JP2023069229A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長を行うこと。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料ガスと、酸化剤ガスと、により電力を生成する燃料電池ＦＣと、蓄電装置Ｓと、燃料電池ＦＣ及び、蓄電装置Ｓと電気的に接続されるとともに、燃料電池ＦＣの電圧を所定の電圧に変換するＤＣＤＣコンバータＣｎｖと、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖ及び、燃料電池ＦＣを制御する制御部Ｃｎｔと、を備える。制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣの発電量Ｗｉｎが負荷が要求する電力量Ｗｏｕｔよりも低い状態において、所定条件を満たした場合に、燃料電池ＦＣへ供給する酸化剤ガスの供給量を増加させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの状態を判定するために、燃料電池の電圧閾値により異常を判定する燃料電池システムが存在する。燃料電池システムは、所定の電圧閾値に対する判定結果に基づいて、起動するか否かを判定することができる。

燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後から燃料電池の電圧が所定の電圧閾値以上に到達したか否かの判定結果に基づいて、燃料電池システムの起動を継続することが可能か否かを診断する燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池の電圧を所定電圧に変換する昇圧コンバータ（ＤＣＤＣコンバータ）と、昇圧コンバータと負荷との間に接続される蓄電装置とを備える燃料電池システムが存在する。燃料電池システムは、燃料電池による発電を停止した際に、燃料電池の電圧が蓄電装置の電圧よりも高くなるように燃料電池セルの枚数を設定し、発電を停止した際に燃料電池で発生する電力を昇圧コンバータに設けられたダイオードによる経路等によって蓄電装置に充電可能な状態とすることで、昇圧コンバータを動かさずに受動的な降圧動作（以下、「パッシブ降圧」とも呼ぶ）によって燃料電池の高電位回避を行うことができつつ、必要十分な燃料電池セルの枚数を確保し、燃料電池の出力を最適とした状態とすることができる。

特開２００７－１６５０８２号公報

昇圧コンバータを適用した燃料電池システムにおいてパッシブ降圧が行われる場合、昇圧コンバータの２次側に接続された蓄電装置の電圧が低いほど燃料電池と蓄電装置との電位差が大きくなるため、受動的な降圧動作で大きな電流が流れることとなる。燃料電池へ供給される酸化剤ガスは、目標発電量に対して水素と不足なく反応するように供給されるよう、供給量が制御されるが、燃料電池と蓄電装置との電位差が大きくなることで、目標発電量に対して酸化剤ガスが不足してしまう（以下、「エア欠状態」とも呼ぶ）。すなわち、パッシブ降圧により、燃料電池の目標発電量以上の電力が意図せず燃料電池から持ち出される現象が生じ、その結果、エア欠状態となり燃料電池の電力－電流特性が悪化する。例えば、燃料電池システムがフォークリフト等の産業車両で利用されている場合において、坂道を継続して上り続けているときなど、通常よりも大きな出力が要求された場合、蓄電装置からの持ち出しが大きくなるため、蓄電装置のＳＯＣ（State Of Charge）が下がって蓄電装置の電圧が低下する。このため、燃料電池の電力－電圧特性（ＰＶ特性）が悪化するとともに、蓄電装置が過放電状態となり、燃料電池システムが停止してしまう場合もある。本発明の一側面に係る目的は、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長を行うことが可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明に係る一つの態様の燃料電池システムは、燃料ガスと、酸化剤ガスと、により電力を生成する燃料電池スタックと、蓄電装置と、前記燃料電池スタック及び、前記蓄電装置と電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタックの電圧を所定の電圧に変換する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータ及び、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電量が負荷が要求する電力量よりも低い状態において、所定条件を満たした場合に、前記燃料電池スタックへ供給する前記酸化剤ガスの供給量を増加させる。

これにより、燃料電池スタックの発電量が負荷が要求する電力量よりも低い状態において、所定条件を満たした場合には、パッシブ降圧が行われているとして、燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガスの供給量を増加させエア欠状態を解消することで燃料電池スタックのＰＶ特性を改善する。燃料電池スタックのＰＶ特性が改善されることにより、燃料電池スタックの発電量が増加し、蓄電装置の電力の持ち出しを抑えることで、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長（延命）を行うことができる。

また、所定条件は、前記燃料電池スタックの電圧が、前記蓄電装置の電圧より大きく、前記昇圧コンバータを流れる電流が０以上であり、前記昇圧コンバータのデューティ比が０である。これにより、ＤＣＤＣコンバータの動作が行われていないにもかかわらず、受動的にＤＣＤＣコンバータに電流が流れている状態をいうパッシブ降圧が行われている場合には、燃料電池スタックへ供給する酸化剤ガスの供給量を増加させることにより、燃料電池スタックの発電量を増加させ、蓄電装置の電力の持ち出しを抑えて、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長（延命）を行うことができる。

また、前記制御部は、前記燃料電池システムを構成する部品温度が閾値以上となった場合には、前記燃料電池スタックは供給される前記酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻す、または供給量を減少させる。これにより、燃料電池システムを稼働する各部品の稼働状態を通常状態に戻して温度上昇を防ぐことができ、過熱による燃料電池システムの故障を抑制することができる。

