JP6750346B2 - 燃料電池システム及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び制御方法に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させ、発電を行うものである。このような燃料電池を用いた発電は、発電効率が高く、有害物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両が近年注目されている。

燃料電池システムにおける燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されても、燃料電池の本体内部及び燃料電池の周辺の配管内に残留するガスにより引き続き発電が行われる場合があり、その場合、燃料電池の停止後に引き続き行われる発電によって余剰電力が発生する。

従来の燃料電池システムでは、燃料電池の停止時に燃料電池を負荷から切り離すとともに消費抵抗につなぎ替え、消費抵抗により、余剰電力を熱に変換して大気に放出していた（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００４−２９６３４０号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の停止時における余剰電力を熱に変換して大気に放出するため、エネルギー効率が低下してしまうという課題があった。

本発明は、燃料電池の停止時における余剰電力の有効活用により、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に制御リレーを介して接続され、前記制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力が入力されて、入力された前記電力の電圧を変換して出力する電圧変換器と、前記燃料電池が発生する前記電力を消費する抵抗と、前記制御リレーの開閉状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池が前記運転状態から前記停止状態に切り替えられた場合に、前記制御リレーを閉じるように制御して、前記燃料電池が停止後に発生する余剰電力を前記電圧変換器に入力させ、前記電圧変換器に入力される前記余剰電力の電圧が所定の電圧まで低下した場合、前記制御リレーを開くように制御して、前記余剰電力を前記抵抗で消費させる。

また、本発明に係る制御方法は、運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に制御リレーを介して接続され、前記制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力が入力されて、入力された前記電力の電圧を変換して出力する電圧変換器と、前記燃料電池が発生する前記電力を消費する抵抗と、を備える燃料電池システムにおける前記制御リレーの制御方法であって、前記燃料電池が前記運転状態から前記停止状態に切り替えられた場合に、前記制御リレーを閉じて、前記燃料電池が停止後に発生する余剰電力を前記電圧変換器に入力させ、前記電圧変換器に入力される前記余剰電力の電圧が所定の電圧まで低下した場合、前記制御リレーを開いて、前記余剰電力を前記抵抗で消費させる。

本発明によれば、燃料電池の停止時の余剰電力の有効活用により、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの停止方法の一例を示すフローチャート 図２のフローチャートにしたがって燃料電池システムの停止を行った場合の電圧の変化の一例を示すタイムチャート

本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００について、図１に示すブロック図を用いて説明する。燃料電池システム１００は、例えばトラック等の車両に搭載され、車両の駆動源である電動機に電力を供給する。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池（ＦＣ）１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２と、制御リレー３と、バッテリ４と、制御装置５と、内部抵抗６と、負荷７と、を備える。

燃料電池１は、例えば燃料ガスとしての水素が供給される不図示の水素極と、酸化剤ガスとしての空気が供給される不図示の空気極とを含み、水素極に供給された水素と、空気極に供給された空気との電気化学反応により発電を行う。

燃料電池１は、運転時には発電を行い、発電した電力を負荷７へ供給する。運転時における燃料電池１の出力電圧Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}は、例えば１００Ｖである。また、燃料電池１は、停止時には、後述するように、燃料電池１の停止後に引き続き行われる発電によって発生する余剰電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２へ供給するとともに、余剰電力を後述する内部抵抗６で消費する。

燃料電池１は、出力端子（正極）１ａ、出力端子（負極）１ｂ、入力端子（正極）１ｃ、入力端子（負極）１ｄ及び内部抵抗６を含む。燃料電池１の出力端子（正極）１ａ及び出力端子（負極）１ｂは、車両の駆動源である電動機等の負荷７の端子（正極）７ａ及び端子（負極）７ｂと接続されている。燃料電池１の入力端子（正極）１ｃ及び入力端子（負極）１ｄは、車両の低圧電源であるバッテリ４の端子（正極）４ａ及び端子（負極）４ｂと接続されている。燃料電池１には、バッテリ４から低圧の駆動電力が供給される。バッテリ４の電圧Ｖは、例えば２４Ｖである。

