JP5199673B2 - 電池／キャパシタエネルギ貯蔵システムを持つ、ハイブリッド燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、全体として燃料電池システムに関し、更に詳細には、ＤＣ／ＤＣコンバータを不要にする、電池／キャパシタ電気エネルギ貯蔵システムを使用する燃料電池システムに関する。

水素は非常に魅力的な燃料である。これは、水素がクリーンであり、燃料電池で電気を効率的に発生するのに使用できるためである。自動車産業は、車輛用電源としての水素燃料電池の開発にかなりの資源を注ぎ込んできた。こうした車輛は、内燃エンジンを使用する今日の車輛よりも効率的であり、発生する排気が少ない。

水素燃料電池は、電気化学的装置であり、アノードと、カソードと、これらの間の電解質を含む。アノードが水素ガスを受け取り、カソードが酸素又は空気を受け取る。水素ガスはアノードで解離し、自由水素イオン(hydrogen proton) 及び電子を発生する。水素イオンは、電解質を通ってカソードに向かう。水素イオンはカソードで酸素及び電子と反応し、水を発生する。電子はアノードから電解質を通過できず、及びかくして負荷を通して差し向けられ、カソードに送られる前に仕事を行う。この仕事は、車輛を作動するように作用する。

陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車輛用の一つの一般的な燃料電池である。ＰＥＭＦＣは、一般的には、中実のポリマー電解質陽子伝達膜、例えばペルフルオロスルホン酸膜等を含む。アノード及びカソードは、代表的には、炭素粒子を担体とする、イオノマーと混合した微細な触媒粒子、通常はプラチナ（Ｐｔ）を含む。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物、及び膜の組み合わせが膜電極組立体（ＭＥＡ）を形成する。ＭＥＡは製造に比較的費用が掛かり、効果的に作動するには特定の条件を必要とする。これらの条件には、適切な水管理及び加湿、触媒を害する一酸化炭素（ＣＯ）等の成分を制御することが含まれる。

代表的には、燃料電池スタックで幾つかの燃料電池を組み合わせることによって所望の電力を発生する。燃料電池スタックは、カソード入力ガス、代表的には、コンプレッサがスタックを通して圧送する空気の流れを受け取る。全ての酸素がスタックで消費されるのではなく、空気の幾分かは、水をスタックの副生物として含有するカソード排気ガスとして出力される。燃料電池スタックは、更に、アノード水素入力ガスを受け取る。アノード水素入力ガスは、スタックのアノード側に流入する。

多くの燃料電池車輛はハイブリッド車輛であり、ＤＣ電池又はスーパーキャパシタ（ウルトラキャパシタ又は二層キャパシタともいう）等の蓄電可能な補助電源を燃料電池の他に使用する。電源は、車輛の様々な負荷に、システムの始動に、及び燃料電池スタックが所望の電力を提供できない場合の高電力要求中に補助的電力を提供する。更に詳細には、燃料電池スタックは、車輛を作動するためのＤＣバスラインを通して、トラクションモータ及び車輛の他のシステムに電力を提供する。電池は、燃料電池スタックが提供できる以上の追加の電力が必要とされる急加速中等の場合に、電圧バスラインに補助電力を提供する。例えば、燃料電池スタックは７０ｋＷの電力を提供できる。しかしながら、車輛の加速には１００ｋＷ又はそれ以上の電力を必要とする。燃料電池スタックがシステムの電力要求を満たすことができる場合等に、燃料電池スタックを使用して電池を蓄電する。更に、回生制動中にトラクションモータから得ることができる発電力を使用して、電池を、ＤＣバスラインを通して蓄電する。

上文中に論じたハイブリッド車輛では、代表的には、電池からのＤＣ電圧を昇圧し、電池の電圧をスタックの電圧で決まるバスライン電圧に適合し、電池の蓄電中にスタックの電圧を降圧するのに、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを必要とする。しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータには、比較的大きく、高価であり、重量があるという欠点がある。従って、補助電源を備えた燃料電池車輛からＤＣ／ＤＣコンバータをなくすのが望ましい。