本発明によれば、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長を行うことができる。

本発明の実施形態に係わる燃料電池システムの一例を示す図である。 燃料電池と蓄電装置の電圧と電力との関係を示す図である。 燃料電池システムの制御状態の遷移の一例を示す図である。 燃料電池システムの制御部が実行する燃料電池制御処理の一例を示す図である。 別実施形態に係わる燃料電池システムの一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係わる燃料電池システムの一例を示す図である。

図１に示す燃料電池システム１は、フォークリフトなどの産業車両や電気自動車などの車両Ｖｅに搭載され、負荷Ｌｏに電力を供給する。なお、負荷Ｌｏは、走行用モータ、電装部品、コンピュータやメモリなどに電力を供給するためのシステム電源などである。なお、燃料電池システム１は車両以外にも、定置型の非常用発電機などにも適用可能である。

また、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、水素タンクＨｔと、コンプレッサＣｐと、電流検出部Ｓｉ０、Ｓｉ４と、電圧検出部Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３と、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖと、蓄電装置Ｓと、制御部Ｃｎｔと、温度センサＴｓとを備える。

ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、昇圧コンバータの一例である。ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、燃料電池ＦＣと、蓄電装置Ｓとの間に接続される。ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、リアクトルＲｅ１、Ｒｅ２、Ｒｅ３と、電流検出部Ｓｉ１、Ｓｉ２、Ｓｉ３と、６つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６と、６つのダイオードＤ１～Ｄ６と、コンデンサＣｏとを備えている。

水素タンクＨｔは、制御部Ｃｎｔの制御に基づいて燃料電池ＦＣのアノードに対して、発電のための燃料ガスとなる水素（アノードガス）を供給する。コンプレッサＣｐは、制御部Ｃｎｔの制御に基づいて燃料電池ＦＣのカソードに対して、酸化剤ガスとなる酸素（カソードガス）を含む空気を供給する。

燃料電池ＦＣは、水素タンクＨｔからインジェクタを通して燃料電池ＦＣに供給される水素と、大気中からコンプレッサＣｐを通じて燃料電池ＦＣに供給される空気中の酸素との化学反応により、電気エネルギーを生成する。すなわち、燃料電池ＦＣは、水素と酸素の化学反応により発電する。

燃料電池ＦＣは、リアクトルＲｅ１、Ｒｅ２、Ｒｅ３および電流検出部Ｓｉ１、Ｓｉ２、Ｓｉ３を介して６つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６および６つのダイオードＤ１～Ｄ６と接続される。電流検出部Ｓｉ０は、燃料電池ＦＣと、リアクトルＲｅ１、Ｒｅ２、Ｒｅ３との間に接続される。

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６として、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を用いている。但し、スイッチング素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等を用いてもよい。６つのダイオードＤ１～Ｄ６はそれぞれ、６つのスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１～Ｑ６の寄生ダイオードである。

正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｕ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１と、ｕ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２が直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｖ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ３と、ｖ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ４が直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｗ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ５と、ｗ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ６が直列接続されている。

正極母線Ｌｐ、負極母線ＬｎにはコンデンサＣｏを介して蓄電装置Ｓが接続されている。

ＤＣＤＣコンバータＣｎｖをＭＯＳＦＥＴと、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードで構成することにより、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの構成をメカニカルスイッチ等で構成するよりも簡単な構成で作成することができ、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。

燃料電池ＦＣから供給された電力がダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５、または、Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６を通る経路を、以下「第１経路」と呼ぶ。また、燃料電池ＦＣから供給された電力がスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、または、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６を通る経路を、以下「第２経路」と呼ぶ。

ｕ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１と、ｖ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ３と、ｗ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ５とが正極母線Ｌｐを介して負荷Ｌｏに接続されている。ｕ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２と、ｖ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ４と、ｗ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ６とが負極母線Ｌｎを介して負荷Ｌｏに接続されている。

上下のアームを構成するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング動作に伴い、蓄電装置Ｓの電圧である直流電圧を負荷Ｌｏに供給できるようになっている。負荷Ｌｏは、例えば車両駆動用モータや荷役用モータである。

各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のゲート端子には、制御部Ｃｎｔが接続されている。制御部Ｃｎｔは、制御信号であるパルスパターンに基づいてＤＣＤＣコンバータＣｎｖのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をスイッチング動作させる。

ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、入力される制御信号によりスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をオン、オフすることで、燃料電池ＦＣの電圧を一定電圧に変換し、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓに出力する。

リアクトルＲｅ１は、電流検出部Ｓｉ０と、スイッチング素子Ｑ１－スイッチング素子Ｑ２間との間に接続される。リアクトルＲｅ２は、電流検出部Ｓｉ０と、スイッチング素子Ｑ３－スイッチング素子Ｑ４間との間に接続される。リアクトルＲｅ３は、電流検出部Ｓｉ０と、スイッチング素子Ｑ５－スイッチング素子Ｑ６間との間に接続される。

電流検出部Ｓｉ１は、リアクトルＲｅ１と、スイッチング素子Ｑ１－スイッチング素子Ｑ２間との間に接続される。電流検出部Ｓｉ２は、リアクトルＲｅ２と、スイッチング素子Ｑ３－スイッチング素子Ｑ４間との間に接続される。電流検出部Ｓｉ３は、リアクトルＲｅ３と、スイッチング素子Ｑ５－スイッチング素子Ｑ６間との間に接続される。

