JP2020077517A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、放電抵抗を別途設けることなく昇圧コンバータにおける平滑コンデンサの残留電荷を放電させる。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、昇圧コンバータと、インバータと、継電器と、コントローラを備える。昇圧コンバータは、平滑コンデンサと、ダイオードと、スイッチング素子とを備える。平滑コンデンサは、昇圧後の電力を平滑化する。ダイオードは、インバータから燃料電池へと逆流する逆流電流を防止する。スイッチング素子は、ダイオードと並列に接続されている。コントローラは、継電器をオン状態に維持している間はスイッチング素子をオフ状態に維持し、継電器をオン状態からオフ状態に切り替えた後にスイッチング素子をオフ状態からオン状態に切り替える。【選択図】図２

Description

本明細書は、燃料電池システムに関する技術を開示する。

燃料電池から出力される電力を用いて電動機（負荷）を駆動する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池および電動機のほか、昇圧コンバータと、継電器と、インバータとを備えている。昇圧コンバータは、燃料電池から出力される電力を昇圧する。継電器は、平滑コンデンサとインバータとの間の電気接点を開閉する。インバータは、燃料電池から昇圧コンバータを介して供給される電力を用いて電動機を制御する。昇圧コンバータには、平滑コンデンサおよびダイオードが含まれている。昇圧コンバータの平滑コンデンサは、昇圧後の電力（電流あるいは電圧）を平滑化する。昇圧コンバータのダイオードは、インバータから燃料電池への電流の逆流を防止する。

特開２０１８−３７２７２号公報

特許文献１の燃料電池システムでは、継電器をオフ状態にすることによって燃料電池システムを停止する際、昇圧コンバータにおける平滑コンデンサの残留電荷を放電させることについて十分な考慮がなされていなかった。

本明細書に開示する一形態は、燃料電池システムである。この燃料電池システムは、燃料電池と、昇圧コンバータと、インバータと、継電器と、コントローラとを備えている。昇圧コンバータは、燃料電池から出力される電力を昇圧する。インバータは、燃料電池から昇圧コンバータを介して供給される電力を用いて負荷を制御する。負荷の一例は電動機である。継電器は、昇圧コンバータとインバータとの間の電気接点を開閉する。コントローラは、昇圧コンバータおよび継電器を制御する。昇圧コンバータは、平滑コンデンサと、ダイオードと、スイッチング素子とを備えている。平滑コンデンサは、昇圧コンバータにおいて昇圧後の電力を平滑化する。ダイオードは、インバータから燃料電池への電流の逆流を防止する。スイッチング素子は、ダイオードと並列（逆並列）に接続されている。コントローラは、継電器をオン状態に維持している間はスイッチング素子をオフ状態に維持する。コントローラは、継電器をオン状態からオフ状態に切り替えた後にスイッチング素子をオフ状態からオン状態に切り替える。

上記形態の燃料電池システムによれば、継電器をオン状態に維持することによって負荷を駆動する際には、スイッチング素子をオフに保持してインバータから燃料電池への意図しない逆流電流を防止する。一方、継電器をオフ状態にすることによって燃料電池システムを停止する際には、放電抵抗を別途設けることなく、燃料電池の寄生容量によって平滑コンデンサの残留電荷を放電させることができる。なお、継電器をオン状態に維持することによって負荷を駆動する際には、インバータから燃料電池への意図しない逆流電流は好ましくないため、スイッチング素子をオフ状態に維持してダイオードによって逆流電流を防止する。継電器をオフ状態にした場合に継電器と燃料電池との間に蓄えられる電流電荷の上限電荷量は、主に平滑コンデンサの容量で決まるため予め特定できる。燃料電池がその上限電荷量に耐え得るように構成されていれば、燃料電池の寄生容量を利用して平滑コンデンサを放電させることができる。

