JP5014923B2 - 燃料電池システム及び車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、燃料電池による発電を開始および停止する際にプリチャージおよびディスチャージを行う燃料電池システムに関する。

近年、その動力源として燃料電池システムを搭載する燃料電池車両が注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含むエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

このような燃料電池システムを搭載する燃料電池車両では、燃料電池と電気負荷とは、コンタクタを介して接続されている。ここで、燃料電池と電気負荷とをいきなり接続すると、電気負荷に含まれる平滑コンデンサに過大な充電電流が流れてしまい、コンタクタが破損するおそれがある。そこで、従来より、平滑コンデンサのプリチャージを行う際には、電気抵抗（プリチャージ抵抗）を介して平滑コンデンサに充電電流を供給することで、コンタクタを保護している（特許文献１参照）。

また、燃料電池による発電を停止する場合、電力が残存した状態で放置すると燃料電池が劣化するおそれがある。そこで、従来より、燃料電池の発電を停止し燃料電池を電気負荷から開放する際には、燃料電池に電気抵抗（ディスチャージ抵抗）を接続して放電（ディスチャージ）し、残存する電力を消費させている（特許文献２参照）。

図５は、以上のようなプリチャージ抵抗１４４およびディスチャージ抵抗１４６を備える従来の燃料電池システム１０１の構成を示すブロック図である。
図５に示すように、プリチャージ抵抗１４４は、燃料電池１１０の正極から延びる正極側電力供給線１３１に設けられたコンタクタ１４１をバイパスして設けられる。また、ディスチャージ抵抗１４６は、正極側電力供給線１３１と負極側電力供給線１３２とを跨いで設けられる。ここで、プリチャージ抵抗１４４の抵抗値は、電気負荷１２０の平滑コンデンサ１２３の容量および燃料電池１１０の出力に合わせて、ディスチャージ抵抗１４６の抵抗値よりも大きくなっている。また、ディスチャージ抵抗１４６の定格電力値は、燃料電池１１０の出力に合わせてプリチャージ抵抗１４４の定格電力値よりも大きくなっている。
特開２００３−３２４８０１号公報 特開平１−２９８６４９号公報

このように、システム１０１を保護しつつ、燃料電池１１０と電気負荷１２０とを接続したり遮断したりするには、異なる定格を有するプリチャージ抵抗１４４とディスチャージ抵抗１４６とを設ける必要がある。また、これら抵抗１４４，１４６に加えて、各電力供給線１３１，１３２，１３３，１３５を接続および遮断するためのコンタクタ１４１，１４２，１４３，１４５も必要となるため、部品の数が増加し、燃料電池システム１０１が大型化してしまうおそれがある。

本発明は、システムのプリチャージおよびディスチャージに係る部品の数を削減し、システムの小型化および製造コストの低減できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、電気負荷（例えば、後述の電気負荷２０）と、前記燃料電池の正極側と前記電気負荷の正極側を接続する正極側電力供給線（例えば、後述の正極側電力供給線３１）と、前記燃料電池の負極側と前記電気負荷の負極側を接続する負極側電力供給線（例えば、後述の負極側電力供給線３２）と、当該正極側電力供給線および負極側電力供給線のそれぞれに設けられ、これら正極側電力供給線および負極側電力供給線の各々を接続または遮断する一対のメインコンタクタ（例えば、後述の正極メインコンタクタ４１および負極メインコンタクタ４２）と、前記正極側電力供給線および負極側電力供給線の一方に接続され、前記メインコンタクタをバイパスする第１サブ供給線（例えば、後述の第１サブ供給線３３）と、前記第１サブ供給線に設けられ、当該第１サブ供給線を接続または遮断する第１サブコンタクタ（例えば、後述のプリチャージコンタクタ４３）と、前記第１サブ供給線に設けられた抵抗器（例えば、後述の統合抵抗器４４）と、前記正極側電力供給線および負極側電力供給線の他方の前記メインコンタクタよりも前記燃料電池側と、前記第１サブ供給線のうち前記第１サブコンタクタおよび前記抵抗器よりも前記電気負荷側と、を接続する第２サブ供給線（例えば、後述の第２サブ供給線３５）と、前記第２サブ供給線に設けられ、当該第２サブ供給線を接続または遮断する第２サブコンタクタ（例えば、後述のディスチャージコンタクタ４５）と、前記一対のメインコンタクタ、前記第１サブコンタクタ、および前記第２サブコンタクタを制御する制御装置（例えば、後述の制御装置５０）と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池を起動する場合、前記第１サブコンタクタおよび前記他方の電力供給線のメインコンタクタを接続するとともに、前記第２サブコンタクタおよび前記一方の電力供給線のメインコンタクタを開放して、前記電気負荷に設けられた平滑コンデンサ（例えば、後述の平滑コンデンサ２３）に充電し、前記燃料電池を停止する場合、前記第１サブコンタクタおよび前記第２サブコンタクタを接続し、前記燃料電池を放電させることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池を起動する場合、第１サブコンタクタおよび他方の電力供給線のメインコンタクタが接続されるとともに、第２サブコンタクタおよび一方の電力供給線のメインコンタクタが開放される。これにより、燃料電池と電気負荷との間には抵抗器を介した閉回路が形成され、電気負荷の平滑コンデンサのプリチャージが行われる。
一方、燃料電池を停止する場合、第１サブコンタクタおよび第２サブコンタクタが接続される。これにより、燃料電池の正極および負極が抵抗器を介して短絡され、燃料電池の残存電力がディスチャージされる。

