止を回避することができ、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る電圧補償装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池の出力電流および出力電圧ならびに絶縁型電源の出力電圧の時間変化の一例を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電圧補償装置２１を備えた燃料電池システム１の構成を示す図である。

燃料電池システム１は、燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）２を備えている。燃料電池２は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。このセルスタックは、セルの積層方向の両側から出力端子付の集電板によって挟まれ、さらにその両外側からエンドプレートに挟まれている。各セルは、固体高分子膜の両側にアノードおよびカソードを貼り合わせて一体化した膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。一方の集電板と、積層されたセルと、他方の集電板とが電気的に接続されている。

積層されたセルのカソード側と電気的に接続された集電板の端子には、プラス配線３の一端が接続されている。また、アノード側と電気的に接続された集電板の端子には、マイナス配線４の一端が接続されている。プラス配線３およびマイナス配線４の各他端は、（ＤＣ−ＡＣ）インバータ５に接続されている。インバータ５には、交流電力で動作するＡＣ負荷６が接続されている。

燃料電池システム１が家屋などに非常用電源として設置される場合、ＡＣ負荷６として、交流電力で動作する家電製品を例示することができる。

燃料電池システム１は、燃料電池２のアノードに燃料を供給する燃料供給機構７と、燃料電池２のカソードにエアを供給するエア供給機構８と、燃料電池２を冷却する冷却機構９とを備えている。

燃料供給機構７により燃料電池２のアノードに燃料が供給され、エア供給機構８により燃料電池２のカソードにエアが供給されると、燃料電池２において、発電反応（電気化学反応）が生じ、プラス配線３およびマイナス配線４に電流が流れる。

たとえば、水加ヒドラジンを燃料とする燃料電池２では、燃料供給機構７により燃料電池２のアノードに水加ヒドラジンが供給され、エア供給機構８により燃料電池２のカソードにエアが供給されると、アノードにおいて、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）および電子（ｅ⁻）が生成される。電子は、アノードから集電板を介して、マイナス配線４に流出する。一方、プラス配線３から集電板を介してアノードに電子が流れ込み、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ⁻）が生成される。アニオンは、固体高分子膜を透過して、アノードに移動する。

Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ ・・・（２）

燃料電池２における発電反応に伴って、反応熱が発生し、この反応熱により燃料電池２が昇温する。燃料電池２が高温になると、発電効率が低下するので、燃料電池２の発電時には、冷却機構９により燃料電池２が冷却される。

燃料電池システム１には、システムメインリレー１０が設けられている。システムメインリレー１０がオンされると、燃料電池２が出力する直流電力がインバータ５に供給される。具体的には、システムメインリレー１０は、プラス配線３の途中部に設けられたプラス側リレー１１と、マイナス配線４の途中部に設けられたマイナス側リレー１２と、予備充電リレー１３および予備充電抵抗１４の直列回路からなる予備充電回路１５とを含む。予備充電回路１５は、プラス配線３に接続され、プラス側リレー１１と並列に設けられている。

システムメインリレー１０がオンされるときには、突入電流を抑制するため、プラス側リレー１１のオンに先立ち、マイナス側リレー１２および予備充電リレー１３がオンされる。これにより、燃料電池２からプラス配線３に出力される電流が予備充電抵抗１４を流れ、インバータ５に設けられたコンデンサ（図示せず）が予備充電される。そして、コンデンサの予備充電により、そのコンデンサの電圧と燃料電池２の出力電圧との差が小さくなった後、プラス側リレー１１がオンされるとともに、予備充電リレー１３がオフされる。

システムメインリレー１０がオンされて、燃料電池２からインバータ５に直流電力が供給されると、インバータ５により、その直流電力が交流電力に変換されて、交流電力がＡＣ負荷６に供給される。

また、燃料電池システム１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６および低電圧バッテリ１７を備えている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１６の入力側のプラス端子およびマイナス端子は、それぞれプラス配線３およびマイナス配線４と電気的に接続されている。

低電圧バッテリ１７は、たとえば、１２Ｖ二次電池からなる。低電圧バッテリ１７のプラス端子およびマイナス端子は、それぞれＤＣ−ＤＣコンバータ１６の出力側のプラス端子およびマイナス端子と電気的に接続されている。

システムメインリレー１０がオンされている状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６が動作することにより、燃料電池２から出力される直流電力が降圧され、その降圧された直流電で低電圧バッテリ１７が充電される。

さらに、燃料電池システム１は、燃料電池２の出力電圧の過渡的な低下を補償するための電圧補償装置２１を備えている。

電圧補償装置２１には、ダイオード２２、絶縁型電源２３、開閉器２４、キャパシタ２５、電流センサ２６および開閉器制御部２７が含まれる。

ダイオード２２は、プラス配線３の途中部であって、システムメインリレー１０とインバータ５との間に設けられている。ダイオード２２は、燃料電池２からインバータ５側に流れる電流を通し、その逆方向の電流の流れを阻止する。

