JP2023090477A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】スタックや平滑コンデンサに蓄積された電荷を確実に放電する。【解決手段】 燃料電池システムは、燃料電池のスタックと、少なくとも一つの平滑コンデンサを内蔵する電力制御ユニットと、スタックから電力制御ユニットを介して電力供給を受けるエアコンプレッサと、エアコンプレッサからの圧送空気をスタックに供給する第１の経路構成と、圧送空気をスタックをバイパスして外部に排気する第２の経路構成とを選択的に形成可能な空圧回路と、平滑コンデンサ及びスタックに残電荷を放電させるために、空圧回路に第２の経路構成を形成させた状態で、残電荷をエアコンプレッサによって消費させる第１の放電処理を実行可能である。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

特許文献１に、燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムは、燃料電池のスタック（以下、単にスタックと称する）と、スタックに接続されているとともに平滑コンデンサを内蔵する電力制御ユニットとを備える。この種の燃料電池システムでは、所定の異常が検出されたときに、平滑コンデンサやスタックの残電荷を速やかに放電させる放電処理が実行される。例えば特許文献１の燃料電池ユニットでは、平滑コンデンサに対して抵抗器が接続されており、その放電処理では、平滑コンデンサの残電荷が抵抗器を通じて放電される。

特開２０２１－３５１２０号公報

例えば、燃料電池システムが車両に搭載されている場合、平滑コンデンサの残電荷を走行用のモータによって消費させることで、平滑コンデンサやスタックの放電処理を実行することが考えられる。この場合、放電処理のための抵抗器が、必ずしも必要とされない。その一方で、モータに関して異常が生じたときは、平滑コンデンサの放電処理を実行し得ないおそれがある。また、燃料電池システムの用途は車両に限られず、その適用先によっては、燃料電池システムに接続されたモータが存在しないこともある。この場合も、モータを利用した放電処理を採用することはできない。

上記を鑑み、本明細書は、燃料電池システムにおいて、平滑コンデンサやスタックの残電荷を放電するための新規で有用な技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに具現化される。この燃料電池システムは、燃料電池のスタックと、前記スタックに接続されているとともに、少なくとも一つの平滑コンデンサを内蔵する電力制御ユニットと、前記電力制御ユニットに接続されており、前記スタックから前記電力制御ユニットを介して電力供給を受けるエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサによる圧送空気を前記スタックに供給する第１の経路構成と、前記圧送空気を前記スタックをバイパスして外部に排気する第２の経路構成とを選択的に形成する空圧回路と、前記平滑コンデンサ及び前記スタックの残電荷を放電させるために、放電処理を実行可能な制御装置とを備える。前記制御装置は、前記放電処理として、前記空圧回路に前記第２の経路構成を形成させた状態で、前記残電荷を前記エアコンプレッサによって消費させる第１の放電処理を実行可能である。

通常、燃料電池システムには、スタックに空気を圧送するエアコンプレッサが設けられている。上記した構成では、そのエアコンプレッサを利用することによって、平滑コンデンサやスタックの放電処理を実行することができる。即ち、平滑コンデンサ及び前記スタックの残電荷を、エアコンプレッサによって消費させることができる。このとき、エアコンプレッサによる圧送空気は、スタックに供給されることなく外部に排気される。これにより、スタックにおいて無用な発電が生じることも回避又は抑制され、平滑コンデンサやスタックの残電荷を速やかに放電させることができる。

実施例の燃料電池システム１０と、それに接続されたバッテリ２及びモータ４との構成を模式的に示すブロック図。 燃料電池システム１０の制御装置２０が実施する放電処理を示すフォローチャート。

本技術の一実施形態において、電力制御ユニットには、スタックから電力制御ユニットを介して電力供給を受けるモータがさらに接続されてもよい。この場合、制御ユニットは、前記した放電処理として、平滑コンデンサ及びスタックの残電荷をモータによって消費させる第２の放電処理をさらに実行可能であってもよい。このような構成によると、エアコンプレッサを利用した第１の放電処理と、モータを利用した第２の放電処理とを、その時点における様々な条件に応じて選択的に実行することができる。この場合、第１の放電処理と第２の放電処理とは、択一的に実行されてもよいし、同時に実行されてもよい。

上記した実施形態において、制御装置は、放電処理を実行するときに、モータに関して所定の異常が検出されているときは第１の放電処理を選択し、所定の異常が検出されていないときは第２の放電処理を選択してもよい。このような構成によると、モータに関して異常が生じているときも、平滑コンデンサ及びスタックの残電荷を確実に放電させることができる。