バッテリ４は、燃料電池１の他、室内灯、ハザードランプ等、低圧で動作する車両の電装品にも接続され、電装品の電源としても機能する。バッテリ４と電装品とは、燃料電池１の入力端子（正極）１ｃ及び入力端子（負極）１ｄとバッテリ４の端子（正極）４ａ及び端子（負極）４ｂとを接続する給電線から分岐する給電線により接続されてもよいし、別の給電線により接続されてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、不図示の電圧変換回路を含み、燃料電池１から入力された余剰電力の電圧を変換してバッテリ４に出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、入力端子（正極）２ａ、入力端子（負極）２ｂ、出力端子（正極）２ｃ、出力端子（負極）２ｄを含む。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力端子（正極）２ａ及び入力端子（負極）２ｂは、燃料電池１の出力端子（正極）１ａ及び出力端子（負極）１ｂと接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２に入力される入力電圧Ｖ_{ｉｎ（ＤＣ／ＤＣ）}は、燃料電池１が出力する出力電圧Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}と等しい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子（正極）２ｃ及び出力端子（負極）２ｄは、バッテリ４の端子（正極）４ａ及び端子（負極）４ｂと接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２から出力される出力電圧Ｖ_{ｏｕｔ（ＤＣ／ＤＣ）}は、バッテリ４の電圧Ｖよりも高く、例えば２７Ｖに設定されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２から出力される電圧Ｖ_{ｏｕｔ（ＤＣ／ＤＣ）}は、バッテリ４の電圧よりも高いので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２からバッテリ４に向けて電流が流れ、バッテリ４が充電される。

制御リレー３は、燃料電池１の出力端子（正極）１ａと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力端子（正極）２ａとを接続する給電線上に設けられている。制御リレー３が閉じることで、燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ２とが電気的に接続される。

制御装置５は、燃料電池１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２及び制御リレー３と電気的に接続されている。制御装置５は、燃料電池１の運転及び停止、ＤＣ／ＤＣコンバータ２における降圧及び昇圧、制御リレー３の開閉をそれぞれ制御する。

次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１００における燃料電池１の停止時の処理について、図２のフローチャートを参照して説明する。図２に示す制御フローは、車両の電源が投入されている間、例えば１０ｍｓ毎の制御周期で繰り返される。

まず、ステップＳ１で、制御装置５は、燃料電池１が水素と空気との電気化学反応による発電を行わない停止モードか否かを判断する。判断の結果、停止モードであれば（ステップＳ１：ＹＥＳ）、処理はステップＳ２へ進む。一方、停止モードでなければ（ステップＳ１：ＮＯ）、制御装置５は、図２における処理を終了する。

ステップＳ２では、制御装置５は、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}がＶ_ｌｏｗ以上かつＶ_ｈｉｇｈ以下か否かを判断する。ここで、Ｖ_ｌｏｗは、燃料電池１の寿命に悪影響がなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が電圧変換可能な電圧の下限値であり、例えば１０Ｖである。また、Ｖ_ｈｉｇｈは、燃料電池１が無負荷の状態で出力可能な電圧であり、例えば１２０Ｖである。

Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}がＶ_ｌｏｗ以上かつＶ_ｈｉｇｈ以下でない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、燃料電池１から出力された余剰電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２で変換することができないので、制御装置５は、図２における処理を終了する。

一方、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}がＶ_ｌｏｗ以上かつＶ_ｈｉｇｈ以下である、すなわち燃料電池１から出力された余剰電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２で変換することができる場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、処理はステップＳ３へ進む。

ステップＳ３で、制御装置５は、制御リレー３を閉じるように制御する。制御リレー３が閉じられることにより、燃料電池１の余剰電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２へ供給される。

また、制御装置５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２に対して電圧変換を行うように制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、入力された電圧Ｖ_{ｉｎ（ＤＣ／ＤＣ）}（＝Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}）を変換してバッテリ４に出力する。上述のように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２から出力される電圧Ｖ_{ｏｕｔ（ＤＣ／ＤＣ）}はバッテリ４の電圧よりも高いので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２からバッテリ４に向けて電流が流れ、バッテリ４が充電される。

ステップＳ３に続くステップＳ４で、制御装置５は、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}がＶ_ｌｏｗよりも低いか否かを判断する。Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}がＶ_ｌｏｗ以上の場合（ステップＳ４：ＮＯ）、燃料電池１から出力された余剰電力の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２で変換することができるので、制御装置５は、図２における処理を終了する。

