JPWO2017017786A1 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
JPWO2017017786A1
JPWO2017017786A1 JP2017530519A JP2017530519A JPWO2017017786A1 JP WO2017017786 A1 JPWO2017017786 A1 JP WO2017017786A1 JP 2017530519 A JP2017530519 A JP 2017530519A JP 2017530519 A JP2017530519 A JP 2017530519A JP WO2017017786 A1 JPWO2017017786 A1 JP WO2017017786A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
cell stack
stack
voltage
load
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2017530519A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6458868B2 (ja
Inventor
大記 田中
大記 田中
竜也 矢口
竜也 矢口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Publication of JPWO2017017786A1 publication Critical patent/JPWO2017017786A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6458868B2 publication Critical patent/JP6458868B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04716—Temperature of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H01M8/2495—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies of fuel cells of different types
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

燃料電池システムは、第１燃料電池スタック及び第１燃料電池スタックより出力電圧が小さい第２燃料電池スタックと、第１燃料電池スタックまたは第２燃料電池スタックのいずれかで構成される切り替え前スタックと、第１燃料電池スタックまたは第２燃料電池スタックのいずれかで構成される昇圧用スタックと、少なくとも第１燃料電池スタックで構成される切り替え後スタックとを備え、切り替え前スタックと負荷とが接続された状態で、昇圧用スタックの電圧を昇圧してから、切り替え後スタックと負荷との接続状態に切り替える。

Description

本発明は、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
起動用スタックとメインスタックとの２つの燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、起動時は起動用スタックのみで起動し、その排気をメインスタックに供給することによりメインスタックを短時間に昇温する技術が知られている（特許文献１参照）。起動用スタックは、起動中は起動用負荷に接続され、メインスタックの昇温が完了すると、停止、待機又はメインスタックに接続される。
欧州特許出願公開１５０７３０２号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、負荷に接続されるスタックが変更される場合、変更の瞬間に、負荷に大きな電圧変動が発生するため、突入電流やサージ電圧が生じる恐れがある。また、スタックを直列に接続する場合、一方のスタックの電流が他方のスタックに流れこむことにより、合算の出力電圧が大きく変動する可能性がある。電圧が大きく変動する燃料電池スタックは、劣化を防止するために燃料を過剰に供給される必要があり、出力効率が悪化する恐れがある。
本発明は、上記問題点を鑑み、出力電圧の安定性を向上す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。
燃料電池システムは、第１燃料電池スタックと、第１燃料電池スタックより出力電圧が小さい第２燃料電池スタックと、第１燃料電池スタックまたは第２燃料電池スタックのいずれかで構成される切り替え前スタックと、第１燃料電池スタックまたは第２燃料電池スタックのいずれかで構成される昇圧用スタックと、少なくとも第１燃料電池スタックで構成される切り替え後スタックとを備え、切り替え前スタックと負荷とが接続された状態で、昇圧用スタックの電圧を昇圧してから、切り替え後スタックと負荷との接続状態に切り替える。
本発明によれば、電気制御装置が燃料電池スタックの電圧を昇圧可能な構成を有することにより、出力電圧の安定性を向上することができる燃料電池システムを提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を説明するブロック図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムが備える電気制御装置を説明する回路図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの負荷電圧を図示した一例である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの起動モードにおける動作を説明する回路図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの低出力モードにおける動作を説明する回路図である。 図７は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの目標電圧を算出する方法を説明する図である。 図８は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの通常モードにおける動作を説明する回路図である。 図９は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの目標電圧を算出する方法を説明する回路図である。 図１０は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの高出力モードにおける動作を説明する回路図である。 図１１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの負荷電圧をシミュレーションした結果である。 