本技術の一実施形態において、モータは、車両の車輪に接続された走行用のモータであってもよい。通常、走行用のモータは比較的に高い定格電力を有することから、走行用のモータを利用することで、平滑コンデンサ及びスタックの残電荷を速やかに放電させることができる。

本技術の一実施形態において、制御装置は、電力制御ユニットに対して電気的に接続されたコネクタが取り外されたときに、放電処理を実行するように構成されてもよい。このような構成によると、例えばメンテナンス作業等を目的としてコネクタが取り外されたときは、そのメンテナンス作業に先立って、平滑コンデンサ及びスタックの残電荷を放電させることができる。

図面を参照して、実施例の燃料電池システム１０について説明する。本実施例の燃料電池システム１０は、例えば車両に搭載され、同じ車両に搭載されたバッテリ２や、車両の車輪に接続された走行用のモータ４に接続される。燃料電池システム１０は、水素と酸素を反応させて発電する発電システムである。燃料電池システム１０は車両における電源であり、その発電電力はバッテリ２及びモータ４に供給される。

燃料電池システム１０は、燃料電池のスタック１２と、電力制御ユニット１４と、分岐ボックス４０と、燃料電池システム１０の動作を制御する制御装置２０とを備える。スタック１２は、複数の燃料電池セルを有しており、複数の燃料電池セルが積層された構造を有する。スタック１２は、水素と酸素との反応によって発電し、その発電電力は電力制御ユニット１４へ出力される。

電力制御ユニット１４は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１４ｃ、１４ｓ、１４ｄを内蔵しており、電力制御ユニット１４の発電電力を昇圧することができる、ＤＣ－ＤＣコンバータ１４ｃ、１４ｓ、１４ｄは、特に限定されないが、インダクタ１４ｃと、スイッチング素子１４ｓと、ダイオード１４ｄとを用いて構成されている。電力制御ユニット１４はさらに、出力側に設けられた平滑コンデンサ１６及び電圧センサ１８を有する。平滑コンデンサ１６は、電力制御ユニット１４の出力電圧によって充電されることで、当該出力電圧に生じる脈動を抑制する。電圧センサ１８は、電力制御ユニット１４の出力電圧（即ち、平滑コンデンサ１６の両端間電圧）を測定する。電圧センサ１８は、制御装置２０と信号線（図示省略）を介して接続されており、電圧センサ１８による測定値は制御装置２０へ教示される。

分岐ボックス４０は、電力制御ユニット１４に接続されており、電力制御ユニット１４の出力する電力が入力される。スタック１２による発電電力は、電力制御ユニット１４によって昇圧された後に、分岐ボックス４０へ供給される。分岐ボックス４０には、前述したバッテリ２及びモータ４が接続されている。バッテリ２は、コネクタ４２を介して接続されており、分岐ボックス４０に対して着脱可能に接続されている。一方、モータ４については、コネクタ等を介在させることなく、いわゆるバスバー（板状の導体）を介して接続されている。なお、モータ４と分岐ボックス４０との間には、インバータ４ａが介挿されている。分岐ボックス４０から出力される直流電力は、インバータ４ａによって三相交流電力へ変換された後に、モータ４へ供給される。

燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ２２と空圧回路２４とをさらに備える。エアコンプレッサ２２は、分岐ボックス４０に接続されており、分岐ボックス４０を介して電力制御ユニット１４と電気的に接続されている。これにより、エアコンプレッサ２２は、スタック１２から電力制御ユニット１４を介して電力供給を受けることができる。なお、エアコンプレッサ２２と分岐ボックス４０との間には、インバータ２２ａが介挿されている。分岐ボックス４０から出力される直流電力は、インバータ２２ａによって三相交流電力へ変換された後に、エアコンプレッサ２２へ供給される。エアコンプレッサ２２の動作（即ち、インバータ２２ａの動作）は、制御装置２０によって制御される。

空圧回路２４は、スタック１２とエアコンプレッサ２２とを互いに接続しており、エアコンプレッサ２２による圧送空気をスタック１２に供給する。本実施例における空圧回路２４は、供給経路２４ａと、排気経路２４ｂと、バイパス経路２４ｃとを有する。供給経路２４ａは、エアコンプレッサ２２からスタック１２へ延びている。排気経路２４ｂは、スタック１２から延びて外部へ開放されている。バイパス経路２４ｃは、スタック１２をバイパスして、供給経路２４ａと排気経路２４ｂとを互いに接続している。供給経路２４ａと排気経路２４ｂのそれぞれには、調圧・封止バルブ２６が設けられている。バイパスバルブ２８が設けられている。これらのバルブ２６、２８は、制御装置２０と信号線を介して接続されており、その動作は制御装置２０によって制御される。

