JP5110410B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池とそれに接続された負荷とを備える燃料電池システムに関する。
燃料電池とそれに接続された負荷とを備える燃料電池システムとして、燃料電池の出力電圧を第1のDC/DCコンバータで昇圧して負荷に出力するとともに、負荷に必要な電力が燃料電池の出力だけでは不足するときにその不足分を蓄電装置から第2のDC/DCコンバータを介して前記負荷に出力し、燃料電池の出力電力が負荷の電力を超過するときには前記第1のDC/DCコンバータおよび第2のDC/DCコンバータを介して燃料電池から蓄電装置に電力を供給して蓄電装置を充電するシステムが知られている(例えば、特許文献1参照)。
下記特許文献1に記載の燃料電池システムにおける制御装置は、負荷としてのモータの目標電力を算出し、その目標電力に応じてモータの目標電圧を算出し、燃料電池の目標出力電流を算出し、その目標出力電流を第1のDC/DCコンバータの目標電流としてフィードバック制御し、モータの目標電圧を第2のDC/DCコンバータの目標電圧としてフィードバック制御するものである。また、第2のDC/DCコンバータから出力された直流電力を交流電力に変換してモータに出力するインバータを備えている。
特開2007−318938号公報
上記特許文献1に記載の技術において、例えば電力供給源であって昇圧コンバータである第1のDC/DCコンバータに異常が発生し駆動停止となった場合、電力消費先であるインバータ(モータ)の停止が遅れると、正常であるバッテリコンバータである第2のDC/DCコンバータから大電流を引いてしまい、第2のDC/DCコンバータや蓄電装置が破損に至るおそれがある。
一方、電力消費先であるインバータ(モータ)に異常が発生し駆動停止となった場合、第1のDC/DCコンバータの停止が遅れると、余剰電力の消費先が無くなり、昇圧後の電圧が過度に上昇してしまい、第1のDC/DCコンバータが破損に至るおそれがある。
従って、燃料電池の昇圧コンバータである第1のDC/DCコンバータやインバータに異常が発生した場合、それら異常が発生した機器のみならず他の機器も即座に停止する必要がある。しかしながら、従来の技術では燃料電池システム全体を制御する制御部に異常が発生したことを報知する信号を送信し、その信号に基づいて制御部が各部を停止する処理を行っているため、制御部における情報処理が介在することになり即座に各部を停止することができなかった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、昇圧コンバータやインバータに異常が発生した場合であっても、他の部分が破損しないように構成した燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に接続された負荷とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池と前記負荷との間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して前記負荷に出力するコンバータと、前記コンバータから出力された直流電力を交流電力に変換して前記負荷へ出力するインバータと、前記燃料電池、前記コンバータ、及び前記インバータを制御する制御部と、を備えると共に、前記コンバータは前記制御部と信号の授受を行って当該コンバータを制御するコンバータ制御部を有し、前記インバータは前記制御部と信号の授受を行って当該インバータを制御するインバータ制御部を有し、前記コンバータ及び前記インバータの一方に異常が発生した場合に、前記コンバータ制御部及び前記インバータ制御部を経由せずに他方にその異常発生を報知するための異常信号が伝達され、前記コンバータ及び前記インバータの双方を停止させることを特徴とする。
本発明によれば、コンバータ及びインバータの一方に異常が発生した場合に、コンバータ制御部及びインバータ制御部を経由せずに他方にその異常発生を報知するための異常信号が伝達されるので、コンバータ制御部やインバータ制御部並びに制御部における情報処理を介在させずに迅速に異常信号を他方に伝達することができる。従って、コンバータ及びインバータの一方に異常が発生した場合に、その異常の発生とほぼ同時にコンバータ及びインバータの双方を停止させることが可能となり、電力供給源及び電力消費先の双方を即時停止させることで更なる異常の発生や破損を防止することができる。
本発明によれば、昇圧コンバータやインバータに異常が発生した場合であっても、他の部分が破損しないように構成した燃料電池システムを提供することができる。
本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を示す図である。 図1に示す燃料電池システムのFC昇圧コンバータ及びトラクションインバータを含む部分について示した図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムFCSについて図1を参照しながら説明する。図1は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムFCSのシステム構成を示す図である。燃料電池システムFCSは、燃料電池自動車(FCHV)、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができる。
燃料電池システムFCSは、燃料電池FCと、酸化ガス供給系ASSと、燃料ガス供給系FSSと、電力系ESと、冷却系CSと、コントローラECとを備えている。燃料電池FCは、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の供給を受けて発電するものである。酸化ガス供給系ASSは、酸化ガスとしての空気を燃料電池FCに供給するための系である。燃料ガス供給系FSSは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池FCに供給するための系である。電力系ESは、電力の充放電を制御するための系である。冷却系CSは、燃料電池FCを冷却するための系である。コントローラEC(制御部)は、燃料電池システムFCS全体を統括制御するコントローラである。
