JP5273435B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
一般に、燃料電池システムを搭載した車両では、燃料電池および二次電池からの電力供給によってトラクションモータを駆動させている。ここで、燃料電池から出力された直流電流は、ケーブルを介してトラクションインバータに入力され、このトラクションインバータで三相交流に変換された後、トラクションモータに供給される。また、燃料電池とトラクションインバータとの間には、燃料電池のセル積層体(セルスタック)に含まれる各セルの電圧を検出するためのセルモニタが配置される(下記特許文献1および2参照)。
ところで、燃料電池とトラクションインバータとを接続するケーブルには、電流値の大きな直流電流が流れるため、太く重いケーブルを用いる必要がある。さらに、燃料電池とトラクションインバータとの間には、セルモニタが配置されているため、太く重いケーブルのケーブル長が長くなってしまう。このようなケーブルを使用することは、スペース効率や軽量化の妨げになる。 By the way, since a direct current with a large current value flows through the cable connecting the fuel cell and the traction inverter, it is necessary to use a thick and heavy cable. Furthermore, since a cell monitor is disposed between the fuel cell and the traction inverter, the cable length of a thick and heavy cable becomes long. Use of such a cable hinders space efficiency and weight reduction.
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、スペース効率を向上させ軽量化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems caused by the prior art, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of improving the space efficiency and reducing the weight.
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、複数のセルが積層してなるセル積層体を有し、酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、セル積層体の一部のセルの電圧を検出するセル電圧検出部と、燃料電池から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側に出力する直流電圧変換部と、を備え、直流電圧変換部およびセル電圧検出部は、燃料電池の外面を構成するいずれかのプレート上に配置されることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention has a cell stack formed by stacking a plurality of cells, and generates a power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas; DC voltage conversion comprising: a cell voltage detection unit that detects the voltage of a part of the cells of the cell stack; and a DC voltage conversion unit that boosts a DC voltage input from the fuel cell and outputs the boosted voltage to the power consuming device side And the cell voltage detector are arranged on any one of the plates constituting the outer surface of the fuel cell.
この発明によれば、燃料電池の外面を構成するいずれかのプレート上に、直流電圧変換部を配置することができるため、燃料電池と直流電圧変換部との間の距離を短くすることができ、燃料電池から出力される電流値の大きな直流電流を流す区間を短くすることができる。また、直流電圧変換部を燃料電池に隣接させて配置することで、燃料電池の出力電圧を一定に保持させることが可能となるため、セル電圧検出部を全てのセルに対応させて設ける必要がなくなり、一部のセルに対してのみセル電圧検出部を設けることができる。 According to the present invention, since the DC voltage converter can be disposed on any of the plates constituting the outer surface of the fuel cell, the distance between the fuel cell and the DC voltage converter can be shortened. The section through which a direct current having a large current value output from the fuel cell flows can be shortened. In addition, since the DC voltage conversion unit is arranged adjacent to the fuel cell, the output voltage of the fuel cell can be kept constant. Therefore, it is necessary to provide the cell voltage detection unit corresponding to all the cells. The cell voltage detector can be provided only for some cells.
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池において発電された電力を充電する蓄電部と、蓄電部から入力された直流電圧を調整して電力消費装置側に出力し、直流電圧変換部または電力消費装置側から入力された直流電圧を調整して蓄電部に出力する蓄電部用直流電圧変換部と、をさらに備えることとしてもよい。 In the fuel cell system, by adjusting the charge reservoir unit that charges electric power generated by the fuel cell, a DC voltage input from the charge reservoir unit outputs to the power consuming device side, the DC voltage converter or power consumption a charge reservoir section for the DC voltage converter which outputs the charge reservoir portion by adjusting the DC voltage inputted from the apparatus may further include a.