上記の構成により、空圧回路２４は、調圧・封止バルブ２６がそれぞれ開放されるとともに、バイパスバルブ２８が閉鎖されたときに、エアコンプレッサ２２による圧送空気をスタック１２に供給する第１の経路構成を構成する。これに対して、調圧・封止バルブ２６がそれぞれ閉鎖されるとともに、バイパスバルブ２８が開放された場合、空圧回路２４は、エアコンプレッサ２２による圧送空気を、スタック１２をバイパスして外部に排気する第２の経路構成を形成する。このように、空圧回路２４は、スタック１２に圧送空気が供給される第１の経路構成と、スタック１２に圧送空気が供給されない第２の経路構成を、選択的に形成することができる。

燃料電池システム１０は、冷却水ポンプ３０と冷却水回路３２とを備える。冷却水ポンプ３０は、分岐ボックス４０に接続されており、分岐ボックス４０を介して電力制御ユニット１４と電気的に接続されている。これにより、冷却水ポンプ３０は、スタック１２から電力制御ユニット１４を介して電力供給を受けることができる。なお、冷却水ポンプ３０と分岐ボックス４０との間には、インバータ３０ａが介挿されている。分岐ボックス４０から出力される直流電力は、インバータ３０ａによって三相交流電力へ変換された後に、冷却水ポンプ３０へ供給される。分岐ボックス４０から出力される直流電力は、インバータ３０ａによって三相交流電力へ変換された後に、冷却水ポンプ３０へ供給される。冷却水回路３２は、スタック１２と冷却水ポンプ３０とを互いに接続しており、冷却水ポンプ３０により圧送される冷却水をスタック１２に供給する。冷却水ポンプ３０の動作（即ち、インバータ３０ａの動作）は、制御装置２０によって制御される。

分岐ボックス４０のコネクタ４２には、インターロック４４が設けられている。このインターロック４４は、複数のコネクタ４２のそれぞれに設けられている。各々のコネクタ４２において、インターロック４４はコネクタ４２が接続されているのか否かを検出する。インターロック４４の具体的な構成については特に限定されない。例えば、インターロック４４は、コネクタ４２の着脱に応じて接続及び切断される接点であってもよい。全てのインターロック４４は、信号線４６を介して制御装置２０に接続されており、インターロック４４による検出結果は、制御装置２０に教示される。即ち、例えばバッテリ２のコネクタ４２が取り外されると、そのことが制御装置２０によって直ちに検知される。

図示省略するが、燃料電池システム１０は、スタック１２に水素ガスを供給する水素供給ユニットをさらに備える。特に限定されないが、水素供給ユニットは、水素ガスを貯留する高圧タンク、高圧タンクとスタック１２とを接続する経路に設けられたインジェクタ、スタック１２から排出されるオフガスをスタック１２に還流させるための還流経路等を備えている。

制御装置２０は、平滑コンデンサ１６及びスタック１２の残電荷を放電させるために、放電処理を実行することができる。制御装置２０は、車両において所定の異常が検出されたときに、放電処理を実行する。例えば、分岐ボックス４０においてコネクタ４２の取り外しが検知された場合、制御装置２０は放電処理を直ちに実施する。これにより、平滑コンデンサ１６及びスタック１２の残電荷が速やかに放電され、コネクタ４２が取り外された分岐ボックス４０に、高電圧が供給されることを回避することができる。

図２を参照して、制御装置２０が実行する放電処理の構成について説明する。図２のステップＳ１２において、制御装置２０は、例えばコネクタ４２の取り外しを検知すると、ステップＳ１４の処理へ進む。

ステップＳ１４において、制御装置２０は、モータ４が正常であるのか否かを判断する。この処理において、制御装置２０は、例えば車両に搭載された各種の電子制御ユニット（ＥＣＵとも称される）から、モータ４に関して検出された異常の有無を確認することができる。ここで、モータ４に関して検出される異常とは、モータ４自体の異常に限られず、モータ４に接続されたインバータ４ａの異常、インバータ４ａの動作を制御する電子制御ユニットの異常、モータ４やインバータ４ａに設けられたセンサ類の異常など、モータ４の正常な動作に対して影響を与え得る異常を広く意味する。