燃料電池ＦＣは、互いに直列接続される複数の燃料電池セルにより構成される燃料電池スタックであり、制御部Ｃｎｔの制御に基づき供給される水素と酸素（酸化剤ガス）との電気化学反応を利用して発電を行う。蓄電装置Ｓは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖと負荷Ｌｏとの間に接続される。

ＤＣＤＣコンバータＣｎｖから出力される電力が、負荷Ｌｏが要求する電力より大きい場合、余剰分の電力が蓄電装置Ｓに供給され、蓄電装置Ｓが充電される。また、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖから出力される電力が、負荷Ｌｏが要求する電力より小さい場合、不足分の電力が蓄電装置Ｓから負荷Ｌｏに供給される。また、負荷Ｌｏから蓄電装置Ｓに回生電力が供給されると、蓄電装置Ｓが充電される。なお、蓄電装置Ｓは、充電及び放電することが可能な蓄電装置（リチウムイオン電池など）であれば、リチウムイオンキャパシタに限定されない。

電流検出部Ｓｉ０は、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Ｃｎｔに出力する。

電流検出部（電流検出手段）Ｓｉ１は、スイッチング素子Ｑ１またはスイッチング素子Ｑ２を介してＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Ｃｎｔに出力する。

電流検出部（電流検出手段）Ｓｉ２は、スイッチング素子Ｑ３またはスイッチング素子Ｑ４間を介してＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Ｃｎｔに出力する。

電流検出部（電流検出手段）Ｓｉ３は、スイッチング素子Ｑ５またはスイッチング素子Ｑ６間を介してＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Ｃｎｔに出力する。

電流検出部Ｓｉ４は、燃料電池ＦＣまたは蓄電装置Ｓから負荷へ流れる電流、すなわち、負荷が要求する電流を検出し、その検出した電流を制御部Ｃｎｔに出力する。

電圧検出部Ｖ１は、燃料電池ＦＣの電圧を検出し、その検出した電圧を制御部Ｃｎｔに出力する。電圧検出部Ｖ２は、蓄電装置Ｓの電圧を検出し、その検出した電圧を制御部Ｃｎｔに出力する。電圧検出部Ｖ３は、負荷Ｌｏが燃料電池システム１へ要求する電圧（以下、「システム電圧」とも呼ぶ）を検出し、その検出した電圧を制御部Ｃｎｔに出力する。なお、燃料電池ＦＣの電圧の検出方法は、燃料電池ＦＣの両端電圧を直接測定してもよいし、燃料電池ＦＣを構成する燃料電池セルのうち、代表の１つのセル電圧を測定し積層した燃料電池セルの枚数を乗算した電圧としてもよい。あるいは、代表の１つのセル電圧自体を用いてもよい。すなわち、燃料電池の電圧が必要十分な精度で測定できればその手法は問わない。蓄電装置Ｓ又は負荷Ｌｏの電圧の検出に関しても同様である。

温度センサＴｓは、燃料電池システム１を構成する部品の温度（以下、「部品温度」とも呼ぶ）を測定する。例えば、温度センサＴｓは、燃料電池Ｆｃを冷却する液体（冷却水）の水温により燃料電池Ｆｃの部品の温度を測定する。

温度センサＴｓは、燃料電池Ｆｃの近傍に配置して、燃料電池Ｆｃの部品温度を測定してもよい。また、温度センサＴｓは、燃料電池Ｆｃを冷却する気体の温度により燃料電池Ｆｃの部品温度を測定してもよい。また、温度センサＴｓは、蓄電装置Ｓ、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖ、制御部Ｃｎｔなど、燃料電池システム１を構成する構成部品の部品温度を測定してもよい。

制御部Ｃｎｔは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device））などにより構成され、制御信号を出力する。制御部Ｃｎｔは、コンプレッサＣｐおよびＤＣＤＣコンバータＣｎｖの動作を制御することで燃料電池ＦＣの発電量（電力）を制御する。すなわち、水素タンクＨｔから燃料電池ＦＣに供給される燃料（水素）やコンプレッサＣｐから供給される空気（酸素）の量が増加するほど、燃料電池ＦＣの発電量が増加する。また、水素タンクＨｔから燃料電池ＦＣに供給される燃料（水素）やコンプレッサＣｐから供給される空気（酸素）の量が減少するほど、燃料電池ＦＣの発電量が減少する。

なお、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣに供給される燃料や空気の量を段階的に増加または減少させてもよい。また、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣに供給される燃料や空気の量をゼロにすると、所定時間経過後に、燃料電池ＦＣの発電が停止して燃料電池ＦＣの発電量がゼロになるものとする。また、燃料電池ＦＣから出力される電流が増加するほど、燃料電池ＦＣ（燃料電池セル）の電圧が減少し、燃料電池ＦＣから出力される電流が減少するほど、燃料電池ＦＣ（燃料電池セル）の電圧が増加するものとする。