燃料電池FCは、多数のセル(アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池(発電体))を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池FCでは、通常の運転において、アノードにおいて(1)式の酸化反応が生じ、カソードにおいて(2)式の還元反応が生じる。燃料電池FC全体としては(3)式の起電反応が生じる。
2→2H++2e- (1)
(1/2)O2+2H++2e-→H2O (2)
2+(1/2)O2→H2O (3)
酸化ガス供給系ASSは、酸化ガス流路AS3と酸化オフガス流路AS4とを有している。酸化ガス流路AS3は、燃料電池FCのカソードに供給される酸化ガスが流れる流路である。酸化オフガス流路AS4は、燃料電池FCから排出される酸化オフガスが流れる流路である。
酸化ガス流路AS3には、エアコンプレッサAS2と、加湿器AS5とが設けられている。エアコンプレッサAS2は、フィルタAS1を介して大気中から酸化ガスを取り込むためのコンプレッサである。加湿器AS5は、エアコンプレッサAS2により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器である。
酸化オフガス流路AS4には、圧力センサS6と、背圧調整弁A3と、加湿器AS5とが設けられている。背圧調整弁A3は、酸化ガス供給圧を調整するための弁である。加湿器AS5は、酸化ガス(ドライガス)と酸化オフガス(ウェットガス)との間で水分交換するためのものとして設けられている。
燃料ガス供給系FSSは、燃料ガス供給源FS1と、燃料ガス流路FS3と、循環流路FS4と、循環ポンプFS5と、排気排水流路FS6とを有している。燃料ガス流路FS3は、燃料ガス供給源FS1から燃料電池FCのアノードに供給される燃料ガスが流れる流路である。循環流路FS4は、燃料電池FCから排出される燃料オフガスを燃料ガス流路FS3に帰還させるための流路である。循環ポンプFS5は、循環流路FS4内の燃料オフガスを燃料ガス流路FS3に圧送するポンプである。排気排水流路FS6は、循環流路FS4に分岐接続される流路である。
燃料ガス供給源FS1は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧(例えば、35MPa〜70MPa)の水素ガスを貯蔵するものである。遮断弁H1を開くと、燃料ガス供給源FS1から燃料ガス流路FS3に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータH2やインジェクタFS2により、例えば、200kPa程度まで減圧されて、燃料電池FCに供給される。
燃料ガス流路FS3には、遮断弁H1と、レギュレータH2と、インジェクタFS2と、遮断弁H3と、圧力センサS4とが設けられている。遮断弁H1は、燃料ガス供給源FS1からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。レギュレータH2は、燃料ガスの圧力を調整するものである。インジェクタFS2は、燃料電池FCへの燃料ガス供給量を制御するものである。遮断弁H3は、燃料電池FCへの燃料ガス供給を遮断するための弁である。
レギュレータH2は、その上流側圧力(一次圧)を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタFS2の上流側にレギュレータH2を配置することにより、インジェクタFS2の上流側圧力を効果的に低減させることができる。
インジェクタFS2は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタFS2は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に格納保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
インジェクタFS2の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントローラECから出力される制御信号によってインジェクタFS2のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御することが可能なように構成されている。インジェクタFS2は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタFS2のガス流路に設けられた弁体の開口面積(開度)及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量(又は水素モル濃度)を調整する。
循環流路FS4には、遮断弁H4が設けられ、排気排水流路FS6が接続されている。排気排水流路FS6には、排気排水弁H5が設けられている。排気排水弁H5は、コントローラECからの指令によって作動することにより、循環流路FS4内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁H5の開弁により、循環流路FS4内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
排気排水弁H5を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路AS4を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器(図示せず)によって希釈される。循環ポンプFS5は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池FCに循環供給する。
電力系ESは、DC/DCコンバータES1と、バッテリES2と、トラクションインバータES3と、トラクションモータES4と、補機類ES5と、FC昇圧コンバータES6とを備えている。燃料電池システムFCSは、DC/DCコンバータES1とトラクションインバータES3とが並列に燃料電池FCに接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。DC/DCコンバータES1とトラクションインバータES3とはPCU(Power Control Unit)を構成している。