以上のように、この発明によれば、異なる定格の抵抗を複数設けることなく、一つの抵抗器のみで、システムのプリチャージおよびディスチャージを行うことができる。これにより、上述の従来の燃料電池システムと比較して、抵抗の数を削減し、システムの小型化および製造コストを低減できる。

本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１Ａ）は、燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、電気負荷（例えば、後述の電気負荷２０）と、前記燃料電池の正極側と前記電気負荷の正極側を接続する正極側電力供給線（例えば、後述の正極側電力供給線３１）と、前記燃料電池の負極側と前記電気負荷の負極側を接続する負極側電力供給線（例えば、後述の負極側電力供給線３２）と、当該正極側電力供給線および負極側電力供給線のそれぞれに設けられ、これら正極側電力供給線および負極側電力供給線の各々を接続または遮断する一対のメインコンタクタ（例えば、後述の正極メインコンタクタ４１および負極メインコンタクタ４２）と、前記正極側電力供給線および負極側電力供給線の一方に接続され、前記メインコンタクタをバイパスする第１サブ供給線（例えば、後述の第１サブ供給線３３）と、前記第１サブ供給線に設けられ、当該第１サブ供給線を接続または遮断する第１サブコンタクタ（例えば、後述のプリチャージコンタクタ４３Ａ）と、前記第１サブ供給線のうち前記第１サブコンタクタよりも前記燃料電池側に設けられた抵抗器（例えば、後述の統合抵抗器４４Ａ）と、前記正極側電力供給線および負極側電力供給線の他方の前記メインコンタクタよりも前記燃料電池側と、前記第１サブ供給線の前記第１サブコンタクタおよび前記抵抗器の間とを接続する第２サブ供給線（例えば、後述の第２サブ供給線３５Ａ）と、前記第２サブ供給線に設けられ、当該第２サブ供給線を接続または遮断する第２サブコンタクタ（例えば、後述のディスチャージコンタクタ４５Ａ）と、前記一対のメインコンタクタ、前記第１サブコンタクタ、および前記第２サブコンタクタを制御する制御装置（例えば、後述の制御装置５０Ａ）と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池を起動する場合、前記第１サブコンタクタおよび前記他方の電力供給線のメインコンタクタを接続するとともに、前記第２サブコンタクタおよび前記一方の電力供給線のメインコンタクタを開放して、前記電気負荷に設けられた平滑コンデンサ（例えば、後述の平滑コンデンサ２３）に充電し、前記燃料電池を停止する場合、前記第２サブコンタクタを接続するとともに、前記第１サブコンタクタを開放して、前記燃料電池を放電させることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池を起動する場合、第１サブコンタクタおよび他方の電力供給線のメインコンタクタが接続されるとともに、第２サブコンタクタおよび一方の電力供給線のメインコンタクタが開放される。これにより、燃料電池と電気負荷との間には抵抗器を介した閉回路が形成され、電気負荷の平滑コンデンサのプリチャージが行われる。
一方、燃料電池を停止する場合、第２サブコンタクタが接続されるとともに、第１サブコンタクタが開放される。これにより、燃料電池の正極および負極が抵抗器を介して短絡され、燃料電池の残存電力がディスチャージされる。