上記燃料電池システムにおいて、上記プレートは、燃料電池の外面のうち、燃料電池を設置した際に上部側に位置する面以外のいずれかの面を構成することとしてもよい。 In the fuel cell system, the plate may constitute any surface of the outer surface of the fuel cell other than the surface positioned on the upper side when the fuel cell is installed.
このようにすることで、直流電圧変換部およびセル電圧検出部を、燃料電池の上面側以外の面を構成するプレート上に配置させることができる。 By doing in this way, a DC voltage conversion part and a cell voltage detection part can be arrange | positioned on the plate which comprises surfaces other than the upper surface side of a fuel cell.
上記燃料電池システムにおいて、上記プレートは、燃料電池の外面のうち、燃料電池を設置した際に下部側に位置する面を構成することとしてもよい。 The said fuel cell system WHEREIN: The said plate may comprise the surface located in the lower part side when installing a fuel cell among the outer surfaces of a fuel cell.
このようにすることで、直流電圧変換部およびセル電圧検出部を、燃料電池の下面を構成するプレートの下面側に配置させることができる。 By doing in this way, a DC voltage conversion part and a cell voltage detection part can be arrange | positioned at the lower surface side of the plate which comprises the lower surface of a fuel cell.
上記燃料電池システムにおいて、上記セル電圧検出部は、セル積層体の積層方向端部に位置する端セルの電圧をそれぞれ検出する複数の検出部を有し、上記直流電圧変換部は、当該検出部間に配置されることとしてもよい。 In the fuel cell system, the cell voltage detection unit includes a plurality of detection units that respectively detect voltages of end cells located at end portions in the stacking direction of the cell stack, and the DC voltage conversion unit includes the detection unit. It is good also as arrange | positioning between.
このようにすることで、直流電圧変換部を、複数の検出部間に形成されるスペースに配置させることができる。 By doing in this way, a direct-current voltage conversion part can be arranged in the space formed between a plurality of detection parts.
上記燃料電池システムにおいて、上記プレートは金属性材料からなることとしてもよい。 In the fuel cell system, the plate may be made of a metallic material.
このようにすることで、直流電圧変換部から発生する熱を、プレートを伝導させて放熱させることができる。 By doing in this way, the heat | fever which generate | occur | produces from a direct-current voltage converter can be radiated by conducting a plate.
本発明によれば、スペース効率を向上させ軽量化を図ることができる。 According to the present invention, space efficiency can be improved and weight reduction can be achieved.
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして用いた場合について説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell system according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings. This embodiment demonstrates the case where the fuel cell system which concerns on this invention is used as a vehicle-mounted power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle).
図1を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図1は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。 With reference to FIG. 1, the structure of the fuel cell system in this embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to an embodiment.
同図に示すように、燃料電池システム1は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池2と、酸化ガスとしての空気を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系3と、燃料ガスとしての水素を燃料電池2に供給する水素ガス配管系4と、システムの電力を充放電する電力系5と、システム全体を統括制御する制御部6とを有する。燃料電池2および水素ガス配管系4により水素ガス供給機構が構成される。