燃料電池システムの構成を示す説明図である。 燃料電池システムを稼働状態から停止状態に切り替えた様子を示す説明図である。 燃料電池システムを稼働状態から停止状態に切り替えるときのタイムチャートである。

図１は、稼働状態にある燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１１０によって生成される電力を供給するシステムである。燃料電池システム１０は、車両（図示しない）に搭載され、車両を駆動する電動機１５０に電力を供給する。燃料電池システム１０は、燃料電池１１０のほか、昇圧コンバータ１２０と、継電器１３０と、インバータ１４０と、コントローラ２００とを備えている。燃料電池１１０の主要部品は燃料電池スタックである。燃料電池システム１０は、更に、コンバータ１６０と、二次電池１７０とを備えている。

燃料電池システム１０は、電力線ＰＬ１と、電力線ＰＬ２と、負極線ＮＬとを備えている。電力線ＰＬ１は、燃料電池１１０の正極出力端子に接続されている。電力線ＰＬ２は、継電器１３０を介してインバータ１４０の正極入力端子に接続されている。負極線ＮＬは、各機器の負極端子に接続されている。

燃料電池システム１０の燃料電池１１０は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電力を生成する。燃料ガスは水素であり、酸化ガスは空気である。燃料電池１１０は、燃料ガスおよび酸化ガスの供給に応じて電力を生成し、燃料ガスおよび酸化ガスの供給停止によって電力の生成を停止する。燃料電池１１０は、複数の発電セルを積層したスタック構造を有している。燃料電池１１０は、スタック構造に起因する容量成分である寄生容量Ｃ１を有している。

燃料電池システム１０の昇圧コンバータ１２０は、燃料電池１１０から出力される電力を昇圧する。昇圧コンバータ１２０は、コントローラ２００からの制御信号に基づいて動作する。昇圧コンバータ１２０は、リアクトルＬ１と、ダイオードＤ１、Ｄ２と、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と、平滑コンデンサＣ２を含んでいる。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。

リアクトルＬ１は、電力線ＰＬ１を介して燃料電池１１０に接続されている。ダイオードＤ１のアノードは、リアクトルＬ１に接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、電力線ＰＬ２に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、ダイオードＤ１と逆並列に接続されている。ダイオードＤ１は、リアクトルＬ１から電力線ＰＬ２に向けては電流を通すが、逆方向には電流を通さない。スイッチング素子Ｑ１は、オン状態に保持されている間、電力線ＰＬ２からリアクトルＬ１へ向けて電流を通すことができる。

稼働状態にある燃料電池システム１０では、スイッチング素子Ｑ１は、コントローラ２００からの制御信号に基づいてオフ状態を維持する。これによって、電力線ＰＬ２から電力線ＰＬ１へと流れる逆流電流を防止できる。

ダイオードＤ２のアノードは、負極線ＮＬに接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、リアクトルＬ１に接続されている。スイッチング素子Ｑ２は、ダイオードＤ２と逆並列に接続されている。ダイオードＤ２は、負極線ＮＬからリアクトルＬ１へ向けては電流を通すが、逆方向には電流を通さない。スイッチング素子Ｑ２は、オン状態に保持されている間、リアクトルＬ１から負極線ＮＬへ向けて電流を通すことができる。稼働状態にある燃料電池システム１０では、スイッチング素子Ｑ２は、コントローラ２００からの制御信号に基づいてオン状態とオフ状態とに切り替わる。

平滑コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２０において昇圧される電力（電流あるいは電圧）を平滑化する。平滑コンデンサＣ２は、電力線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に接続されている。

燃料電池システム１０の継電器１３０は、昇圧コンバータ１２０とインバータ１４０との間の電気接点を開閉するリレーである。継電器１３０は、昇圧コンバータ１２０とインバータ１４０との間における電力線ＰＬ２および負極線ＮＬの各電気接点を開閉する。稼働状態にある燃料電池システム１０では、継電器１３０は、コントローラ２００からの制御信号に基づいてオン状態に維持される。