以上のように、この発明によれば、異なる定格の抵抗を複数設けることなく、１つの抵抗器のみで、システムのプリチャージおよびディスチャージを行うことができる。これにより、上述の従来の燃料電池システムと比較して、抵抗の数を削減し、システムの小型化および製造コストを低減できる。

本発明の燃料電池システムによれば、異なる定格の抵抗を複数設けることなく、１つの抵抗器のみで、システムのプリチャージおよびディスチャージを行うことができる。これにより、上述の従来の燃料電池システムと比較して、抵抗の数を削減し、システムの小型化および製造コストを低減できる。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、電気負荷２０と、これら燃料電池１０および電気負荷２０を接続および遮断する接続回路３０と、この接続回路３０を制御する制御装置５０と、を備える。この燃料電池システム１は、燃料電池１０をその動力源として、車両に搭載される。

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。このような燃料電池１０は、図示しない供給装置により、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含むエアが供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

電気負荷２０は、車両を駆動するモータや、車両の空調機器などの補機類を含んで構成される。また、この電気負荷２０は、燃料電池１０の電圧の変動を抑制するための平滑コンデンサ２３を備える。この平滑コンデンサ２３は、電気負荷２０の正極２１および負極２２に接続されている。

接続回路３０は、燃料電池１０の正極１１と電気負荷２０の正極２１とを接続する正極側電力供給線３１と、燃料電池１０の負極１２と電気負荷２０の負極２２を接続する負極側電力供給線３２と、これら正極側電力供給線３１および正極側電力供給線３１のそれぞれに設けられた一対のメインコンタクタとしての正極メインコンタクタ４１および負極メインコンタクタ４２と、を備える。

正極メインコンタクタ４１および負極メインコンタクタ４２は、それぞれ、機械接点と、この接点を開閉する駆動コイルとを備え、制御装置５０からの制御信号に基づいて動作し、正極側電力供給線３１および負極側電力供給線３２を接続または遮断する。

接続回路３０は、さらに、正極側電力供給線３１に接続され、正極メインコンタクタ４１をバイパスする第１サブ供給線３３と、負極側電力供給線３２と第１サブ供給線３３とを接続する第２サブ供給線３５と、を備える。

第１サブ供給線３３には、この第１サブ供給線３３を接続または遮断する第１サブコンタクタとしてのプリチャージコンタクタ４３と統合抵抗器４４とが、燃料電池１０側から電気負荷２０側へ向かって順に設けられている。

第２サブ供給線３５は、第１サブ供給線３３のプリチャージコンタクタ４３および統合抵抗器４４よりも電気負荷２０側と、負極側電力供給線３２の負極メインコンタクタ４２よりも燃料電池１０側とを接続する。また、第２サブ供給線３５には、この第２サブ供給線３５を接続および遮断する第２サブコンタクタとしてのディスチャージコンタクタ４５が設けられている。

プリチャージコンタクタ４３およびディスチャージコンタクタ４５は、それぞれ、機械接点と、この接点を開閉する駆動コイルとを備え、制御装置５０からの制御信号に基づいて動作し、第１サブ供給線３３および第２サブ供給線３５を接続または遮断する。

ここで、統合抵抗器４４の定格値について、上述の図５の従来の燃料電池システム１０１におけるプリチャージ抵抗１４４およびディスチャージ抵抗１４６の定格値と比較して説明する。統合抵抗器４４の抵抗値は、燃料電池システム１の起動性に鑑みて、従来のプリチャージ抵抗１４４の抵抗値に近いものを用いる。また、統合抵抗器４４の定格電力値は、燃料電池１０の出力に鑑みて、ディスチャージ抵抗１４６の定格電力値に近いものを用いる。
また、以上のように構成された接続回路３０は、電気接続ボックス４９内に収納される。

制御装置５０は、コンタクタ４１，４２，４３，４５の各々に制御信号を出力し、これらコンタクタ４１，４２，４３，４５を制御する。具体的には、制御装置５０は、燃料電池１０の起動時および停止時に、各コンタクタ４１，４２，４３，４５を制御し、プリチャージおよびディスチャージを行う。