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 1 includes a
燃料電池2は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数のセルを積層してなるセル積層体21(セルスタック)を有する。各セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
The
燃料電池2は、セル積層体21の両端に位置する端セルの外側にそれぞれ設けられたエンドプレート22と、セル積層体21の上端側において両エンドプレート22間を締結するテンションプレート23と、セル積層体21の下端側において両エンドプレート22間を締結するベースプレート24(プレート)とを有する。テンションプレート23とベースプレート24とを用いて両エンドプレート22間を締結することにより、セル積層体21がセルの積層方向に所定の圧縮力がかかった状態で保持される。
The
ベースプレート24の下面側には、後述する燃料電池用のDC/DCコンバータ51およびセルモニタ52が配置される。ベースプレート24は、例えば、アルミ等のように所定以上の熱伝導率を有する金属性材料からなる。これにより、DC/DCコンバータ51から発生する熱を、ベースプレート24を介してエンドプレート22に伝導させて放熱させることができるため、DC/DCコンバータ51の冷却効果を向上させることができる。
A fuel cell DC /
ベースプレート24を設けることで、DC/DCコンバータ51とセルモニタ52とをそれぞれ配置するためのプレート、およびテンションプレートを、一枚のベースプレート24のみで実現することができるため、燃料電池システム1の構成を簡易にできるとともに、燃料電池システム1の軽量化を図ることができる。
By providing the
酸化ガス配管系3は、フィルタ30を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ31と、酸化ガスを燃料電池2に供給するための空気供給流路32と、燃料電池2から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路33とを有する。
The oxidizing
水素ガス配管系4は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク40と、水素タンク40の水素ガスを燃料電池2に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路41と、燃料電池2から排出された水素オフガスを水素供給流路41に戻すための循環流路42とを有する。水素供給流路41には、水素タンク40からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁43が設けられている。循環流路42には、循環流路42内の水素オフガスを加圧して水素供給流路41側へ送り出す水素ポンプ44が設けられている。
The hydrogen
電力系5は、燃料電池用のDC/DCコンバータ51(直流電圧変換部)と、セルモニタ52(セル電圧検出部)と、バッテリ53(蓄電部)と、バッテリ用のDC/DCコンバータ54(蓄電部用直流電圧変換部)と、トラクションインバータ55と、トラクションモータ56(電力消費装置)と、図示しない各種の補機インバータとを有する。
燃料電池用のDC/DCコンバータ51は、直流の電圧変換器であり、燃料電池2から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ55に出力する機能を有する。燃料電池2の出力電圧は、DC/DCコンバータ51によって昇圧される。したがって、DC/DCコンバータ51とトラクションインバータ55とを接続するケーブルに流れる直流電流の電流値は、燃料電池2とDC/DCコンバータ51との間に流れる直流電流の電流値よりも低下する。これにより、DC/DCコンバータ51とトラクションインバータ55とを接続するケーブルとして、燃料電池2とDC/DCコバータ51とを接続するケーブルよりも細く軽いケーブルを用いることができる。また、DC/DCコンバータ51は、燃料電池2のベースプレート24に配置されるため、燃料電池2の電極とDC/DCコンバータ51とを接続する太く重いケーブルのケーブル長を短くすることができる。これにより、燃料電池システム1のスペース効率を向上させることができるとともに、燃料電池システム1の軽量化を図ることができる。
The fuel cell DC /
セルモニタ52は、セル積層体21の積層方向端部に位置する端セルの電圧を検出する。ところで、燃料電池用のDC/DCコンバータ51を備えることで、トラクションインバータ55に出力する直流電圧を一定に保持することが可能となるため、各セルの電圧を検出するセルモニタを省略することもできる。しかしながら、何らかの要因によりセルの電圧が低下した場合にはセルに不具合が生じるおそれがあり、そのような不具合を防止するために一部のセルの電圧を監視するセルモニタを設けることとした。本実施形態では、セルモニタ52を二箇所に設け、それぞれのセルモニタ52でセル積層体21の両端に位置するセルの電圧をそれぞれ検出することとした。これにより、両セルモニタ52間にスペースを設けることができ、このスペースにDC/DCコンバータ51を配置することができるため、燃料電池2の電極とDC/DCコンバータ51との間を接続するケーブルを短くすることが可能となる。また、セルモニタ52を、全てのセルに対応させて設けることなく、端セルにのみ対応させて設ければよいため、燃料電池システム1のスペース効率を向上させることができるとともに、燃料電池システム1の軽量化を図ることができる。
The
図1に示すように、燃料電池用のDC/DCコンバータ51とセルモニタ52は、燃料電池2を車両に設置した際に燃料電池2の下部側に位置するベースプレート24の下面側に配置されているが、DC/DCコンバータ51とセルモニタ52を燃料電池2の下面側に配置することにより、以下のようなメリットがある。
As shown in FIG. 1, the fuel cell DC /
燃料電池2で生成された水を排出する排水路は、燃料電池2よりも低い位置に設ける必要がある。一般に、排水路は、燃料電池2に隣接する位置であって、燃料電池よりも低い位置に設けられる。言い換えると、燃料電池2は、排水路に隣接し、かつ排水路よりも高い位置に設けられる。このように、燃料電池2を排水路よりも高い位置に配置することで、燃料電池2の下部には余分なスペースができてしまう。そこで、燃料電池2の下部にDC/DCコンバータ51およびセルモニタ52を配置し、DC/DCコンバータ51およびセルモニタ52を上記余分なスペース内に配置することで、燃料電池2の下部にできる余分なスペースを有効に活用することができる。