また、制御部Ｃｎｔは、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓから要求される電力に応じた電流が燃料電池ＦＣから出力されるように、かつ、燃料電池ＦＣの電圧が閾値を超えないように、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの動作を制御する。なお、燃料電池ＦＣの電圧が閾値を超えて燃料電池ＦＣが劣化しないように、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を調整する処理を高電位回避処理という。また、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓから要求される電力が増加するほど、制御信号のデューティ比が増加し、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓから要求される電力が減少するほど、制御信号のデューティ比が減少するものとする。また、閾値は、燃料電池ＦＣが劣化するおそれがあるときの燃料電池ＦＣの電圧とし、燃料電池ＦＣの電圧が閾値を超えそうなとき、制御信号のデューティ比の減少が制限される。燃料電池システム１では、高電位回避を行うために燃料電池ＦＣのセル当たりの電圧が第１の閾値以上とならないように設定している。この第１の閾値の電圧を、以下「高電位回避電圧」という。

本実施形態においては、低コストの燃料電池システム１を作るために、燃料電池ＦＣを構成するセルの枚数を減らして、昇圧式のＤＣＤＣコンバータＣｎｖで燃料電池ＦＣの電圧を昇圧させる構成としている。燃料電池ＦＣの電圧は、下記式１を満たすよう設定される。下記式１における“燃料電池ＦＣの電圧”とは、燃料電池ＦＣの両端電圧である。

燃料電池ＦＣの電圧≦高電位回避電圧×セル枚数・・・式１
ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、昇圧式なので、通常の運転時、即ち、負荷Ｌｏにより電流が引かれている場合には、燃料電池ＦＣの電圧が、蓄電装置Ｓの電圧とオーバーラップしないよう、燃料電池ＦＣの電圧が、蓄電装置Ｓの電圧よりも小さくなるようにセルの枚数を調整される。但し、燃料電池ＦＣの電圧が小さくなるようにし過ぎると、セルの枚数が少なくなり過ぎる。その結果、燃料電池ＦＣの出力が不足するため、燃料電池システムとして成立しなくなる。

したがって、本実施形態においては、高電位回避を行うとともに、燃料電池システム１の出力を向上するために、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣによる発電を停止した際に、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも高くなるように設定する。具体的には、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓからの要求電力がなくなった際に燃料電池ＦＣによる発電を停止し、高電位回避電圧×セル枚数の値が蓄電装置Ｓの電圧よりも高くなるようにセル枚数が定められている。なお、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣによる発電中は燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも低く設定する。これにより、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの動作すべきタイミングが明確になるため、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの制御が容易となる。

制御部Ｃｎｔは、発電を停止した際に燃料電池ＦＣで発生する電力を第１経路（ダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５）または第２経路（スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５）のうち少なくとも一方によって蓄電装置に充電可能な状態とする。

本実施形態において、発電を停止した際に燃料電池ＦＣで発生する電力とは、制御部Ｃｎｔの制御に基づき供給がゼロにされた水素や酸素のうち、燃料電池システム１内に残留する水素や酸素の反応により生じる電力をいう。また、燃料電池ＦＣによる発電を停止とは、燃料電池ＦＣの発電量が完全にゼロになる場合だけでなく、燃料電池ＦＣによる発電を抑制し、燃料電池ＦＣの発電量が限りなくゼロに近くなる場合も含まれる。したがって、発電を停止した際には、第１経路（ダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５）の方へ電流を流すことにより、燃料電池ＦＣの電流を蓄電装置Ｓで充電することができる。

また、燃料電池システム１では、蓄電装置Ｓが過充電とならないように、燃料電池ＦＣの電圧が第２の閾値以上とならないように設定している。この第２の閾値の電圧を、以下「発電停止電圧」という。発電停止電圧は、燃料電池システム１の固有の値である。例えば、蓄電装置ＳのＳＯＣ（State Of Charge）の所定の割合（蓄電残量）における電圧を発電停止電圧として使用する。蓄電装置Ｓの電圧が発電停止電圧を越えた（下回った）際に、燃料電池ＦＣによる発電を停止し、燃料電池システム１全体のシステムを停止する。燃料電池ＦＣのセルの枚数は、下記式２により決定する。下記式２における“高電位回避電圧”とは、燃料電池ＦＣの両端電圧である。

セル枚数×高電位回避電圧＝発電停止電圧＋Ｖｆ・・・式２
Ｖｆは、ダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５による損失分の閾値電圧（立ち上がり電圧）である。

燃料電池ＦＣのセル枚数を式２が成立するよう設定すると、燃料電池ＦＣのセルの枚数を多く設定し、結果として燃料電池ＦＣの出力をあげることができる。また、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも小さくなる電圧（領域）においては昇圧コンバータを動かさずに電流を流しておくだけで、受動的な降圧動作（以下、「パッシブ降圧」とも呼ぶ）で高電位回避を行い燃料電池ＦＣの電圧を下げることができる。すなわち、ｕ相を構成するスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、ｖ相を構成するスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４及び、ｗ相を構成するスイッチング素子Ｑ５、Ｑ６のそれぞれの制御信号のデューティ比を０にすることによりパッシブ降圧が行われる。

負荷Ｌｏにより電流が引かれている場合には、燃料電池ＦＣの電圧は下がるので、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは燃料電池ＦＣの電圧を昇圧して所望の電圧を出力する。昇圧する場合には、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、上アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５を全てＯＦＦにし、下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の位相をずらしてＯＮ－ＯＦＦする。