FC昇圧コンバータES6は、燃料電池FCの出力電圧を昇圧してトラクションインバータES3及びトラクションモータES4に向けて出力する機能を有するDC/DCコンバータである。DC/DCコンバータES1は、バッテリES2から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータES3に出力する機能と、燃料電池FCが発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータES4が回収した回生電力を降圧してバッテリES2に充電する機能とを有する。DC/DCコンバータES1のこれらの機能により、バッテリES2の充放電が制御される。また、DC/DCコンバータES1による電圧変換制御により、燃料電池FCの運転ポイント(出力端子電圧、出力電流)が制御される。燃料電池FCには、電圧センサS1と電流センサS2とが取り付けられている。電圧センサS1は、燃料電池FCの出力端子電圧をFC昇圧コンバータES6が昇圧した電圧を検出するためのセンサである。電流センサS2は、燃料電池FCの出力電流を検出するためのセンサである。また、昇圧コンバータES6とトラクションインバータES3との間には温度センサS7が取り付けられている。
バッテリES2は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリES2としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリES2には、SOC(State of charge)を検出するためのSOCセンサS3が取り付けられている。
トラクションインバータES3は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータである。トラクションインバータES3は、コントローラECからの制御指令に従って、燃料電池FC又はバッテリES2から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータES4の回転トルクを制御する。トラクションモータES4は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
補機類ES5は、燃料電池システムFCS内の各部に配置されている各モータ(例えば、ポンプ類などの動力源)、これらのモータを駆動するためのインバータ類、及び各種の車載補機類(例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど)を総称するものである。
冷却系CSは、ラジエータCS1と、冷却液ポンプCS2と、冷却液往路CS3と、冷却液復路CS4とを有している。ラジエータCS1は、燃料電池FCを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。冷却液ポンプCS2は、冷却液を燃料電池FCとラジエータCS1との間で循環させるためのポンプである。冷却液往路CS3は、ラジエータCS1と燃料電池FCとを繋ぐ流路であって、冷却液ポンプCS2が設けられている。冷却液ポンプCS2が駆動することで、冷却液はラジエータCS1から燃料電池FCへと冷却液往路CS3を通って流れる。冷却液復路CS4は、燃料電池FCとラジエータCS1とを繋ぐ流路であって、水温センサS5が設けられている。冷却液ポンプCS2が駆動することで、燃料電池FCを冷却した冷却液はラジエータCS1へと還流する。
コントローラEC(制御部)は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムFCSの各部を制御するものである。例えば、コントローラECは、イグニッションスイッチから出力される起動信号IGを受信すると、燃料電池システムFCSの運転を開始する。その後、コントローラECは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ACCや、車速センサから出力される車速信号VCなどを基に、燃料電池システムFCS全体の要求電力を求める。燃料電池システムFCS全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。
ここで、補機電力には、車載補機類(加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等)で消費される電力、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等)で消費される電力、乗員空間内に配設される装置(空調装置、照明器具、及びオーディオ等)で消費される電力などが含まれる。
そして、コントローラECは、燃料電池FCとバッテリES2とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラECは、燃料電池FCの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ASS及び燃料ガス供給系FSSを制御する。また、コントローラECは、DC/DCコンバータES1に指示信号を出力し、DC/DCコンバータES1によるコンバータ制御を実行させ、燃料電池FCの運転ポイント(出力端子電圧、出力電流)を制御する。更に、コントローラECは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、U相、V相、及びW相の各交流電圧指令値をトラクションインバータES3に出力し、トラクションモータES4の出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラECは、冷却系CSを制御して燃料電池FCが適切な温度になるように制御する。
続いて、FC昇圧コンバータES6及びトラクションインバータES3の一方に異常が発生した場合に迅速に双方を停止させるための構成について図2を参照しながら説明する。図2は、図1のFC昇圧コンバータES6及びトラクションインバータES3を含む部分について、より詳細に記載したブロック構成図である。