The drainage channel for discharging the water generated by the
さらに、燃料電池2が車両の床下に設置される場合には、DC/DCコンバータ51およびセルモニタ52を上記余分なスペース内に配置することで、車両の床面の高さを維持させることができるとともに、車両の低重心化を図ることができる。また、車両の床面が低いほど、広い車内スペースを確保することができ、商品性を高めることができることから、低い床面を維持させることで商品性の高さを維持させることができる。
Furthermore, when the
バッテリ53は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。バッテリ用のDC/DCコンバータ54は、直流の電圧変換器であり、バッテリ53から入力された直流電圧を調整(昇圧)して電力消費装置側であるトラクションインバータ55に出力する機能と、燃料電池2またはトラクションモータ56から入力された直流電圧を調整(降圧)してバッテリ53に出力する機能と、を有する。このようなDC/DCコンバータ54の機能により、バッテリ53の充放電が実現される。
The
トラクションインバータ55は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ56に供給する。トラクションモータ56は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム1が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御部6からの制御指令に従って燃料電池2またはバッテリ53から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。
The
制御部6は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えば、トラクションモータ56等の電力消費装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ56の他に、例えば、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサ31や水素ポンプ44のモータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等が含まれる。
The
制御部6は、物理的には、例えば、CPUと、CPUで処理される制御プログラムや制御データを記憶するROMと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAMと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、セルモニタ52、電流センサ、電圧センサおよび圧力センサ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ31、主止弁43、水素ポンプ44およびトラクションモータ56等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
The
CPUは、ROMに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、RAM内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム1における各種処理を制御する。また、CPUは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム1全体を制御する。 The CPU receives the detection results of the various sensors via the input / output interface according to the control program stored in the ROM, and processes the various processes in the fuel cell system 1 by using the various data in the RAM. Control. Further, the CPU controls the entire fuel cell system 1 by outputting control signals to various drivers via the input / output interface.
上述してきたように、実施形態における燃料電池システム1によれば、燃料電池2の下面を構成するベースプレート24の下面側に、燃料電池用のDC/DCコンバータ51を配置することができるため、燃料電池2とDC/DCコンバータ51との間の距離を短くすることができる。これにより、燃料電池2の電極とDC/DCコンバータ51との間に接続される大電流用の太く重いケーブルの長さを短くすることができる。それゆえに、燃料電池システム1のスペース効率を向上させ、燃料電池システム1の軽量化を図ることができる。
As described above, according to the fuel cell system 1 in the embodiment, the fuel cell DC /
また、従来の燃料電池に設けられているバッテリ用のDC/DCコンバータ54の他に、燃料電池用のDC/DCコンバータ51を燃料電池2に隣接させて配置することで、燃料電池2の出力電圧を一定に保持させることが可能となるため、従来の燃料電池のように全てのセルに対応させてセルモニタを設ける必要がなくなり、一部のセルに対してのみセルモニタ52を設けることができる。これにより、燃料電池システム1のスペース効率を向上させ、燃料電池システム1の軽量化を図ることができる。
Further, in addition to the battery DC /
なお、上述した実施形態では、ベースプレート24の下面側にDC/DCコンバータ51およびセルモニタ52を配置しているが、DC/DCコンバータ51およびセルモニタ52を配置する位置はこれに限定されない。燃料電池2の外面を構成するいずれかの面にベースプレート24を設け、このベースプレート24上に配置することとしてもよい。これにより、燃料電池2の電極とDC/DCコンバータ51とを相互に接続する太く重いケーブルのケーブル長をできる限り短くすることが可能となる。特に、燃料電池2の総プラス側の電極と総マイナス側の電極とを結ぶ直線上にDC/DCコンバータ51を配置することができれば、上述した太く重いケーブルのケーブル長を最短にすることができる。
In the above-described embodiment, the DC /