当該産業において、燃料電池スタックの作動条件に亘る燃料電池の電圧の大きな変動を取り扱うことができる電源を提供することによって、燃料電池式ハイブリッド車輛のＤＣ／ＤＣコンバータをなくすための様々な試みがなされてきた。一つの周知のシステムでは、ウルトラキャパシタ（スーパーキャパシタ及び二層キャパシタとも呼ばれる）を補助電源として使用した。しかしながら、ウルトラキャパシタは、エネルギ量が電池と比較して小さいため、放電量が限られている。更に、ウルトラキャパシタは、システムの始動時にキャパシタを立ち上げるための電力装置を必要とする。車輛の燃料電池システムからＤＣ／ＤＣコンバータをなくすため、特定の種類の電池が使用されてきた。しかしながら、これらのシステムは、電池が特定のレベルを越えて放電する性能が限定されていた。換言すると、これらの種類の電池は、システムの作動中にＤＣバスラインの電圧の大きな変動により損傷してしまうのである。

米国で出願され、本願出願人に譲渡された「ＤＣ／ＤＣなしでの適合電池の燃料電池への接続」という表題の米国特許出願（米国代理人の事件番号は第ＧＰ−３０４８９５号）には、燃料電池ハイブリッド車輛のＤＣ／ＤＣコンバータをなくす、提案されたシステムが開示されている。このシステムは、全電圧作動範囲に亘って電圧出力をＤＣバスラインに適合した適合電池を使用する。しかしながら、この設計では、車輛の作動中の電池の充電状態（ＳＯＣ）変動により、ＮｉＭＨ電池等の当該技術分野の現在の電池の寿命が短くなる。例えば、電池のＳＯＣ変動は、その最小放電点の２０％容量と、その最大放電点の８０％容量との間であってもよく、ＳＯＣ変動が６０％になる。電池がこのような大きなＳＯＣ変動に亘って作動するため、電池の寿命が大幅に短くなってしまう。

本発明の教示によれば、電気的に互いに直列に接続されており且つ電力バスラインの燃料電池スタックと並列に接続されたスーパーキャパシタ及び電池を使用する、燃料電池システムを開示する。

一実施形態では、スーパーキャパシタの電力−エネルギ定格は、同じ電流に対する電池の電力−エネルギ定格よりも僅かに小さい。システムの作動中にスタックの電圧の変化に従って電力バスラインの電圧が変化するとき、スーパーキャパシタは、８５％ＳＯＣ変動等の比較的大きな電圧変動に亘って充電し放電する。スーパーキャパシタは、スタック電圧によって設定された電力バスラインの電圧変動を電池の電圧と均等化し、即ち適合する。従って、電池はＳＯＣ変動が比較的小さく、これは、そのＳＯＣサイクルを減少し、電池の寿命を維持するように作用する。更に、システムは、スーパーキャパシタと電気的に並列に接続されたダイオードを備えていてもよい。このダイオードは、キャパシタ（）に対して逆電圧保護を提供する。

本発明の追加の利点及び特徴は添付図面を参照して以下の説明及び特許請求の範囲を読むことにより、明らかになるであろう。

スーパーキャパシタ及び電池を使用する燃料電池システムに関する本発明の実施形態の以下の議論は、単なる例示であって、本発明又はその用途又は使用を限定しようとするものではない。例えば、本明細書中に説明した燃料電池システムは、ハイブリッド車輛に特定の用途がある。しかしながら、この燃料電池システムには、車輛の用途以外の用途がある。

図１は、燃料電池スタック１２を含む燃料電池システム１０の概略ブロック図である。燃料電池１２は、電気的に直列に接続された燃料電池２０のスタックを有する。燃料電池スタック１２は、高圧バスラインに電力を提供する。高圧バスラインは、この図では、正のバスライン１６及び負のバスライン１８として示してある。車輛用燃料電池システムでは、燃料電池スタック１２は、約４００個のセルを含んでいてもよい。この用途では、燃料電池スタック１２は、全負荷要求中にバスライン１６及び１８に約２８０Ｖを提供し、低負荷要求中にバスライン１６及び１８に約４００Ｖを提供する。これにより、バスライン１６及び１８には、約１２０Ｖの電圧変動が加わる。停止中の安全の目的のために燃料電池スタック１２をシステム１０から電気的に遮断するため、スイッチ３２が正のバスライン１６を燃料電池スタック１２から選択的に切り、スイッチ３４が負のバスライン１８を燃料電池スタック１２から選択的に切る。

本発明によれば、燃料電池システム１０は、電池１４と、ウルトラキャパシタ、二層キャパシタ、即ちスーパーキャパシタ３０とを含み、これらはバスライン１６及び１８に電気的に直列に接続されている。以下に詳細に論じるように、スーパーキャパシタ３０は、システム１０の作動中、バスライン１６及び１８の比較的大きなＳＯＣ電圧変動（１２０Ｖ）に対し、放電し、充電し、電池１４をバス電圧変動から遮断する。電池１４及びスーパーキャパシタ３０を組み合わせることによって、スタック１２が電力要求を提供できない急加速中等の場合に、バスライン１６及び１８に追加の電力を提供し、燃料電池スタック１２が作動していない場合に車輛の様々なシステムに補助的電力を提供する電気エネルギ貯蔵システム（ＥＥＳＳ）を提供する。一例では、燃料電池スタックが７０ｋＷの電力を提供し、追加の３０ｋＷの電力を電池１４及びスーパーキャパシタ３０の組み合わせが提供する。