次に、図２のタイムチャートを参照して、制御装置５０によるプリチャージおよびディスチャージの手順について説明する。

ここで、車両に設けられたイグニッションがオンにされる前は、全てのコンタクタ４１，４２，４３，４５は、開放された状態になっている。
先ず、時刻ｔ０において、イグニッションがオンにされたことに応じて、プリチャージコンタクタ４３および負極メインコンタクタ４２を接続する。また、ディスチャージコンタクタ４５および正極メインコンタクタ４１は開放したままにする。これにより、燃料電池１０と電気負荷２０との間には統合抵抗器４４を介した閉回路を形成し、電気負荷２０の平滑コンデンサ２３の充電（プリチャージ）を開始する。

次に、時刻ｔ１において、プリチャージが完了したことに応じて、プリチャージコンタクタ４３を開放するとともに、正極メインコンタクタ４１を接続する。また、ディスチャージコンタクタ４５は開放したままにし、負極メインコンタクタ４２は接続したままにする。これにより、燃料電池１０と電気負荷２０とが接続され、車両の駆動が開始される。

次に、時刻ｔ２において、イグニッションがオフにされたことに応じて、プリチャージコンタクタ４３およびディスチャージコンタクタ４５を接続するとともに、正極メインコンタクタ４１および負極メインコンタクタ４２を開放する。これにより、燃料電池１０と電気負荷２０とが遮断されるとともに、燃料電池１０の正極１１および負極１２が統合抵抗器４４を介して短絡され、燃料電池１０の残存電力が放電（ディスチャージ）される。

次に、時刻ｔ３において、ディスチャージが完了したことに応じて、プリチャージコンタクタ４３およびディスチャージコンタクタ４５を開放する。これにより、燃料電池１０の正極１１および負極１２が開放される。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、異なる定格の抵抗を複数設けることなく、一つの統合抵抗器４４のみで、燃料電池システム１のプリチャージおよびディスチャージを行うことができる。これにより、従来の燃料電池システム１０１（上述の図５参照）と比較して、抵抗の数を１つ削減し、システムの小型化および製造コストを低減できる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について、図３および図４を参照して説明する。
以下の第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａの構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１Ａは、第１実施形態の燃料電池システム１と、接続回路３０Ａおよび制御装置５０Ａの構成が異なる。

第１サブ供給線３３には、統合抵抗器４４Ａとプリチャージコンタクタ４３Ａとが、燃料電池１０側から電気負荷２０側に向かって順に設けられている。
第２サブ供給線３５Ａは、第１サブ供給線３３の統合抵抗器４４Ａおよびプリチャージコンタクタ４３Ａの間と、負極側電力供給線３２の負極メインコンタクタ４２よりも燃料電池１０側とを接続する。

次に、図４のタイムチャートを参照して、制御装置５０Ａによるプリチャージおよびディスチャージの手順について説明する。

先ず、時刻ｔ０において、イグニッションがオンにされたことに応じて、プリチャージコンタクタ４３Ａおよび負極メインコンタクタ４２を接続する。また、ディスチャージコンタクタ４５Ａおよび正極メインコンタクタ４１は開放したままにする。これにより、燃料電池１０と電気負荷２０との間に統合抵抗器４４Ａを介した閉回路を形成し、電気負荷２０の平滑コンデンサ２３の充電（プリチャージ）を開始する。

次に、時刻ｔ１において、プリチャージが完了したことに応じて、プリチャージコンタクタ４３を開放するとともに、正極メインコンタクタ４１を接続する。また、ディスチャージコンタクタ４５は開放したままにし、負極メインコンタクタ４２は接続したままにする。これにより、燃料電池１０と電気負荷２０とが接続され、車両の駆動が開始される。

次に、時刻ｔ２において、イグニッションがオフにされたことに応じて、ディスチャージコンタクタ４５Ａを接続するとともに正極メインコンタクタ４１および負極メインコンタクタ４２開放する。また、プリチャージコンタクタ４３Ａは、開放したままにする。これにより、燃料電池１０と電気負荷２０とが遮断されるとともに、燃料電池１０の正極１１および負極１２が統合抵抗器４４Ａを介して短絡され、燃料電池１０の残存電力が放電（ディスチャージ）される。