これにより、制御リレーは閉じられた状態を維持し、引き続き燃料電池１からＤＣ／ＤＣコンバータ２への電力供給及びＤＣ／ＤＣコンバータ２における電圧変換が行われる。

一方、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}がＶ_ｌｏｗよりも低い場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ２において電圧変換を行うことができないので、処理はステップＳ５へ進む。

ステップＳ５で、制御装置５は、制御リレー３を開くように制御する。制御リレー３が開かれることにより、燃料電池１からＤＣ／ＤＣコンバータ２への電力供給が行われなくなる。そして、燃料電池１のＶ_ｌｏｗより低い残留電圧は、燃料電池１の内部抵抗６で消費される。

図３は、図２のフロー図にしたがって余剰電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２へ供給する制御を行った場合の燃料電池１の電圧の時間変化を示したものである。図３において、縦軸は電圧を、横軸は時間を示す。Ｖ_ｈｉｇｈは、上述のとおり、燃料電池１が無負荷の状態で出力可能な電圧であり、例えば１２０Ｖである。Ｖ_ｌｏｗは、上述のとおり、燃料電池１の寿命に悪影響がなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が電圧変換可能な電圧の下限値であり、例えば１０Ｖである。

時刻ｔ１までは、燃料電池１は水素と空気との電気化学反応により発電を行う運転モードで動作しているため、燃料電池１が発生した電力は全て負荷へ供給されている。このとき、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}はＶ_ｈｉｇｈよりも低く、例えば１００Ｖである。

時刻ｔ１で燃料電池１が運転モードから停止モードに切り替えられると、燃料電池１と負荷を接続する給電線上に設けられた不図示の制御リレーが開かれ、負荷への電力供給が行われなくなる。

また、燃料電池１が運転モードから停止モードに切り替えられた時点で、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}はＶ_ｌｏｗより高く、かつＶ_ｈｉｇｈより低いため、制御リレー３が閉じられる。

時刻ｔ１で燃料電池１が停止モードに切り替えられ、水素ガス及び空気の供給が停止されても、燃料電池１では、燃料電池１の本体内部及び燃料電池１の周辺の配管内に残留する水素ガス及び空気による発電が引き続き行われ、余剰電力が発生する。

制御リレー３が閉じられることにより、燃料電池１の停止後に発生した余剰電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２に供給され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２において電圧変換が行われ、バッテリ４に電力が出力される。以下、制御リレー３が閉じられた状態を「モード１」という。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、モード１の状態を維持してＤＣ／ＤＣコンバータ２での電圧変換が行われ、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}が低下する。なお、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}が２７Ｖよりも高い場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２では降圧変換が行われ、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}が２７Ｖよりも低い場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２では昇圧変換が行われる。

時刻ｔ２で、Ｖ_{ｏｕｔ（ＦＣ）}がＶ_ｌｏｗまで低下すると、制御リレー３が開かれる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が燃料電池１から電気的に切り離され、燃料電池１の残留電圧が内部抵抗６で消費される。以下、モード１の後に制御リレー３が開かれた状態を「モード２」という。

時刻ｔ２から時刻ｔ３まで、モード２の状態を維持することで、燃料電池１の残留電圧が内部抵抗６で消費される。時刻ｔ３で、燃料電池１の残留電圧がゼロになる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池１と、燃料電池１に制御リレー３を介して接続され、制御リレー３の開閉状態に応じて、燃料電池１が発生する電力が入力されて、入力された電力の電圧を変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２と、燃料電池１が発生する電力を消費する内部抵抗６と、制御リレー３を制御する制御装置５と、を備え、制御装置５は、燃料電池１が運転状態から停止状態に切り替えられた場合に、制御リレー３を閉じるように制御して、燃料電池１が停止後に発生する余剰電力を電圧変換器２に入力させ、電圧変換器２に入力される余剰電力の電圧が所定の電圧まで低下した場合、制御リレー３を開くように制御して、余剰電力を内部抵抗６で消費させるものとしたため、従来、消費抵抗で熱に変換して消費していた余剰電力を、バッテリ４に供給することができ、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