負荷Ｌｏにより電流が引かれていない場合には、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣによる発電を停止する。但し、燃料電池ＦＣによる発電が停止された場合であっても、負荷Ｌｏにより電力が引かれない場合には、残留する燃料（水素）や空気（酸素）の反応で生じる電力により燃料電池ＦＣの電圧が上がる。そして、下記式３を満たし、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも高くなると、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖにより昇圧することはできなくなる。下記式３における“燃料電池ＦＣの電圧”とは、燃料電池ＦＣの両端電圧である。

燃料電池ＦＣの電圧＞蓄電装置Ｓの電圧・・・式３
発電を停止した際に、式３の状態となった場合であっても、式２で設定したセル枚数とすることにより、パッシブ降圧により第１経路の方へ電流を流れるように、燃料電池ＦＣの電流を蓄電装置Ｓで充電させることができ、燃料電池ＦＣのセルが高電位回避電圧以下となる状態を維持できる。パッシブ降圧により受動的に電流を流す場合には、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、上アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６を全てＯＦＦにする。式３の関係が成立している場合には、燃料電池ＦＣで発生した電流は、上アームのダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５を通って蓄電装置Ｓへ流れる。

したがって、寄生ダイオードである上アームのダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５の特性を活用して、パッシブ降圧により高電位回避を行うことができる。また、燃料電池ＦＣの電圧と蓄電装置Ｓの電圧とのオーバーラップを許容することができるため、燃料電池ＦＣのセルの枚数を増加させて、燃料電池ＦＣの出力をあげることができる。

また、式２を満たすセル枚数とすると、昇圧式のＤＣＤＣコンバータＣｎｖを動かさずに（即ち制御せずに）パッシブ降圧により高電位回避を行うことができつつ、燃料電池ＦＣの出力を最適とした状態が決まる。よって、燃料電池システム１の制御が複雑にならずに、セル枚数の最適化を図ることができる。

このように、実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池ＦＣによる発電を停止した際に、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも高くなるようにする。そして、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣによる発電を停止した際に燃料電池ＦＣで発生する電力をダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５（第１の経路）またはスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５（第２経路）のうち少なくとも一方によって蓄電装置Ｓに充電可能な状態とする構成である。

これにより、負荷Ｌｏにより電流が引かれていない場合には、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣによる発電を停止した場合であっても、パッシブ降圧により第１経路の方へ電流を流れるようセル枚数を決定することで、燃料電池ＦＣの電流を蓄電装置Ｓで充電させることができる。これにより、高電位回避を行うことができるとともに、燃料電池システムの出力を向上することができる。

また、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣによる発電中は燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも低くなるようにＤＣＤＣコンバータＣｎｖを制御する。具体的には、制御部Ｃｎｔは、発電制御として、蓄電装置Ｓの充電量（ＳＯＣ）に応じて、段階的に、目標発電電力を切り替える。蓄電装置Ｓの充電量が低下したときに燃料電池ＦＣによる発電を開始し、制御部Ｃｎｔは要求電力に応じた目標の電流となるようＤＣＤＣコンバータＣｎｖを制御する。これにより、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖを動作すべきタイミングを明確にすることができるため、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの制御が容易となる。

また、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣの発電電圧範囲（燃料電池ＦＣの制御における下限電圧及び上限電圧の範囲）のうち最も低い電圧を、蓄電装置Ｓの利用電圧範囲（蓄電装置Ｓの下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣから設定した電圧の範囲）のうち最も低い電圧よりも低い電圧に設定する。これにより、蓄電装置Ｓの性能を可能な限り多く活用することができる。

また、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖのスイッチング素子をＭＯＳＦＥＴで構成し、ダイオードをＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードで構成する。これにより、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの構成をメカニカルスイッチ等で構成するよりも簡単な構成で作成することができ、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。

次に、図２を参照して、燃料電池ＦＣと蓄電装置Ｓの電圧と電力との関係について説明する。図２は、燃料電池ＦＣと蓄電装置Ｓの電圧と電力との関係を示す図である。図２において、点線Ｖｆは燃料電池ＦＣの電圧と発電電力との関係を示し、一点鎖線Ｖｓは蓄電装置Ｓの電圧と放電電力との関係を示す。なお、一点鎖線Ｖｓは、蓄電装置Ｓが放電する（放電した電力が増加する）ほど、電圧が低下することを示している。また、白丸は、制御部Ｃｎｔが目標とする、目標発電電力である。閾値電圧Ｖｔは、燃料電池システム１全体のシステムが停止に至る電圧を示す。

図２（１）のうち領域Ａ１、Ａ２は、パッシブ降圧が行われる領域を示し、領域Ａ３は、昇圧が行われる領域を示す。領域Ａ１は、低負荷側のパッシブ降圧が行われる領域を示し、領域Ａ２は、高負荷側のパッシブ降圧が行われる領域を示す。