図１２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの負荷電圧をシミュレーションした結果である。 図１３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムが備える電気制御装置を説明する回路図である。 図１４は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムが備える電気制御装置を説明する回路図である。 図１５は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムが備える電気制御装置を説明する回路図である。 図１６は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの低出力モードにおける動作を説明する回路図である。 図１７は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの高出力モードにおける動作を説明する回路図である。 図１８は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの負荷電圧をシミュレーションした結果である。 図１９は、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムが備える電気制御装置を説明する回路図である。 図２０は、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの負荷電圧を図示した一例である。 図２１は、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの負荷電圧をシミュレーションした結果である。
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように、第１燃料電池スタックＦＣ１と、第２燃料電池スタックＦＣ２と、排気経路３０と、電気制御装置４０と、処理部５０と、記憶部６０と、負荷７０とを備える。第１実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、電動車両の駆動力として燃料電池の電力を供給するシステムである。負荷７０は、インバータ、モータ等に相当する。
第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２は、例えば、水素、軽油、ガソリン、エタノール等の燃料と、酸素との化学反応により発電する固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）や固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）等によりそれぞれ構成される。第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２それぞれは、燃料極（アノード）、酸素極（カソード）、電解質、セパレータ等からなるセルが積層されることにより構成されたセルスタックである。
第１燃料電池スタックＦＣ１は、通常モード時において、負荷７０に電力を供給するメインスタックである。第１燃料電池スタックＦＣ１は、第１燃料電池スタックＦＣ１の出力電圧及び温度の少なくともいずれかを検知する状態検知部１０を備える。すなわち、状態検知部１０は、電圧計及び温度計の少なくともいずれかを有する。状態検知部１０は、検知した出力電圧及び温度の少なくともいずれかを処理部５０に逐次出力する。
第２燃料電池スタックＦＣ２は、第１燃料電池スタックＦＣ１より小さな発電容量を有する。すなわち、第２燃料電池スタックＦＣ２は、第１燃料電池スタックＦＣ１より小さな出力電圧を有する。第２燃料電池スタックＦＣ２は、第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧及び温度の少なくともいずれかを検知する状態検知部２０を備える。すなわち、状態検知部２０は、電圧計及び温度計の少なくともいずれかを有する。状態検知部２０は、検知した出力電圧及び温度の少なくともいずれかを処理部５０に逐次出力する。また、第２燃料電池スタックＦＣ２は、起動時の昇温のためにバーナ等の加熱器３５からのガスを導入する経路を備える。
排気経路３０は、第２燃料電池スタックＦＣ２において発電時に生じた熱を排気として第１燃料電池スタックＦＣ１に供給する管路である。排気経路３０は、第２燃料電池スタックＦＣ２の熱を供給することにより第１燃料電池スタックＦＣ１を昇温し、第１燃料電池スタックＦＣ１の起動を促進する。
電気制御装置４０は、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の少なくともいずれかの電力を調整し、負荷７０に供給する回路である。電気制御装置４０の入力側は、第１燃料電池スタックＦＣ１の正極及び負極と、第２燃料電池スタックＦＣ２の正極とに接続される。電気制御装置４０の出力側は、負荷７０の両端子に接続される。負荷７０の負極側端子は、第２燃料電池スタックＦＣ２の負極に接続される。
電気制御装置４０は、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２のいずれかを負荷７０に接続するモードと、第１燃料電池スタックＦＣ１と第２燃料電池スタックＦＣ２とを直列に負荷７０に接続する高出力モードと、第２燃料電池スタックＦＣ２の電圧を昇圧して負荷７０に供給する昇圧モードとを動作モードとして有する。電気制御装置４０の各モードの切り替えは、処理部５０により制御される。
処理部５０は、電気制御装置４０の動作を制御する他、第１実施形態に係る燃料電池システムが行う動作に必要な処理を制御する。処理部５０は、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、及び入出力Ｉ／Ｆ等を備える集積回路であるマイクロコントローラにより構成可能である。この場合、マイクロコントローラに予めインストールされたコンピュータプログラムをＣＰＵが実行することにより、処理部５０の各機能が実現される。マイクロコントローラは、車両に関わる他の制御に用いる電子制御ユニット（ＥＣＵ）と兼用されてもよい。
記憶部６０は、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２それぞれの電流電圧特性（ＩＶカーブ）を記憶する。記憶部６０は、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２それぞれの温度によって異なるため、温度毎の電流電圧特性を記憶する。記憶部６０は、半導体メモリ、磁気ディスク等の記憶装置から構成可能である。
