JPWO2013099009A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

負荷への電力供給源として燃料電池及び二次電池を備えた燃料電池システムであって、通常運転時は、第１の制御部が第１のコンバータ（燃料電池側昇圧コンバータ）に燃料電池の出力電圧を制御させると共に、第２の制御部が第２のコンバータ（二次電池側昇圧コンバータ）に第１の負荷側への出力電圧を制御させる一方で、二次電池の異常発生時は、第１の制御部が第１のコンバータにその出力電圧を制御させると共に、第２の制御部が前記第２のコンバータに第２の負荷側への出力電圧を制御させるものである。

Description

本発明は、負荷への電力供給源として燃料電池及び二次電池を備えた燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池と二次電池の２つを電力供給源とする燃料電池システムや、そのような燃料電池システムを搭載した燃料電池車両が知られている。例えば、特許文献１の燃料電池システムは、負荷に対して並列に接続された燃料電池用のコンバータと二次電池用のコンバータの２つのコンバータを備えており、負荷に安定して電力を供給するために、これら２つのコンバータを協調動作させている。

この種の燃料電池システムにおいては、燃料電池用のコンバータに動作不良が発生して燃料電池からの出力が減少すると、その減少分を補うために二次電池からの出力が増大することになり、かかる場合において、二次電池の放電量が許容量を超えてしまうと、過放電に伴う不具合を招く虞がある。

このような不具合に対して、特許文献１には、燃料電池用のコンバータが動作不良であると判定した場合に、インバータから負荷に供給される出力電力の上限を燃料電池用のコンバータの出力電力以下に制限することで、二次電池からの過放電を抑制する技術が開示されている。

特開２０１０−１３５２５８号公報

しかしながら、燃料電池用のコンバータと二次電池用のコンバータを備えた燃料電池システムにおいては、負荷の変動に対してバッファ的な役割を果たす二次電池用のコンバータがインバータへの入力電圧を制御するように構成されているため、二次電池に故障等の異常が発生して、二次電池とインバータとの間の電源経路が遮断されてしまうと、インバータへの入力電圧を制御することができなくなり、燃料電池のみで負荷を安定的に運転させることが困難になる。

その一例として、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両においては、燃料電池のみで駆動モータを安定的に運転させることによって自力で退避場所へ移動することが困難となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、二次電池の異常発生時においても燃料電池のみによる負荷の安定運転が可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
負荷への電力供給源として燃料電池及び二次電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池と第１の負荷とを接続する燃料電池電力供給経路と、
前記燃料電池電力供給経路上に設けられ、前記燃料電池の出力を昇圧可能な第１のコンバータと、
前記二次電池を前記第１のコンバータよりも前記第１の負荷側に位置する前記燃料電池電力供給経路上の第１の接続点に接続する第１の二次電池電力供給経路と、
前記第１の二次電池電力供給経路上に設けられ、前記二次電池の出力を昇圧可能な第２のコンバータと、
第２の負荷を前記第２のコンバータと前記二次電池との間に位置する前記第１の二次電池電力供給経路上の第２の接続点に接続する第２の二次電池電力供給経路と、
前記第１のコンバータを制御する第１の制御部と、
前記第２のコンバータを制御する第２の制御部と、
を備え、
通常運転時は、前記第１の制御部が前記第１のコンバータに前記燃料電池の出力電圧を制御させると共に、前記第２の制御部が前記第２のコンバータに前記第１の負荷側への出力電圧を制御させ、
前記二次電池の異常発生時は、前記第１の制御部が前記第１のコンバータにその出力電圧を制御させると共に、前記第２の制御部が前記第２のコンバータに前記第２の負荷側への出力電圧を制御させるものである。

このような構成の燃料電池システムによれば、二次電池の異常発生時には、燃料電池のみからでも２つのコンバータを制御して第１の負荷及び第２の負荷への安定的な電力供給が可能となる。

上記の構成において、
前記二次電池の異常発生時は、前記第１のコンバータの出力電圧が当該燃料電池システムの要求出力に合うように制御されると共に、前記第２のコンバータの前記第２の負荷側への出力電圧が一定電圧に制御されてもよい。