燃料電池ＦＣの発電量Ｗｉｎが負荷Ｌｏが要求する電力量Ｗｏｕｔよりも低い場合、すなわち、高負荷がかかると蓄電装置Ｓからの電力の持ち出しが行われて蓄電装置ＳのＳＯＣが低下し、その蓄電装置Ｓの電圧が低下することとなる。蓄電装置Ｓの電圧が低下して燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも大きくなる領域Ａ２になると、パッシブ降圧が行われる。

高負荷側のパッシブ降圧が行われる領域Ａ２が発生する場合には、燃料電池ＦＣへ供給される酸化剤ガスの供給量に対して、燃料電池ＦＣが発電する発電電力が大きくなる。これは、パッシブ降圧が行われることで、燃料電池ＦＣから放出される電流（電荷量）が大きくなるためである。制御部Ｃｎｔは供給される水素の量に対して空気の量が不足しないようにコンプレッサＣｐが制御しているが、パッシブ降圧現象の発生によって、燃料電池ＦＣの発電電力が増大し、電力に対して酸化剤ガスが不足となる、いわゆるエア欠状態となり、燃料電池ＦＣのＰＶ特性が急激に低下することとなる。

より具体的に説明すると、図２（２）のＣの目標発電電力に必要な酸化剤ガスの分しか供給されていない状態が継続すると、パッシブ降圧現象の発生によって、酸化剤ガスが不足状態となるエア欠状態が発生する。二点鎖線Ｖｆ１はＣの段階においてエア欠状態が発生した場合の燃料電池ＦＣの電圧と電力との関係を示す。エア欠状態が発生すると、二点鎖線Ｖｆ１に示すように、燃料電池ＦＣのＰＶ特性が低下し、発電量Ｗｉｎがこれ以上あがらなくなる。一方で、蓄電装置Ｓからの持ち出しは継続し、最終的に蓄電装置Ｓが過放電となり、閾値電圧Ｖｔ以下となる結果、燃料電池システム１全体のシステムが停止する事態が発生する。

そこで、本実施形態においては、高負荷側でパッシブ降圧を実施しているときは、図２（３）のＣの段階において燃料電池ＦＣへ供給する酸化剤ガスの供給量を増加させエア欠状態を解消することで燃料電池ＦＣのＰＶ特性を改善する。鎖線Ｖｆ２はＣの段階において酸化剤ガスの供給量を増加させた場合の燃料電池ＦＣの電圧と電力との関係を示す。燃料電池ＦＣのＰＶ特性が改善されることにより、鎖線Ｖｆ２に示すように、燃料電池ＦＣの発電量Ｗｉｎが増加し、蓄電装置Ｓの電力の持ち出しを抑えることで、蓄電装置Ｓが閾値電圧Ｖｔ以下となるまでの時間を延長し、蓄電装置の電力不足に対する燃料電池システムの稼働時間の延長（延命）を行うことができる。

図３は、燃料電池システム１の制御状態の遷移の一例を示す図である。燃料電池システム１の制御部Ｃｎｔは、燃料電池システム１の制御状態を制御する。

図３（１）は、従来の燃料電池システムの制御状態を示す。燃料電池システム１が搭載されているフォークリフトが坂道を登っているときなどは、燃料電池システム１は負荷Ｌｏから通常よりも大きな高出力が要求される（ステップＳ１１）。高出力が要求された結果、燃料電池Ｆｃの出力電力よりも大きい出力電力が要求された場合には、燃料電池システム１は、燃料電池Ｆｃからの出力電力に加えて、蓄電装置Ｓから電力を持ち出して負荷Ｌｏへ供給する（ステップＳ１２）。

但し、蓄電装置Ｓの蓄電容量には限界があるため、蓄電装置Ｓからの電力の持ち出しが継続して行われると、蓄電装置Ｓの電圧が低下して、蓄電装置Ｓが過放電となる。その結果、蓄電装置Ｓの電力不足により燃料電池システム１全体が停止することとなる（ステップＳ１３）。

そこで、本実施形態では、燃料電池Ｆｃの発電電力量が負荷Ｌｏの要求電力量よりも低い場合には、燃料電池Ｆｃへ供給する酸化剤ガスの供給量を増加させることにより、蓄電装置Ｓの電力不足に対する燃料電池システム１の稼働時間の延長を行うこととした。

図３（２）は、本実施形態の燃料電池システム１の制御状態を示す。

例えば、燃料電池システム１が搭載されているフォークリフトが坂道を継続して上り続けているときなどは、燃料電池システム１は負荷Ｌｏから通常よりも大きな高出力が要求される（ステップＳ２１）。高出力が要求された結果、燃料電池Ｆｃの出力電力よりも大きい出力電力が要求された場合には、燃料電池システム１は、燃料電池Ｆｃからの出力電力に加えて、蓄電装置Ｓから電力を持ち出して負荷Ｌｏへ供給する（ステップＳ２２）。

ここで、制御部Ｃｎｔは、所定条件を満たすことにより、パッシブ降圧が検知されたか否かを判定する。パッシブ降圧の検知は、以下の４つの所定条件を満たすか否かに基づいて判定される。

第１条件：燃料電池Ｆｃの電圧＞蓄電装置Ｓの電圧
第２条件：ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの電流＞０
第３条件：ＤＣＤＣコンバータＣｎｖのデューティ比＝０
第４条件：負荷Ｌｏが要求する電力量＞燃料電池Ｆｃの発電量
第１条件における、燃料電池Ｆｃの電圧は、電圧検出部Ｖ１により検出された電圧であり、蓄電装置Ｓの電圧は、電圧検出部Ｖ２により検出された電圧である。