図2に示すように、FC昇圧コンバータES6には、FC昇圧コンバータES6を制御するためのコンバータ制御装置ECaが設けられている。コンバータ制御装置ECaは、コンバータ制御部ECa1を備えている。コンバータ制御部ECa1は、CPU(Central Processing Unit)であって、信号線L1によってコントローラECと繋がれており、コントローラECとの間で所定の制御信号を授受するように構成されている。また、コンバータ制御部ECa1は、信号線ECa2によってFC昇圧コンバータES6と繋がれており、FC昇圧コンバータES6に対して所定の制御信号を出力し、FC昇圧コンバータES6からは所定の状態信号(FC昇圧コンバータES6の状態を示す信号)を受け取ることが可能なように構成されている。従って、コンバータ制御部ECa1は、コントローラECと制御信号の授受を行ってFC昇圧コンバータES6を制御する部分として機能している。
一方、トラクションインバータES3には、トラクションインバータES3を制御するためのインバータ制御装置ECbが設けられている。インバータ制御装置ECbは、インバータ制御部ECb1を備えている。インバータ制御部ECb1は、CPU(Central Processing Unit)であって、信号線L2によってコントローラECと繋がれており、コントローラECとの間で所定の制御信号を授受するように構成されている。インバータ制御部ECb1は、信号線ECb2によってトラクションインバータES3と繋がれており、トラクションインバータES3に対して所定の制御信号を出力し、トラクションインバータES3からは所定の状態信号(トラクションインバータES3の状態を示す信号)を受け取ることが可能なように構成されている。従って、インバータ制御部ECb1は、コントローラECと制御信号の授受を行ってトラクションインバータES3を制御する部分として機能している。
上述したような構成に対して、本実施形態では、異常信号線L3及び異常信号線L4を設けている。異常信号線L3は、FC昇圧コンバータES6で異常が発生した場合に、その異常発生を報知するための異常信号をトラクションインバータES3に対して送信するための信号線である。異常信号線L3は、FC昇圧コンバータES6から延出し、コンバータ制御装置ECa及びインバータ制御装置ECbを経由し、トラクションインバータES3に繋がっている。異常信号線L3は、コンバータ制御装置ECa及びインバータ制御装置ECbを経由するものの、コンバータ制御装置ECa内のコンバータ制御部ECa1及びインバータ制御装置ECb内のインバータ制御部ECb1は経由しておらず、実質的にFC昇圧コンバータES6とトラクションインバータES3とを直接接続するハード線として機能している。従って、FC昇圧コンバータES6で異常が発生した場合に、その異常発生を報知するための異常信号は、情報処理がなされることなく直接的にトラクションインバータES3に伝達され、FC昇圧コンバータES6とトラクションインバータES3とを略同時に停止させることが可能となる。
異常信号線L4は、トラクションインバータES3で異常が発生した場合に、その異常発生を報知するための異常信号をFC昇圧コンバータES6に対して送信するための信号線である。異常信号線L4は、トラクションインバータES3から延出し、インバータ制御装置ECb及びコンバータ制御装置ECaを経由し、FC昇圧コンバータES6に繋がっている。異常信号線L4は、インバータ制御装置ECb及びコンバータ制御装置ECaを経由するものの、インバータ制御装置ECb内のインバータ制御部ECb1及びコンバータ制御装置ECa内のコンバータ制御部ECa1は経由しておらず、実質的にトラクションインバータES3とFC昇圧コンバータES6とを直接接続するハード線として機能している。従って、トラクションインバータES3で異常が発生した場合に、その異常発生を報知するための異常信号は、情報処理がなされることなく直接的にFC昇圧コンバータES6に伝達され、トラクションインバータES3とFC昇圧コンバータES6とを略同時に停止させることが可能となる。
FCS:燃料電池システム
FC:燃料電池
ASS:酸化ガス供給系
AS1:フィルタ
AS2:エアコンプレッサ
AS3:酸化ガス流路
AS4:酸化オフガス流路
AS5:加湿器
A3:背圧調整弁
CS:冷却系
CS1:ラジエータ
CS2:冷却液ポンプ
CS3:冷却液往路
CS4:冷却液復路
FSS:燃料ガス供給系
FS1:燃料ガス供給源
FS2:インジェクタ
FS3:燃料ガス流路
FS4:循環流路
FS5:循環ポンプ
FS6:排気排水流路
H1:遮断弁
H2:レギュレータ
H3:遮断弁
H4:遮断弁
H5:排気排水弁
ES:電力系
ES1:DC/DCコンバータ
ES2:バッテリ
ES3:トラクションインバータ
ES4:トラクションモータ
ES5:補機類
ES6:FC昇圧コンバータ
EC:コントローラ
S1:電圧センサ
S2:電流センサ
S3:SOCセンサ
S4,S6:圧力センサ
S5:水温センサ
ACC:アクセル開度信号
IG:起動信号
VC:車速信号

Claims (1)

  1. 燃料電池と、前記燃料電池に接続された負荷とを備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池と前記負荷との間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して前記負荷に出力するコンバータと、
    前記コンバータから出力された直流電力を交流電力に変換して前記負荷へ出力するインバータと、
    前記燃料電池、前記コンバータ、及び前記インバータを制御する制御部と、を備えると共に、
    前記コンバータは前記制御部と信号の授受を行って当該コンバータを制御するコンバータ制御部を有し、前記インバータは前記制御部と信号の授受を行って当該インバータを制御するインバータ制御部を有し、
    前記コンバータ及び前記インバータの一方に異常が発生した場合に、前記コンバータ制御部及び前記インバータ制御部を経由せずに他方にその異常発生を報知するための異常信号が伝達され、前記コンバータ及び前記インバータの双方を停止させることを特徴とする燃料電池システム。
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