上記の構成において、
前記二次電池の異常発生時は、前記第１のコンバータの出力電圧が一定電圧に制御されると共に、前記第２のコンバータの前記第２の負荷側への出力電圧が前記第２の負荷の要求出力に合うように制御されてもよい。

上記の構成において、
前記第１の二次電池電力供給経路上の前記二次電池と前記第２の接続点との間に回路遮断部を備え、
前記回路遮断部が前記二次電池の異常発生時に遮断されるように構成されていてもよい。

かかる構成の燃料電池システムにおいて、二次電池の異常発生に伴い回路遮断部が作動して回路が遮断されると、二次電池から第１の負荷及び第２の負荷へ電力が供給されなくなる。
しかしながら、このような場合であっても、第１のコンバータの制御対象電圧が変更され、通常は燃料電池の出力電圧（言い換えれば、第１のコンバータの入力電圧）を制御している第１のコンバータがその出力電圧を制御することになる。

同時に、第２のコンバータの制御対象電圧も変更され、通常は第１の負荷側への出力電圧（言い換えれば、第２のコンバータの出力電圧）を制御している第２のコンバータが第２の負荷側への出力電圧を制御することになる。

上記構成において、
前記二次電池の異常発生を検知する異常検知部と、
前記異常検知部によって前記二次電池の異常発生が検知された場合に、前記回路遮断部を強制的に遮断させる第３の制御部と、を備えてもよい。

かかる構成の燃料電池システムにおいては、二次電池の異常発生が検知された場合に、即座に二次電池を燃料電池システムから切り離し、燃料電池のみでの安定的な運転が実施可能となる。

本発明の燃料電池システムによれば、二次電池の異常発生時においても燃料電池のみによる負荷の安定運転が可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 二次電池２０の異常発生検知時における制御部３０の一制御例を示すフローチャートである。

１１ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１３、１４ 駆動モータ（第１の負荷）
１５ ＦＣ昇圧コンバータ（第１のコンバータ）
２０ 二次電池
２１ リレー（回路遮断部）
２２ バッテリ昇圧コンバータ（第２のコンバータ）
２５、２６ 補機モータ（第２の負荷）
３０ 制御部（第１の制御部、第２の制御部、第３の制御部、異常検知部）
Ａ、Ｃ 電力供給経路（燃料電池電力供給経路）
Ｂ 電力供給経路（第１の二次電池電力供給経路）
Ｄ 電力供給経路（第２の二次電池電力供給経路）

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一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。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１１は、負荷への電力供給源として、燃料電池１２及び二次電池２０を備えている。

燃料電池１２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、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。そして、一方のセパレータの水素ガス流路に燃料ガスとしての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としての空気が供給され、これらのガスが電気化学反応することで電力が発生する。

燃料電池１２と車両を走行させるための駆動モータ（第１の負荷）１３とは、電力供給経路（燃料電池電力供給経路）Ａを介して接続されている。この電力供給経路Ａには、燃料電池１２側から順に、ＦＣ昇圧コンバータ（第１のコンバータ）１５及び駆動インバータ１６が設けられている。

ＦＣ昇圧コンバータ１５は直流の電圧変換器であり、燃料電池１２から入力された直流電圧を調整して駆動インバータ１６側へ出力する。駆動モータ１３は例えば三相交流モータであり、駆動インバータ１６は直流電流を三相交流に変換して駆動モータ１３に供給する。

電力供給経路Ａには、電力供給経路（第１の二次電池電力供給経路）Ｂが接続されている。電力供給経路Ａと電力供給経路Ｂとの接続点Ｘは、ＦＣ昇圧コンバータ１５と駆動インバータ１６との間に位置する。電力供給経路Ｂの一端には二次電池２０が接続されており、二次電池２０と接続点Ｘとの間には、二次電池２０側から順にリレー（回路遮断部）２１及びバッテリ昇圧コンバータ（第２のコンバータ）２２が設けられている。

二次電池２０は、制御部３０からの制御信号に基づいて、燃料電池１２の出力電力の余剰分や駆動モータ１３の回生電力を充電したり、駆動モータ１３，１４の駆動に必要な電力に対して燃料電池１２の出力電力では不足する場合にその不足分の電力を補給したり、後述する補機モータ２５，２６に電力を供給することが可能になっている。