第２条件における、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの電流が０以上という条件は、ｕ相、ｖ相の電流が０以上という条件により判定してもよい。また、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの電流が０以上という条件は、ｕ相、ｖ相、ｗ相の電流が０以上という条件により判定してもよい。

第３条件におけるＤＣＤＣコンバータＣｎｖのデューティ比＝０という条件は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６によるスイッチング動作が行われていない状態であり、ｕ相、ｖ相のデューティ比＝０という条件により判定してもよい。また、ＤＣＤＣコンバータのデューティ比＝０という条件は、ｕ相、ｖ相、ｗ相のデューティ比＝０という条件により判定してもよい。ｕ相、ｖ相、ｗ相の電流は、それぞれ電流検出部Ｓｉ１、Ｓｉ２、Ｓｉ３により検出された電流である。

第２条件かつ第３条件である場合とは、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６によるスイッチング動作が行われていないにもかかわらず、ダイオードＤ１～Ｄ６を通じて受動的にＤＣＤＣコンバータＣｎｖに電流が流れている状態をいう。

第４条件における負荷Ｌｏの電圧は、電圧検出部Ｖ３により検出されるシステム電圧であり、燃料電池Ｆｃの電圧は、電圧検出部Ｖ１により検出された電圧である。

パッシブ降圧が検知された場合（ステップＳ２３）には、制御部Ｃｎｔは、コンプレッサＣｐを制御して、燃料電池Ｆｃへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加させる（ステップＳ２４）。コンプレッサＣｐから燃料電池Ｆｃへ供給する酸化剤ガス（酸素）の量を増加させると、燃料電池ＦＣの発電量が増加する。すなわち、酸化剤ガスの量を増加させた場合には、水素タンクＨｔから供給される未反応部分の燃料（水素）と反応し、その結果燃料電池Ｆｃの発電量を増加させることができる。すなわち、燃料電池Ｆｃの発電量を増加させることにより、蓄電装置Ｓから持ち出される電力量を抑制することにより、燃料電池システム１全体としての稼働時間を延長することができる。

酸化剤ガスの供給量を増加させて、燃料電池Ｆｃの発電量を増加させた結果、燃料電池システム１を構成する部品温度が上昇してしまう（ステップＳ３１）。制御部Ｃｎｔは部品温度が閾値以上となったか否かを判定する。部品温度の閾値としては、例えば、燃料電池システム１を構成する各部品の使用可能な温度帯が設定される。

部品温度が閾値以上となった場合（ステップＳ３２）には、コンプレッサＣｐを制御して、燃料電池Ｆｃへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻す（ステップＳ２５）。コンプレッサＣｐから燃料電池Ｆｃへ供給する酸化剤ガス（酸素）の量を元に戻す（減少させる）と、燃料電池システム１を稼働する各部品の稼働状態を通常状態に戻して温度上昇を防ぐことができ、過熱による燃料電池システム１の故障を抑制することができる。

また、燃料電池Ｆｃへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻すと、燃料電池ＦＣの発電量が減少し、燃料電池システム１全体としての電力の供給量が不足するため、燃料電池Ｆｃからの出力電力に加えて、蓄電装置Ｓから電力を持ち出して負荷Ｌｏへ供給する（ステップＳ３３）。

その後、蓄電装置Ｓからの電力の持ち出しが継続して行われると、蓄電装置Ｓの電圧が低下して、蓄電装置Ｓが過放電となる。その結果、蓄電装置Ｓの電力不足により燃料電池システム１全体を停止する（ステップＳ３４）。

以上に示すように、パッシブ降圧を検知したら、燃料電池ＦＣへ供給される酸化剤ガスを増加することにより、燃料電池Ｆｃの発電量を増加させる。これにより、蓄電装置Ｓから持ち出される電力量を減少させ、燃料電池システム１全体としての稼働時間を延長することができる。

次に、図４を参照して燃料電池システム１が実行する燃料電池制御処理について説明する。図４は、燃料電池システム１の制御部Ｃｎｔが実行する燃料電池制御処理の一例を示す図である。

初めに、制御部Ｃｎｔは、負荷Ｌｏから高出力の要求がされると（ステップＳ４１）、蓄電装置Ｓから電力の持ち出しを行う（ステップＳ４２）。

制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｓから電力の持ち出しが行われたのち、パッシブ降圧を検知したか否かを判定する（ステップＳ４３）。

パッシブ降圧が検知された場合（ステップＳ４３：ＮＯ）には、蓄電装置Ｓからの電力の持ち出しが継続して行われる。パッシブ降圧が検知された場合（ステップＳ４３：ＹＥＳ）には、制御部ＣｎｔはコンプレッサＣｐを制御して、燃料電池ＦＣへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加させる（ステップＳ４４）。