電池１４が過充電されたり過放電されたりしないように、電池の種類、電池セルの数、電池１４の内部インピーダンス、及びアンペア時（Ａｈ）定格及び内部抵抗を含むセルの大きさを適当に選択することによって、電池１４を燃料電池スタック１２の電圧出力に適合する。電池１４は、本明細書中に説明した目的に適した、リチウムイオン（Ｌｉ−ｉｏｎ）電池、ニッケル−金属−水素化物（ハイドライド）（ＮｉＭＨ）電池、鉛電池等の任意の充電式電池であってもよい。スーパーキャパシタ３０は、燃料電池システムの電圧変動（キャップ電圧定格）を取り扱い、電池のＳＯＣ（キャップファラド定格）を制限するように適合され、選択される。

停止中の安全の目的のために電池１４及びスーパーキャパシタ３０をシステム１０から電気的に遮断するため、スイッチ３６が、電池１４及びスーパーキャパシタ３０を負のバスライン１８から選択的に切り、スイッチ３８が、電池１４及びスーパーキャパシタ３０を正のバスライン１６から選択的に切る。随意のバイパスダイオード４０がスーパーキャパシタ３０と並列に電気的に接続されており、逆電圧保護を提供する。詳細には、キャパシタ３０の上端子がキャパシタ３０の下端子よりも負になり始めた場合に、ダイオード４０が伝導を開始し、電流をキャパシタ３０を迂回させる
正のバスライン１６に位置決めされた遮断ダイオード４４は、電流が燃料電池スタック１２に逆流しないようにする。燃料電池システム１０は、電池１４及びスーパーキャパシタ３０の温度、電池１４及びスーパーキャパシタ３０の充電状態を監視するための様々なセンサ等を備えている。制御装置５０は、スイッチ３２、３４、３６、及び３８、並びに本明細書中の議論と矛盾しない他のシステム装置を制御する。

燃料電池システム１０は、バスライン１６及び１８に電気的に接続された電力インバータモジュール（ＰＩＭ）２２と、ＡＣ又はＤＣのトラクションモータ２４とを含む。ＰＩＭ２２は、バスラインに加えられたＤＣ電圧を、ＡＣトラクションモータ２４に適したＡＣ電圧に変換する。トラクションモータ２４は、当該技術分野でよく理解されているように、車輛を作動するための牽引力を提供する。トラクションモータ２４は、ＡＣ誘導モータ、ＡＣ永久磁石モータ、及びＡＣ三相同期マシン等の、本明細書中に説明した目的に適した任意のモータであってもよい。回生制動中にトラクションモータ２４が発電機として作動したとき、モータ２４からのＡＣ電力がＰＩＭによってＤＣ電力に変換され、これは、次いで、バスライン１６及び１８に加えられ、電池１４及びキャパシタ３０を蓄電する。遮断ダイオード４４は、バスライン１６及び１８に加えられた回生電気エネルギが燃料電池スタック１２に流入しないようにする。遮断ダイオード４４が設けられていないと、回生電気エネルギにより燃料電池スタック１２が損傷してしまう。

燃料電池システム１０は、更に、バスライン１６及び１８に電気的に接続された電力管理−分配（ＰＭＤ）システム２６を含む。ＰＭＤシステム２６は、バスライン１６及び１８に加えられた高圧電力を車輛のライトやヒーター等の副ユニット２８に適した低いＤＣ電圧又はＡＣ電圧に変換する。