バッテリ昇圧コンバータ２２は直流の電圧変換器であり、二次電池２０から入力された直流電圧を調整して駆動モータ１３，１４側へ出力する機能と、燃料電池１２または駆動モータ１３から入力された直流電圧を調整して二次電池２０及び／又は補機モータ２５，２６に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ昇圧コンバータ２２の機能により、二次電池２０の充放電が実現される。

また、このようなバッテリ昇圧コンバータ２２の機能により、燃料電池システム１１の通常運転時は、駆動インバータ１６及び補機インバータ１７への入力電圧が制御される一方で、後述するリレー２１が何らかの原因で切断され、二次電池２０が燃料電池システム１１から切り離された状態になった場合（二次電池の異常発生時）には、燃料電池１２から補機モータ２５，２６への給電が可能となる。

電力供給経路Ｂの高電圧側には、電力供給経路（燃料電池電力供給経路）Ｃが接続されている。電力供給経路Ｂと電力供給経路Ｃとの接続点Ｙは、接続点Ｘとバッテリ昇圧コンバータ２２との間に位置する。電力供給経路Ｃの一端には、駆動モータ（第１の負荷）１４が接続されている。駆動モータ１４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池１２に空気（酸化ガス）を圧送するエアコンプレッサの駆動モータである。駆動モータ１４と接続点Ｙとの間には、補機インバータ１７が設けられている。補機インバータ１７は、直流電流を三相交流に変換して駆動モータ１４に供給する。

電力供給経路Ｂの低電圧側（二次電池２０側）には、電力供給経路Ｄ（第２の二次電池電力供給経路）が接続されている。電力供給経路Ｂと電力供給経路Ｄとの接続点Ｚは、バッテリ昇圧コンバータ２２とリレー２１との間に位置する。電力供給経路Ｄは、二又に分岐しており、その分岐先にはそれぞれ補機インバータ２３，２４及び補機モータ２５，２６が設けられている。

補機モータ２５は、燃料電池１２の水素ガス流路から排出された水素オフガスを燃料電池１２に還流させるための水素ポンプを駆動するモータである。補機モータ２６は、燃料電池１２の温調に使用される冷却水を循環させるための冷却水ポンプを駆動するモータである。補機インバータ２３，２４は、それぞれ直流電流を三相交流に変換して補機モータ２５，２６に供給する。

制御部３０は、燃料電池システム１１を統合制御するためのコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有している。制御部３０は、各種センサから供給される信号（例えば、アクセル開度を表す信号、車速を表す信号、燃料電池１２の出力電流や出力電圧を表す信号等で、図１には一部のみを図示している。）の入力を受けて、駆動モータ１３，１４及び補機モータ２５，２６を含む負荷全体の要求電力を算出する。

なお、本実施形態の制御部３０は、二次電池２０あるいはその周辺に設けられたセンサ類から供給される信号に基づいて、二次電池２０の故障等の異常の発生を検知することも可能である。つまり、制御部３０は、本発明の異常検知部としての機能を兼ね備えている。

さらに、制御部３０は、二次電池２０の異常発生を検知した場合に、リレー２１を開いて二次電池２０から駆動モータ１３，１４及び補機モータ２５，２６への電力供給を遮断する。つまり、制御部３０は、本発明の第３の制御部としての機能も兼ね備えている。

駆動モータ１３，１４及び補機モータ２５，２６以外の負荷としては、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力や、乗員空間内に配置される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等がある。

制御部３０は、燃料電池１２と二次電池２０の各出力電力の配分を決定し、発電指令値を算出する。より具体的には、制御部３０は、燃料電池１２及び二次電池２０に対する要求電力を算出すると、これらの要求電力が得られるようにＦＣ昇圧コンバータ１５及びバッテリ昇圧コンバータ２２の動作を制御する。