燃料電池システム１０のインバータ１４０は、燃料電池１１０から昇圧コンバータ１２０を介して供給される電力を、電動機１５０の駆動電力（交流電力）に変換する。インバータ１４０は、継電器１３０を介して昇圧コンバータ１２０に接続されている。

燃料電池システム１０のコンバータ１６０は、インバータ１４０と二次電池１７０との間の電圧を変換する。コンバータ１６０は、継電器１３０とインバータ１４０の間に接続されている。

燃料電池システム１０の二次電池１７０は、電力を蓄える二次電池（例えば、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリなど）である。二次電池１７０は、電動機１５０に電力を供給可能に構成されているとともに、燃料電池１１０および電動機１５０によって生成される電力を充電可能に構成されている。

燃料電池システム１０のコントローラ２００は、昇圧コンバータ１２０および継電器１３０を制御する。コントローラ２００の機能は、コンピュータプログラムに基づいてソフトウェアで実現される。コントローラ２００の各部による機能の少なくとも一部は、回路構成に基づいてハードウェアで実現されてもよい。

稼働状態にある燃料電池システム１０では、コントローラ２００は、継電器１３０をオン状態に維持している間は、スイッチング素子Ｑ１をオフ状態に維持する。これによって、昇圧コンバータ１２０とインバータ１４０との間を電気的に接続するとともに、電力線ＰＬ２から電力線ＰＬ１へ流れる電流（逆流電流）を防止できる。

図２は、燃料電池システム１０を稼働状態から停止状態に切り替えたときの電流の流れを示す説明図である。コントローラ２００は、燃料電池１１０を停止した後に継電器１３０をオン状態からオフ状態に切り替える。燃料電池システム１０を稼働状態から停止状態に切り替える場合には、コントローラ２００は、継電器１３０をオン状態からオフ状態に切り替えた後にスイッチング素子Ｑ１をオフ状態からオン状態に切り替える。これによって、平滑コンデンサＣ２に残留する残留電荷Ｑは、電力線ＰＬ２、スイッチング素子Ｑ１およびリアクトルＬ１を介して、燃料電池１１０の寄生容量Ｃ１へと放電される。図２の点線矢印線が電流の流れを示している。

図３は、燃料電池システム１０を稼働状態から停止状態に切り替えるときの各部の動きを示すタイムチャートである。図３（ａ）は、燃料電池システム１０に対して稼働を指示する制御信号の動作状態であるシステム動作ＩＧの変化を示す。図３（ｂ）は、継電器１３０の動作状態である継電器動作Ｓｒｙの変化を示す。図３（ｃ）は、燃料電池１１０の動作状態である燃料電池動作Ｓｆｃの変化を示す。図３（ｄ）は、スイッチング素子Ｑ１の動作状態であるスイッチ動作Ｓｓｗの変化を示す。図３（ｅ）は、平滑コンデンサＣ２の電圧であるコンデンサ電圧Ｖｈの変化を示す。図３（ｆ）は、燃料電池１１０の電圧である燃料電池電圧Ｖｆｃの変化を示す。

システム動作ＩＧがオン状態からオフ状態に切り替わった場合（図３（ａ）、タイミングｔ１）、コントローラ２００は、燃料電池システム１０を稼働状態から停止状態に切り替えるため、継電器１３０をオン状態からオフ状態に切り替えるとともに（図３（ｂ）、タイミングｔ２）、燃料電池１１０を稼働状態から停止状態に切り替える（図３（ｃ）、タイミングｔ２）。燃料電池１１０の停止は、燃料電池１１０に対する燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止することによって実施される。継電器１３０をオン状態からオフ状態に切り替えた時点（タイミングｔ２）では、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態であり、コンデンサ電圧Ｖｈは、残留電荷Ｑに起因する電圧Ｖ１であり、燃料電池電圧Ｖｆｃは、停止直後後に維持されている電圧Ｖ３である。