絶縁型電源２３は、ダイオード２２と並列かつ燃料電池２と直列に設けられている。また、絶縁型電源２３には、低電圧バッテリ１７が接続されている。具体的には、低電圧バッテリ１７は、絶縁型電源２３の１次側（入力側）に接続されている。絶縁型電源２３の２次側（出力側）の高電位側および低電位側の端子には、それぞれ配線２８，２９の一端が接続されている。配線２８の他端は、プラス配線３におけるダイオード２２とインバータ５との間に接続されている。配線２９の他端は、プラス配線３におけるシステムメインリレー１０とダイオード２２との間に接続されている。

開閉器２４は、配線２８の途中部に設けられている。

キャパシタ２５は、開閉器２４よりも絶縁型電源２３側において、配線２８，２９間に設けられている。

電流センサ２６は、プラス配線３における配線２８の接続点とインバータ５との間を流れる電流値を検出する。

開閉器制御部２７は、たとえば、燃料電池システム１の全体を制御するＦＣ制御装置に機能処理部として備えられている。すなわち、ＦＣ制御装置は、マイクロコンピュータを含む構成であり、開閉器制御部２７は、そのマイクロコンピュータが実行するプログラム処理によりソフトウエア的に実現される。開閉器制御部２７は、電流センサ２６により検出される電流値に基づいて、開閉器２４の開閉を制御する。

図２は、燃料電池２の出力電流および出力電圧ならびに絶縁型電源２３の出力電圧の時間変化の一例を示すグラフである。

燃料電池システム１の定常運転中は、開閉器２４が開かれており、絶縁型電源２３がプラス配線３から電気的に切り離されている。そのため、燃料電池２からプラス配線３に出力される電流は、ダイオード２２を通して、インバータ５に向けて流れる。また、絶縁型電源２３の出力電圧によって、キャパシタ２５が充電される。

ＡＣ負荷６に流れる電流が急増し、燃料電池２の出力電流が急増すると、燃料電池２のＩＶ特性および出力応答性により、燃料電池２の出力電圧が過渡的に低下する。電流センサ２６により検出される電流値が急増し（時刻Ｔ１）、その電流値の単位時間あたりの増加量が所定値を超えると、開閉器２４が閉じられる（時刻Ｔ２）。開閉器２４が閉じられると、絶縁型電源２３およびキャパシタ２５が燃料電池２と直列に接続される。これにより、燃料電池２からプラス配線３に出力される電流は、ダイオード２２の逆流防止機能によりダイオード２２を流れず、絶縁型電源２３を通して流れる。その結果、燃料電池２の出力電圧に絶縁型電源２３の出力電圧が重畳される。また、キャパシタ２５の電圧が燃料電池２の出力電圧に重畳される。これにより、燃料電池２の出力電圧の過渡的な低下を補償することができる。

その後、電流センサ２６により検出される電流値の変化が収まり、燃料電池２の出力電流が定常状態に戻ると、開閉器２４が開かれる（時刻Ｔ３）。

以上のように、燃料電池２の出力電流が急増し、燃料電池２の出力電圧が過渡的に低下したときに、開閉器２４が閉じられて、燃料電池２の出力電圧に絶縁型電源２３の出力電圧が重畳されることにより、その出力電圧の過渡的な低下を補償することができる。そのため、燃料電池２の出力電圧の過渡的な低下を補償するために、大容量かつ高電圧を出力する二次電池を燃料電池システム１に備える必要がない。よって、燃料電池システム１のコストを低減することができる。また、燃料電池２の出力電圧の過渡的な低下が補償されるので、ＡＣ負荷６に電力を安定して供給することができる。さらには、燃料電池２の出力電圧の低下に起因する燃料電池システム１の動作停止を回避することができ、燃料電池システム１の信頼性を向上させることができる。

また、電圧補償装置２１では、キャパシタ２５が設けられており、キャパシタ２５の放電によっても燃料電池２の出力電圧の低下を補償できる。これにより、絶縁型電源２３の容量を低下させることができるので、電圧補償装置２１のコスト、ひいては燃料電池システム１のコストのさらなる低減を図ることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、キャパシタ２５の容量が大きくされて、キャパシタ２５の電圧により燃料電池２の出力電圧の過渡的な低下が補償され、絶縁型電源２３は、キャパシタ２５の充電のため、または、キャパシタ２５の充電および燃料電池２の出力電圧の過渡的な低下を補助的に補償するために設けられてもよい。これにより、絶縁型電源２３の容量を一層小さくすることができ、電圧補償装置２１のコスト、ひいては燃料電池システム１のコストの一層の低減を図ることができる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１燃料電池システム
２燃料電池
３プラス配線（配線）
５インバータ（負荷）
６ＡＣ負荷（負荷）
２１電圧補償装置
２２ダイオード
２３絶縁型電源
２４開閉器
２６電流センサ（電流検出手段）
２７開閉器制御部（開閉制御手段）

Claims

燃料電池から負荷への給電回路の一部を構成する配線の途中部に設けられ、当該配線における電流の逆流を防止するためのダイオードと、
前記配線に接続され、前記燃料電池に対して直列かつ前記ダイオードに対して並列に設けられた絶縁型電源と、
前記絶縁型電源と前記配線との間に設けられた開閉器とを含む、燃料電池の電圧補償装置。
前記配線を流れる電流値を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出される電流値の単位時間あたりの変化量が所定値以上である場合に、前記開閉器を閉じる開閉制御手段とをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池の電圧補償装置。