制御部３０は、二次電池２０に異常が発生していない時を含む通常運転時においては、ＦＣ昇圧コンバータ１５に燃料電池１２の出力電圧を制御させると共に、バッテリ昇圧コンバータ２２に駆動モータ１３，１４側への出力電圧、言い換えれば、駆動インバータ１６及び補機インバータ１７への入力電圧を制御させるが、二次電池２０の異常発生時においては、バッテリ昇圧コンバータ２２に補機モータ２５，２６への出力電圧を制御させると共に、ＦＣ昇圧コンバータ１５にその出力電圧、言い換えれば、駆動インバータ１６及び補機インバータ１７への入力電圧が駆動モータ１３，１４及び補機モータ２５，２６の駆動出力を含む燃料電池システム１１全体の要求出力に合うように制御させる。

このように、本実施形態の制御部３０は、本発明の第１の制御部の機能と第２の制御部の機能を兼ね備えた一つの制御装置として構成されているが、第１の制御部と第２の制御部がそれぞれ別々の制御装置から構成されていても良いことは勿論である。

本実施形態の燃料電池システム１１は、二次電池２０の故障（異常）を検知した時に、バッテリレス退避走行モードにシステム制御を切り替え、車両運転を継続することができる点に特徴がある。以下、この点に関して制御部３０が行なう動作について、図２のフローチャートを参照しながら詳細に説明する。

制御部３０は、二次電池２０の故障（異常）を検知すると（ステップＳ１）、二次電池２０のリレー２１を切断する（ステップＳ３）。これにより、二次電池２０が燃料電池システム１１から切り離される。

次いで、制御部３０は、バッテリ昇圧コンバータ２２の制御対象を二次電池２０側の電圧、言い換えれば、補機インバータ２３，２４への入力電圧に切り換え、定電圧制御を行う（ステップＳ５）。このとき、制御部３０は、バッテリ昇圧コンバータ２２によって制御される二次電池側電圧として、電力供給経路Ｄに接続されている補機インバータ２３，２４が最大出力を供給できる電圧、例えば、二次電池２０のＯＣＶ電圧を指令する。

また、ＦＣ昇圧コンバータ１５の制御対象を駆動インバータ１６及び補機インバータ１７の入力電圧に切り換え、駆動モータ１３，１４及び補機モータ２５，２６の駆動に必要な出力を含む燃料電池システム１１全体の要求出力に合わせた電圧制御を行う（ステップＳ７）。
このとき、制御部３０に記憶されて各種の制御に用いられる負荷マップと負荷変動や、駆動モータ１３，１４の減磁等に起因する消費電力の相違に起因する制御誤差が不可避的に発生している場合がある。

そして、かかる場合にその状態を放置しておくと、燃料電池１２に供給しているエア流量から計算される許容出力を超える出力が燃料電池１２から引き出され、不安定な発電状態を引き起こす虞がある。

そこで、上記制御誤差に相当する出力を燃料電池１２が出力できるよう、駆動モータ１４の回転数を通常運転時よりも上げることにより、燃料電池１２に供給するエア流量を増加させる（ステップＳ９）。このエア流量の増量補正は、システムが発生し得る制御誤差を吸収できる量に設定することで、システム効率を最適化することが可能となる。

以上のように制御することで、通常運転時に二次電池２０が接続されていた端子の電圧、すなわち、補機インバータ２３，２４の入力電圧と、駆動インバータ１６及び補機インバータ１７の入力電圧とが、それぞれ２つのコンバータ（ＦＣ昇圧コンバータ１５、バッテリ昇圧コンバータ２２）により制御され、その結果、燃料電池１２の端子電圧（出力電圧）も燃料電池システム１１に対する要求電力に応じて決定されることになるため、燃料電池システム１１の安定的な運転が可能となり、いわゆる退避走行も可能となる。

なお、上述したとおり、二次電池２０が燃料電池システム１１から切り離された状況下においては、バッテリ昇圧コンバータ２２は二次電池２０側の電圧、すなわち、補機インバータ２３，２４への入力電圧を制御する必要があり、このような状況は、接続点Ｚにおけるキャパシタンスが著しく低下する結果、バッテリ昇圧コンバータ２２の制御安定性は通常運転時よりも著しく悪化してしまう。

そこで、このような状況においても、バッテリ昇圧コンバータ２２による補機インバータ２３，２４への入力電圧の制御を安定化させるべく、制御部３０は、上記実施形態で説明したようなＦＣ昇圧コンバータ１５の出力制御を実施する代わりに、駆動インバータ１６及び補機インバータ１７への入力電圧が一定電圧に固定されるように、ＦＣ昇圧コンバータ１５の出力電圧を制御するようにしてもよい。