また、DC/DCコンバータ51およびセルモニタ52を同一の面上に設ける必要はなく、燃料電池2の外面を構成する面のうち、異なる面上にそれぞれベースプレート24を設け、このベースプレート24上にそれぞれを配置することとしてもよい。ただし、DC/DCコンバータ51およびセルモニタ52を同一の面上に配置した場合には、ベースプレート24を一枚にすることができるため、より軽量化を図ることができる。
Further, it is not necessary to provide the DC /
また、DC/DCコンバータ51およびセルモニタ52を、少なくとも燃料電池2の上面の高さから上方側に突出しない位置に配置させることで、床面の高さを維持させることができるため、商品性の高さを維持させることができる。
Further, since the DC /
また、上述した各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。 Further, in each of the above-described embodiments, the case where the fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle has been described. However, various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle are also described. The fuel cell system according to the present invention can be applied. Moreover, the fuel cell system according to the present invention can also be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for buildings (houses, buildings, etc.).
1…燃料電池システム、2…燃料電池、3…酸化ガス配管系、4…水素ガス配管系、5…電力系、6…制御部、21…セル積層体、22…エンドプレート、23…テンションプレート、24…ベースプレート、51…DC/DCコンバータ、52…セルモニタ、53…バッテリ、54…DC/DCコンバータ、55…トラクションインバータ、56…トラクションモータ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 3 ... Oxidation gas piping system, 4 ... Hydrogen gas piping system, 5 ... Electric power system, 6 ... Control part, 21 ... Cell laminated body, 22 ... End plate, 23 ...
Claims (5)
前記セル積層体の一部のセルの電圧を検出するセル電圧検出部と、
前記燃料電池から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側に出力する直流電圧変換部と、を備え、
前記直流電圧変換部および前記セル電圧検出部は、前記燃料電池の外面を構成するいずれかのプレート上に配置され、
前記セル電圧検出部は、前記セル積層体の積層方向端部に位置する端セルの電圧をそれぞれ検出する複数の検出部を有し、
前記直流電圧変換部は、前記検出部間に配置されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a cell stack formed by laminating a plurality of cells and generating electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas and a fuel gas;
A cell voltage detector for detecting a voltage of a part of the cells of the cell stack;
A DC voltage converter that boosts the DC voltage input from the fuel cell and outputs the boosted voltage to the power consuming device side;
The direct-current voltage conversion unit and the cell voltage detection unit are disposed on any plate constituting the outer surface of the fuel cell ,
The cell voltage detection unit includes a plurality of detection units that respectively detect voltages of end cells located at end portions in the stacking direction of the cell stack,
The DC voltage converter, the fuel cell system characterized Rukoto disposed between the detector.
前記蓄電部から入力された直流電圧を調整して電力消費装置側に出力し、前記直流電圧変換部または電力消費装置側から入力された直流電圧を調整して前記蓄電部に出力する蓄電部用直流電圧変換部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 A charge reservoir unit that charges electric power generated by the fuel cell,
蓄 said current voltage input from the charge reservoir unit outputs to the power consuming device side, by adjusting the DC voltage input from the DC voltage converter or power consuming apparatus side outputs to the charge reservoir section A DC voltage converter for electrical parts;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
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