酸化剤ガスの供給量を増加させ燃料電池ＦＣの発電量を増加させた結果、燃料電池システム１を構成する部品温度が閾値以上となったか否かを判定する（ステップＳ４５）。部品温度が閾値未満である場合（ステップＳ４５：ＮＯ）には、制御部Ｃｎｔは酸化剤ガスの供給量の増加を継続して行う。部品温度が閾値以上である場合（ステップＳ４５：ＹＥＳ）には、制御部ＣｎｔはコンプレッサＣｐを制御して酸化剤ガスの供給量をステップＳ４４の増加前の元の状態に戻す（ステップＳ４６）。

燃料電池Ｆｃへ供給される酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻すと、燃料電池ＦＣの発電量が減少し、燃料電池システム１全体としての電力の供給量が不足する。このため、制御部Ｃｎｔは、燃料電池Ｆｃからの出力電力に加えて、蓄電装置Ｓから電力を持ち出して負荷Ｌｏへ供給する（ステップＳ４７）。

制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｓからの電力の持ち出しの結果蓄電装置のＳＯＣが閾値以下となったか否かを判定する（ステップＳ４８）。蓄電装置ＳのＳＯＣとは、燃料電池システム１を稼働させるのに必要十分な値が設定される。蓄電装置ＳのＳＯＣが閾値より大きい場合（ステップＳ４８：ＮＯ）には、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｓからの電力の持ち出しを継続して行う。蓄電装置ＳのＳＯＣが閾値以下である場合（ステップＳ４８：ＹＥＳ）には、燃料電池システム１の安全のために燃料電池システム１の稼働を停止する（ステップＳ４９）。これにより、燃料電池システム１が実行する燃料電池制御処理は終了となる。

＜その他の実施形態＞
燃料電池システム１は、図５に示すようなＤＣＤＣコンバータであってもよい。この場合、スイッチング素子を有する第２経路は有さないが、ＤＣＤＣコンバータによる昇圧動作を停止した際はダイオードを有する第１経路によって電流が流れ、燃料電池ＦＣの高電位回避が行われる。

また、所定条件は、上記実施形態に記載した所定条件に限られない。例えば第３条件の、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖのデューティ比が０か否かの判定を割愛してもよい。また第４条件の、負荷Ｌｏが要求する電力量＞燃料電池Ｆｃの発電量か否かの判定を割愛してもよい。 また、上述の実施形態においては、パッシブ降圧により電流を流す場合には、上アームのダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５へ電流を流しているがこの限りではない。

制御部Ｃｎｔは、電圧検出部Ｖ１で検出した燃料電池ＦＣの電圧が電圧検出部Ｖ２で検出した蓄電装置Ｓの電圧よりも高いことを検出したときに、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５をＯＮ（閉じ状態）にしてもよい。これにより、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも大きい状態（上記式３の状態）となった場合であっても、燃料電池ＦＣで発生した電流は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５を通って蓄電装置Ｓへ流れる。これにより、ダイオードによる電力の損失がなくなり、燃料電池ＦＣで出力した電力を蓄電装置Ｓに効率よく充電することができる。

また、制御部Ｃｎｔは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のＯＮ－ＯＦＦ状態（開閉状態）を検知可能にしてもよい。制御部Ｃｎｔは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のＯＮ－ＯＦＦ動作が行われていない場合に、第１経路または第２経路に電流が流れていることを検出した場合には、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をＯＦＦ状態（閉じ状態）とする。これにより、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも大きい状態（上記式３の状態）となった場合であっても、燃料電池ＦＣで発生した電流は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５を通って蓄電装置Ｓへ流れる。これにより、ダイオードによる電力の損失がなくなり、燃料電池ＦＣで出力した電力を蓄電装置Ｓに効率よく充電することができる。

１ 燃料電池システム
Ｖｅ 車両
Ｌｏ 負荷
ＦＣ 燃料電池
Ｓｉ０ 電流検出部
Ｖ１、Ｖ２ 電圧検出部
Ｃｏ コンデンサ
Ｒｅ１、Ｒｅ２、Ｒｅ３ リアクトル
Ｓｉ１、Ｓｉ２、Ｓｉ３ 電流検出部
Ｃｎｖ ＤＣＤＣコンバータ
Ｓ 蓄電装置
Ｃｎｔ 制御部
Ｑ１～Ｑ６ スイッチング素子
Ｄ１～Ｄ６ ダイオード
Ｃｐ コンプレッサ
Ｈｔ 水素タンク

Claims (3)

1. 燃料ガスと、酸化剤ガスと、により電力を生成する燃料電池スタックと、
   蓄電装置と、
   前記燃料電池スタック及び、前記蓄電装置と電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタックの電圧を所定の電圧に変換する昇圧コンバータと、
   前記昇圧コンバータ及び、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記燃料電池スタックの発電量が負荷が要求する電力量よりも低い状態において、所定条件を満たした場合に、前記燃料電池スタックへ供給する前記酸化剤ガスの供給量を増加させる
   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、
   前記所定条件は、
   前記燃料電池スタックの電圧が、前記蓄電装置の電圧より大きく、
   前記昇圧コンバータを流れる電流が０以上であり、
   前記昇圧コンバータのデューティ比が０である
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記燃料電池システムを構成する部品温度が閾値以上となった場合には、前記燃料電池スタックは供給される前記酸化剤ガスの供給量を増加前の元の状態に戻す、または供給量を減少させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
   
   

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