次に、時刻ｔ３において、ディスチャージが完了したことに応じて、プリチャージコンタクタ４３Ａおよびディスチャージコンタクタ４５Ａを開放する。これにより、燃料電池１０の正極１１および負極１２が開放される。

本実施形態の燃料電池システム１Ａによれば、上述の第１実施形態の燃料電池システム１と同様の効果に加えて、以下の効果がある。
上述のように、本実施形態の燃料電池システム１Ａでは、ディスチャージを行う場合、プリチャージコンタクタ４３Ａは開放したままで行われる。すなわち、上述の第１実施形態の燃料電池システム１と比較して、燃料電池１０を起動してから停止するまでの間におけるプリチャージコンタクタ４３Ａの作動回数を１回減らすことができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。

第１実施形態および第２実施形態では、第１サブ供給線３３を、正極側電力供給線３１に設けたが、これに限らない。例えば、第１サブ供給線を、負極側電力供給線に設けるとともに、第２サブ供給線の極性を逆にして、正極側電力供給線および第１サブ供給線に接続してもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る制御装置によるプリチャージおよびディスチャージの手順を示すタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る制御装置によるプリチャージおよびディスチャージの手順を示すタイムチャートである。 従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１，１Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２０ 電気負荷
２３ 平滑コンデンサ
３０，３０Ａ 接続回路
３１ 正極側電力供給線
３２ 負極側電力供給線
３３ 第１サブ供給線
３５，３５Ａ 第２サブ供給線
４１ 正極メインコンタクタ
４２ 負極メインコンタクタ
４３，４３Ａ プリチャージコンタクタ
４４，４４Ａ 統合抵抗器
４５，４５Ａ ディスチャージコンタクタ
５０，５０Ａ 制御装置

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   電気負荷と、
   前記燃料電池の正極側と前記電気負荷の正極側を接続する正極側電力供給線と、
   前記燃料電池の負極側と前記電気負荷の負極側を接続する負極側電力供給線と、
   当該正極側電力供給線および負極側電力供給線のそれぞれに設けられ、これら正極側電力供給線および負極側電力供給線の各々を接続または遮断する一対のメインコンタクタと、
   前記正極側電力供給線および負極側電力供給線の一方に接続され、前記メインコンタクタをバイパスする第１サブ供給線と、
   前記第１サブ供給線に設けられ、当該第１サブ供給線を接続または遮断する第１サブコンタクタと、
   前記第１サブ供給線に設けられた抵抗器と、
   前記正極側電力供給線および負極側電力供給線の他方の前記メインコンタクタよりも前記燃料電池側と、前記第１サブ供給線のうち前記第１サブコンタクタおよび前記抵抗器よりも前記電気負荷側と、を接続する第２サブ供給線と、
   前記第２サブ供給線に設けられ、当該第２サブ供給線を接続または遮断する第２サブコンタクタと、
   前記一対のメインコンタクタ、前記第１サブコンタクタ、および前記第２サブコンタクタを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池を起動する場合、前記第１サブコンタクタおよび前記他方の電力供給線のメインコンタクタを接続するとともに、前記第２サブコンタクタおよび前記一方の電力供給線のメインコンタクタを開放して、前記電気負荷に設けられた平滑コンデンサに充電し、
   前記燃料電池を停止する場合、前記一対のメインコンタクタを開放するとともに、前記第１サブコンタクタおよび前記第２サブコンタクタを接続し、前記燃料電池の残存電力を前記第１サブコンタクタおよび前記第２サブコンタクタを介して前記抵抗器で放電させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池を起動又は停止させるイグニッションスイッチを備え、
   前記電気負荷は、駆動モータを含み、
   前記平滑コンデンサの充電時に通電させるプリチャージ抵抗と前記燃料電池の放電時に通電させるディスチャージ抵抗とを別体で備えたものと比較して、前記抵抗器の抵抗値は前記ディスチャージ抵抗よりも前記プリチャージ抵抗の抵抗値に近く、前記抵抗器の定格電力値は前記プリチャージ抵抗よりも前記ディスチャージ抵抗の定格電力値に近いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムを搭載した車両。

Images