スーパーキャパシタ３０は、システム１０の作動中、スタック１２と電池１４との間の電圧を適合することによって、スタック１２の電圧変化を均等化する。例えば車輛のアイドリング中にトラクションモータ２４等の車輛のシステムが電力バスライン１６及び１８から最少の電力を引き出すとき、スタック電圧からバスライン１６及び１８に加わる電圧は高い（４００ｖ）。車輛の電力要求が上昇するに従って、ライン１６及び１８に加わる電位が減少する。周知のシステムでは、ＤＣ／ＤＣコンバータが、変更時に、電池１４で大きなＳＯＣ変動が起こらないように、電池１４の電圧を、バスライン１６及び１８に加わる電圧に適合する。上文中に論じたように、ＤＣ／ＤＣコンバータをなくし、スーパーキャパシタ３０を設けることによって、スーパーキャパシタ３０に充電状態の大きな変動が加わり、かくして電圧の適合を行い、電池１４を電圧変動から遮断する。理想的キャパシタについては、ＳＯＣ及び電圧は正比例し、ＳＯＣ＝Ｖactual／Ｖmax であり、電圧は、キャパシタ３０に蓄えられた充電量に従って直接的に決定され、Ｖ＝Ｑ／Ｃ（Ｑ＝充電量［Ａｓ］、Ｃ＝静電容量［Ｆ］）である。

一実施形態では、電池１４の開路電圧（ＯＣＶ）は約２８０Ｖであり、いっぱいに充電した場合のスーパーキャパシタ３０の電圧は１２０Ｖである。従って、スーパーキャパシタ３０及び電池１４の電圧の組み合わせは、低電力要求中のスタック電圧とほぼ同じであり、電圧を適合する。システム１０の電力要求が増大し、スタック電圧が減少するに従って、スーパーキャパシタ３０が放電を開始し、その電圧が低下する。電池１４に加わる電圧は、ほぼ同じままであり、これから電池の抵抗による電圧降下が差し引かれる。システム１０での電力要求が最大のとき、スタック電圧は約２８０Ｖであり、スーパーキャパシタ３０に加わる電圧は完全放電状態になる。この状態では、スタック電圧は、電池１４の２８０Ｖと適合する。キャパシタ３０が空でも、ダイオード４０を通して電流を迂回させることによって、電池１４を車輛の始動時及び停止時に使用できる。従って、システム１０には、スーパーキャパシタ３０が大きな電圧を提供でき、所定のＳＯＣ変動を提供でき、電池１４のエネルギ容量が大きいという利点がある。

一実施形態では、電池１４は、システム１０に必要な補助電力の約２／３を提供し、スーパーキャパシタ３０が補助電力の約１／３を提供する。例えば、スタック１２が７０ｋＷの電力を提供する場合、電池１４が２０ｋＷの電力を提供し、スーパーキャパシタ３０が１０ｋＷの電力を提供し、システム１０で所望の１００ｋＷを得てもよい。更に、電池１４のＳＯＣ変動は約２０％であり、キャパシタ３０のＳＯＣ変動は約８５％である。更に、スーパーキャパシタ３０の電力−エネルギ比は、同じ電流に対する電池の電力−エネルギ比よりもかなり小さい。

電池１４及びキャパシタ３０の過充電又は過電流を回避するため、適当なダイオード／接触器／抵抗器ネットワーク（図示せず）を電池１４及びスーパーキャパシタ３０と直列に配置してもよい。更に、キャパシタ３０が空でも、電池１４をシステム１０の始動及び停止に使用できる。２つの蓄電システムの自己放電特性が異なる場合に電池１４又はキャパシタ３０のＳＯＣを長期に亘って均等化するため、キャパシタ３０又は電池１４の夫々と並列のスイッチ付き抵抗器５２及び５４を使用してもよい。

以上の議論は、本発明の単なる例示の実施形態を開示し説明するものである。当業者は、以上の議論、添付図面、及び特許請求の範囲から、特許請求の範囲に定義した本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変形及び変更を行うことができるということを容易に理解するであろう。

図１は、本発明の一実施形態によるハイブリッド車輛用の燃料電池システムの概略ブロック図であり、この図では、システムは、電気エネルギ貯蔵システムを提供し、ＤＣ／ＤＣコンバータに対する必要をなくす、電池及びスーパーキャパシタを含む。

Claims (21)