燃料電池１１０を停止した後（図３（ｃ）、タイミングｔ２）、燃料ガスおよび酸化ガスが消費されることによって燃料電池電圧Ｖｆｃが停止直後の電圧Ｖ３から電圧Ｖ４へと十分に低下した場合、コントローラ２００は、スイッチング素子Ｑ１をオフ状態からオン状態に切り替える（図３（ｄ）、タイミングｔ３）。これによって、図２に示したように、平滑コンデンサＣ２の残留電荷Ｑが燃料電池１１０の寄生容量Ｃ１へと放電される。その結果、コンデンサ電圧Ｖｈは、残留電荷Ｑに起因する電圧Ｖ１から、動作停止時に推奨される基準電圧Ｖ２以下へと低下する。燃料電池電圧Ｖｆｃは、平滑コンデンサＣ２から燃料電池１１０への放電に伴って増加する。

以上説明した実施形態によれば、継電器１３０をオン状態に維持している間はスイッチング素子Ｑ１をオフ状態に保持することによって、電動機１５０を駆動する際にはインバータ１４０から燃料電池１１０への意図しない逆流電流が防止される。一方、継電器１３０をオフ状態にすることによって燃料電池システム１０を停止する際には、放電抵抗を別途設けることなく、燃料電池１１０の寄生容量Ｃ１を活用して平滑コンデンサＣ２の残留電荷Ｑを放電させることができる。継電器１３０をオン状態に維持して電動機１５０を駆動する際には、インバータ１４０から燃料電池１１０への意図しない逆流電流は好ましくないため、スイッチング素子Ｑ１をオフ状態に維持してダイオードＤ１によって逆流電流を防止できる。継電器１３０をオフ状態にした場合に継電器１３０と燃料電池１１０との間に蓄えられる電流電荷の上限電荷量は、主に平滑コンデンサＣ２の容量で決まるため予め特定できる。燃料電池１１０がその上限電荷量に耐え得るように構成されていれば、燃料電池１１０の寄生容量Ｃ１を利用して平滑コンデンサＣ２を放電させることができる。

本明細書が開示する技術は、走行用のモータとエンジンを備えるハイブリッド車や、燃料電池とともにバッテリを備えている自動車に適用することもできる。また、本明細書が開示する技術は、電動機以外の負荷を制御する燃料電池システムに適用することも可能である。

以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載した組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面において説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：燃料電池システム
１１０：燃料電池
１２０：昇圧コンバータ
１３０：継電器
１４０：インバータ
１５０：電動機（負荷）
１６０：コンバータ
１７０：二次電池
２００：コントローラ
Ｃ１：寄生容量
Ｃ２：平滑コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２：ダイオード
Ｌ１：リアクトル
ＮＬ：負極線
ＰＬ１、ＰＬ２：電力線
Ｑ：残留電荷
Ｑ１、Ｑ２：スイッチング素子
Ｓｆｃ：燃料電池動作
Ｓｒｙ：継電器動作
Ｓｓｗ：スイッチ動作

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池から出力される電力を昇圧する昇圧コンバータと、
   前記燃料電池から前記昇圧コンバータを介して供給される電力を用いて負荷を制御するインバータと、
   前記昇圧コンバータと前記インバータとの間の電気接点を開閉する継電器と、
   前記昇圧コンバータおよび前記継電器を制御するコントローラと、
   を備えており、
   前記昇圧コンバータは、
   昇圧後の電力を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記インバータから前記燃料電池への電流の逆流を防止するダイオードと、
   前記ダイオードと並列に接続されたスイッチング素子と、
   を備えており、
   前記コントローラは、前記継電器をオン状態に維持している間は前記スイッチング素子をオフ状態に維持し、前記継電器をオン状態からオフ状態に切り替えた後に前記スイッチング素子をオフ状態からオン状態に切り替える、燃料電池システム。

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