ステップＳ１４でＹＥＳの場合、即ち、モータ４に関する異常が検出されていない場合、制御装置２０はステップＳ１６の処理に進み、モータ４を用いた放電処理を実行する。この放電処理は、本技術における第２の放電処理の一例であり、平滑コンデンサ１６及びスタック１２の残電荷をモータ４によって消費させる。この場合、制御装置２０は、モータ４に対して（即ち、そのインバータ４ａに対して）動作指令を直接的に与えてもよいし、モータ４の動作を制御する他の制御ユニットに対して動作指令を与えてもよい。

一方、ステップＳ１４でＮＯの場合、即ち、モータ４に関する異常が検出されている場合、制御装置２０はステップＳ１８の処理に進み、以下に説明するように、エアコンプレッサ２２を用いた放電処理を実行する。この放電処理は、本技術における第１の放電処理の一例であり、平滑コンデンサ１６及びスタック１２の残電荷をエアコンプレッサ２２によって消費させる。

先ず、ステップＳ１８において、制御装置２０は、調圧・封止バルブ２６を閉鎖する。これにより、エアコンプレッサ２２からスタック１２へ圧送空気の供給が禁止される。次に、ステップＳ２０において、制御装置２０は、バイパスバルブ２８を開放する。これにより、空圧回路２４では、エアコンプレッサ２２による圧送空気が、スタック１２をバイパスして、即ち、スタック１２に供給されることなく、外部に排気される第２の経路構成が形成される。そして、ステップＳ２０において、制御装置２０は、平滑コンデンサ１６及びスタック１２の残電荷を、エアコンプレッサ２２によって消費させる。即ち、制御装置２０は、エアコンプレッサ２２に動作指令を与え、エアコンプレッサ２２は、平滑コンデンサ１６及びスタック１２の残電荷を消費しながら動作する。これにより、平滑コンデンサ１６及びスタック１２の残電荷が速やかに放電される。エアコンプレッサ２２による圧送空気が、スタック１２へ供給されることもないので、スタック１２における発電が無用に誘発されることもない。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１０では、エアコンプレッサ２２を利用した第１の放電処理と、モータ４を利用した第２の放電処理とを、選択的に実行することができる。これにより、モータ４に関して所定の異常が検出されているときは第１の放電処理を選択し、所定の異常が検出されていないときは第２の放電処理を選択することができる。これにより、モータ４の使用に問題がないときは、比較的に定格電力の大きい走行用のモータ４を用いて、平滑コンデンサ１６及びスタック１２の放電処理を短時間で完了することができる。その一方で、モータ４の使用に支障があるときは、モータ４を使用することなく、エアコンプレッサ２２を用いることによって、放電処理を確実に実行することができる。

以上、本技術の実施形態について詳細に説明したが、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、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わ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の組み合わ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例示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。

２：バッテリ
４：モータ
１０：燃料電池システム
１２：燃料電池のスタック
１４：電力制御ユニット
１６：平滑コンデンサ
２０：制御装置
２２：エアコンプレッサ
２４：空圧回路
２４ｃ：空圧回路のバイパス経路
２６、２８：調圧：封止バルブ
２８：バイパスバルブ
４０：分岐ボックス
４２：コネクタ
４４：インターロック

Claims (5)

1. 燃料電池のスタックと、
   前記スタックに接続されているとともに、少なくとも一つの平滑コンデンサを内蔵する電力制御ユニットと、
   前記電力制御ユニットに接続されており、前記スタックから前記電力制御ユニットを介して電力供給を受けるエアコンプレッサと、
   前記エアコンプレッサによる圧送空気を前記スタックに供給する第１の経路構成と、前記圧送空気を前記スタックをバイパスして外部に排気する第２の経路構成と、を選択的に形成する空圧回路と、
   前記平滑コンデンサ及び前記スタックの残電荷を放電させるために、放電処理を実行可能な制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記放電処理として、前記空圧回路に前記第２の経路構成を形成させた状態で、前記残電荷を前記エアコンプレッサによって消費させる第１の放電処理を実行可能である、
   燃料電池システム。
2. 前記電力制御ユニットには、前記スタックから前記電力制御ユニットを介して電力供給を受けるモータがさらに接続されており、
   前記制御ユニットは、前記放電処理として、前記残電荷を前記モータによって消費させる第２の放電処理をさらに実行可能である、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記放電処理を実行するときに、前記モータに関して所定の異常が検出されているときは前記第１の放電処理を選択し、前記所定の異常が検出されていないときは前記第２の放電処理を選択する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記モータは、車両の車輪に接続された走行用のモータである、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、前記電力制御ユニットに対して電気的に接続されたコネクタが取り外されたときに、前記放電処理を実行する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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