1. 燃料電池システムにおいて、
   電力バスラインと、
   前記電力バスラインに対して電気的に接続された燃料電池スタックと、
   前記電力バスラインに対して電気的に接続された電池と、
   前記電池と直列に、前記電力バスラインに対して電気的に接続されたキャパシタとを含み、前記キャパシタは、前記電力バスラインの電圧が変動した際に、その変動に適合する電圧を提供し、
   前記電池は、燃料電池スタックの電力に加え、補助電力の２／３を提供し、前記キャパシタは、補助電力の１／３を提供する、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において、更に、
   前記キャパシタと並列に、電気的に接続されたダイオードを含み、
   前記ダイオードは、前記キャパシタのために逆電圧保護を提供する、燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記電池は、リチウム電池、ニッケル−金属−水素化物電池、鉛蓄電池からなる群から選択される、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記キャパシタは、スーパーキャパシタ、二層キャパシタ、及びウルトラキャパシタからなる群から選択される、燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックは、７０ｋＷの電力を提供し、前記電池は、２０ｋＷの電力を提供し、前記キャパシタは、１０ｋＷの電力を提供する、燃料電池システム。
6. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記キャパシタの充電状態変動は８５％であり、前記電池の充電状態変動は２０％である、燃料電池システム。
7. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、更に、
   前記システムの充電状態を長期に亘って均等化するために、前記キャパシタ又は前記電池に対して電気的に並列に接続されたスイッチ付き抵抗器を含む、燃料電池システム。
8. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、更に、
   前記電力バスラインと電気的に接続されたＡＣ又はＤＣのトラクションモータシステムを含み、
   前記モータシステムは、回生制動中、前記電池及び前記キャパシタを蓄電するため、前記電力バスラインに電圧を提供する、燃料電池システム。
9. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムは、燃料電池ハイブリッド車輛に設けられる、燃料電池システム。
10. 燃料電池システムにおいて、
    電力バスラインと、
    前記電力バスラインに対して電気的に接続された燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックと並列に、前記電力バスラインに対して電気的に接続された電池と、
    前記電池と直列に且つ前記燃料電池スタックと並列に、前記電力バスラインに対して電気的に接続されたスーパーキャパシタとを含み、
    前記キャパシタは、充電状態変動が８５％であり、したがってスタック電圧の変化で決まる前記電力バスラインの電圧変動に適合する電圧を提供することが可能であり、
    前記電池は、燃料電池スタックの電力に加え、補助電力の２／３を提供し、前記スーパーキャパシタは、補助電力の１／３を提供する、燃料電池システム。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、更に、
    前記スーパーキャパシタと並列に電気的に接続されたダイオードを含み、
    当該ダイオードは、前記キャパシタに対して逆電圧保護を提供する、燃料電池システム。
12. 請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記電池は、リチウム電池、ニッケル−金属−水素化物電池、鉛蓄電池からなる群から選択される、燃料電池システム。
13. 請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記システムの充電状態を長期に亘って均等化するために、前記キャパシタ又は前記電池に電気的に並列に接続されたスイッチ付き抵抗器を含む、燃料電池システム。
14. 請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記電力バスラインと電気的に接続されたＡＣ又はＤＣのトラクションモータシステムを含み、前記モータシステムは、回生制動中、前記電池及び前記キャパシタを蓄電するために、前記電力バスラインに電圧を提供する、燃料電池システム。
15. 請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池システムは、燃料電池ハイブリッド車輛に設けられる、燃料電池システム。
16. 燃料電池ハイブリッド車輛用燃料電池システムにおいて、
    電力バスラインと、
    前記電力バスラインに対して電気的に接続された燃料電池スタックと、
    前記電力バスラインに対して電気的に接続された電池と、
    前記電池と直列に、前記電力バスラインに対して電気的に接続されたスーパーキャパシタであって、前記電力バスラインの電圧が変動した際に、その変動に適合する電圧を提供する、スーパーキャパシタと、
    車輛を駆動するために、前記電力バスラインと電気的に接続されたＡＣ又はＤＣのトラクションモータシステムとを含み、
    前記モータシステムは、回生制動中、前記電池及び前記スーパーキャパシタを蓄電するために、前記電力バスラインに電圧を提供し、
    前記電池は、燃料電池スタックの電力に加え、補助電力の２／３を提供し、前記スーパーキャパシタは、補助電力の１／３を提供する、燃料電池システム。
17. 請求項１６に記載の燃料電池システムにおいて、更に、
    前記キャパシタに並列に電気的に接続されたダイオードを含み、
    前記ダイオードは、前記キャパシタに対して逆電圧保護を提供する、燃料電池システム。
18. 請求項１６に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記電池は、リチウム電池、ニッケル−金属−水素化物電池、鉛蓄電池からなる群から選択される、燃料電池システム。
19. 請求項１６に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池スタックは、７０ｋＷの電力を提供し、前記電池は、２０ｋＷの電力を提供し、前記キャパシタは、１０ｋＷの電力を提供する、燃料電池システム。
20. 請求項１６に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記キャパシタの充電状態変動は８５％であり、前記電池の充電状態変動は２０％である、燃料電池システム。
21. 請求項１６に記載の燃料電池システムにおいて、更に、
    前記システムの充電状態を長期に亘って均等化するために、前記キャパシタ又は前記電池と電気的に並列に接続されたスイッチ付き抵抗器を含む、燃料電池システム。

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