具体的には、まず、車両の退避走行に必要な燃料電池システム１１全体の要求出力を求め、次に、その要求出力を出力可能な駆動インバータ１６及び補機インバータ１７への入力電圧を求め、そして、その入力電圧をＦＣ昇圧コンバータ１５の目標出力電圧に設定することで、バッテリ昇圧コンバータ２２の制御安定性を図ることができる。

また、駆動モータ１４の応答特性は駆動モータ１３の応答特性と比較して遅いため、アクセル要求（アクセルペダルの開度）に合わせて駆動モータ１３のトルク制御と駆動モータ１４のトルク制御を行う場合には、駆動モータ１３の出力の増加速度が駆動モータ１４の出力の増加速度よりも速く、燃料電池１２が出力可能な出力を超過してしまう可能性がある。

このような場合の対策としては、上述したようなエア供給量を増加させる制御も有効であるが、エア供給量を増加させる代わりに、例えば燃料電池１２の空気供給路に設けられているエアフロセンサ等の流量計から検知されるエア流量に基づき、燃料電池１２が発電可能な出力上限値を求め、その出力上限値を超えない範囲で、アクセル要求に応じた駆動モータ１３，１４のトルク制御を実施するようにしてもよい。

なお、本実施形態では、二次電池２０の異常発生が検知された場合に、二次電池２０が燃料電池システム１１から切り離されてしまうため、かかる場合には、モータ回生を一切禁止するようにしてもよいし、駆動モータ１４、補機モータ２５，２６、その他の補機（例えば、暖房用のヒータ）等によって、回生電力の安定的な消費が可能であると判断できる場合には、その消費可能な範囲内でモータ回生を許容してもよい。かかる場合には、二次電池２０が使用できない状況下においても運転の快適性悪化を最小限に抑えることができる。

なお、上述した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たが、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。

Claims (5)

1. 負荷への電力供給源として燃料電池及び二次電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池と第１の負荷とを接続する燃料電池電力供給経路と、
   前記燃料電池電力供給経路上に設けられ、前記燃料電池の出力を昇圧可能な第１のコンバータと、
   前記二次電池を前記第１のコンバータよりも前記第１の負荷側に位置する前記燃料電池電力供給経路上の第１の接続点に接続する第１の二次電池電力供給経路と、
   前記第１の二次電池電力供給経路上に設けられ、前記二次電池の出力を昇圧可能な第２のコンバータと、
   第２の負荷を前記第２のコンバータと前記二次電池との間に位置する前記第１の二次電池電力供給経路上の第２の接続点に接続する第２の二次電池電力供給経路と、
   前記第１のコンバータを制御する第１の制御部と、
   前記第２のコンバータを制御する第２の制御部と、
   を備え、
   通常運転時は、前記第１の制御部が前記第１のコンバータに前記燃料電池の出力電圧を制御させると共に、前記第２の制御部が前記第２のコンバータに前記第１の負荷側への出力電圧を制御させ、
   前記二次電池の異常発生時は、前記第１の制御部が前記第１のコンバータにその出力電圧を制御させると共に、前記第２の制御部が前記第２のコンバータに前記第２の負荷側への出力電圧を制御させ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であって、
   前記二次電池の異常発生時は、前記第１のコンバータの出力電圧が当該燃料電池システムの要求出力に合うように制御されると共に、前記第２のコンバータの前記第２の負荷側への出力電圧が一定電圧に制御され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であって、
   前記二次電池の異常発生時は、前記第１のコンバータの出力電圧が一定電圧に制御されると共に、前記第２のコンバータの前記第２の負荷側への出力電圧が前記第２の負荷の要求出力に合うように制御される燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記第１の二次電池電力供給経路上の前記二次電池と前記第２の接続点との間に回路遮断部を備え、
   前記回路遮断部が前記二次電池の異常発生時に遮断される燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記二次電池の異常発生を検知する異常検知部と、
   前記異常検知部によって前記二次電池の異常発生が検知された場合に、前記回路遮断部を強制的に遮断させる第３の制御部と、を備える燃料電池システム。

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