また、燃料電池１の電圧がＶ_ｌｏｗに低下するまでＤＣ／ＤＣコンバータ２による電圧変換を行うため、抵抗で消費させる電力を少なくすることができる。そのため、余剰電力を抵抗値の大きな燃料電池１の内部抵抗６で電力を消費させるようにしても、放電に時間がかからない。したがって、燃料電池システム１００に抵抗値の小さな消費抵抗を別途設ける必要がない。その結果、コストダウンが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、残留電圧を燃料電池１の内部抵抗６で消費させる例を挙げて説明したが、これに限定されず、燃料電池１の外部に設けられた抵抗で消費させるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、バッテリ４の電圧が２４Ｖである場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、車両が乗用車であれば、バッテリ４の電圧を１２Ｖとすることも可能である。

また、上述した実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２で変換された電圧の電力をバッテリ４に供給する例を挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２で圧力を変換した電力を直接電装品に供給することや、バッテリ４を充電しながら電力を電装品に供給することも可能である。

また、上述した実施の形態では、燃料電池システム１００を、燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両に適用した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、燃料電池を用いる様々な機器に適用が可能である。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両に有用である。

１ 燃料電池
１ａ 出力端子（正極）
１ｂ 出力端子（負極）
１ｃ 入力端子（正極）
１ｄ 入力端子（負極）
２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ａ 入力端子（正極）
２ｂ 入力端子（負極）
２ｃ 出力端子（正極）
２ｄ 出力端子（負極）
３ 制御リレー
４ バッテリ
４ａ 端子（正極）
４ｂ 端子（負極）
５ 制御装置
６ 内部抵抗
７ 負荷
７ａ 端子（正極）
７ｂ 端子（負極）
１００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池に制御リレーを介して接続され、前記制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力が入力されて、入力された前記電力の電圧を変換して出力する電圧変換器と、
   前記燃料電池が発生する前記電力を消費する抵抗と、
   前記制御リレーの開閉状態を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、少なくとも、
   前記燃料電池が前記運転状態から前記停止状態に切り替えられた場合に、前記制御リレーを閉状態に制御して、前記燃料電池が停止後に発生する余剰電力を前記電圧変換器に入力させ、前記電圧変換器によって変換された前記余剰電力の電圧をバッテリと前記燃料電池の入力端子との接続中点に供給する第１モードと、
   前記第１モードを実行した結果として前記電圧変換器に入力される前記余剰電力の電圧が所定の電圧まで低下した場合、前記制御リレーを開状態に制御して、前記余剰電力を前記抵抗で消費させる第２モードと、
   を実行することにより、前記第１モードによって前記余剰電力を前記バッテリの充電及び前記燃料電池の制御に有効利用しつつ減少させ、前記第２モードによって前記燃料電池の寿命に悪影響を与えずに前記余剰電力を消費する、
   燃料電池システム。
2. 前記所定の電圧は、前記電圧変換器が変換可能な下限電圧である、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記抵抗は、前記燃料電池の内部抵抗である、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記所定の電圧は、前記燃料電池の寿命に悪影響を及ぼさないものとして予め設定されている電圧である、
   請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池に制御リレーを介して接続され、前記制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力が入力されて、入力された前記電力の電圧を変換して出力する電圧変換器と、
   前記燃料電池が発生する前記電力を消費する抵抗と、
   を備える燃料電池システムにおける前記制御リレーの制御方法であって、
   前記燃料電池が前記運転状態から前記停止状態に切り替えられた場合に、前記制御リレーを閉状態に制御して、前記燃料電池が停止後に発生する余剰電力を前記電圧変換器に入力させ、前記電圧変換器によって変換された前記余剰電力の電圧をバッテリと前記燃料電池の入力端子との接続中点に供給する第１ステップと、
   前記第１モードを実行した結果として前記電圧変換器に入力される前記余剰電力の電圧が所定の電圧まで低下した場合、前記制御リレーを開状態に制御して、前記余剰電力を前記抵抗で消費させる第２ステップと、
   を含み、前記第１ステップにおいて前記余剰電力を前記バッテリの充電及び前記燃料電池の制御に有効利用しつつ減少させ、前記第２モードにおいて前記燃料電池の寿命に悪影響を与えずに前記余剰電力を消費する、
   制御方法。

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