電気制御装置４０は、例えば、図２に示すように、第１燃料電池スタックＦＣ１の正極及び負極の間に、順に直列に接続された３つのスイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ１，ＳＷ２と、第１燃料電池スタックＦＣ１の負極と第２燃料電池スタックＦＣ２の負極との間に接続されたスイッチング素子ＳＷ５とを備える。電気制御装置４０は、更に、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２間の接点と第２燃料電池スタックＦＣ２の正極との間に接続されたリアクトルＬ２を備える。
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ５は、例えば、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子から構成可能である。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ５は、各ゲート端子が処理部５０に接続され、処理部５０により動作が制御される。スイッチング素子ＳＷ３は、機械的に接点の開閉を行う機械スイッチから構成される。スイッチング素子ＳＷ３は、処理部５０により動作が制御される。
また、第１実施形態に係る燃料電池システムは、第１燃料電池スタックＦＣ１の正極及び負極の間に接続されたコンデンサＣ１と、第２燃料電池スタックＦＣ２の正極及び負極の間に接続されたＣ２と、負荷７０の両端子間に接続されたコンデンサＣＬとを備える。
図３は、第１実施形態に係る燃料電池システムの起動時から第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の電力を負荷７０に供給するまでの負荷７０の両端子間の電圧（負荷電圧）ＶＬを図示した一例である。
電気制御装置４０は、時刻ｔ０〜ｔ１の時間ａにおいて、第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧（例えば２０Ｖ）を、第１燃料電池スタックＦＣ１の出力電圧（例えば５０Ｖ）と同等の電圧に昇圧して負荷７０に出力する。電気制御装置４０は、時刻ｔ１〜ｔ２の時間ｂにおいて、電源を第２燃料電池スタックＦＣ２から第１燃料電池スタックＦＣ１に切り替え、第１燃料電池スタックＦＣ１の出力電圧を負荷７０に出力する。
電気制御装置４０は、時刻ｔ２〜ｔ３の時間ｃにおいて、第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧を、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧の和と同等の電圧に昇圧して負荷７０に出力する。電気制御装置４０は、時刻ｔ３以降の時間ｄにおいて、電源を第２燃料電池スタックＦＣ２から第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２に切り替え、直列に接続された第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧を負荷７０に出力する。
以下、図４のフローチャートを用いて、システム起動時から第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の電力を負荷７０に供給するまでの第１実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を、図５〜１０を参照しながら説明する。第１実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両のイグニッションスイッチがオンにされること等により、システムが起動され、一連の処理が開始される。
先ず、ステップＳ１０１において、処理部５０は、状態検知部１０，２０により検知された各温度が所定の閾値以下であることに応じて、起動モードに移行する。処理部５０は、起動モードにおいて、図５に示すように、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３がオフ、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ５のみがオンになるように電気制御装置４０を制御する。なお、回路図において破線は、電流が流れていない配線を意味する。起動モードにおいて、第２燃料電池スタックＦＣ２は、加熱器３５により昇温される。第２燃料電池スタックＦＣ２は、状態検知部１０により検知される第２燃料電池スタックＦＣ２の温度が所定の閾値（例えば３００℃）に到達することに応じて、燃料がスタックに流入される。第２燃料電池スタックＦＣ２に起電力が生じると、電流がリアクトルＬ２に流れて循環する閉回路が構成される。第２燃料電池スタックＦＣ２は、発電による自己発熱により、起動時間を短縮することができる。
ステップＳ１０２において、第２燃料電池スタックＦＣ２が起動すると、図６に示すように、電気制御装置４０は、処理部５０の制御に応じて、スイッチング素子ＳＷ１のみをオンにし、第２燃料電池スタックＦＣ２のみを負荷７０に接続する。また、排気経路３０は、第２燃料電池スタックＦＣ２の排気を第１燃料電池スタックＦＣ１に供給することにより、第１燃料電池スタックＦＣ１を昇温し、第１燃料電池スタックＦＣ１の起動を促進する。
ステップＳ１０３において、処理部５０は、昇圧モードに移行し、第２燃料電池スタックＦＣ２から入力した電圧を、第１燃料電池スタックＦＣ１の出力電圧（開放電圧）と同等の電圧に昇圧するように電気制御装置４０を制御する。電気制御装置４０は、スイッチング素子ＳＷ３を開放した状態で、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ５と、スイッチング素子ＳＷ１とを、互い違いにオン・オフすることにより、昇圧チョッパ回路として機能する。すなわち、電気制御装置４０は、図５及び図６に示す状態を交互に切り替える。電気制御装置４０は、処理部５０によりデューティ比が調整されることにより、第２燃料電池スタックＦＣ２の電圧を、滑らかに第１燃料電池スタックＦＣ１の電圧まで昇圧することができる。
ステップＳ１０４において、第１燃料電池スタックＦＣ１の出力電圧及び温度の少なくともいずれかが所定の閾値に到達することに応じて、第１燃料電池スタックＦＣ１の起動が開始され、第１燃料電池スタックＦＣ１は、発電を促進する。
ステップＳ１０５において、電気制御装置４０は、処理部５０の制御に応じて、負荷７０に接続する電源を、第２燃料電池スタックＦＣ２から第１燃料電池スタックＦＣ１に切り替えるための制御を行う。先ず、処理部５０は、状態検知部１０及び２０から、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の温度、電圧の少なくともいずれかを取得する。燃料電池スタックの温度及び電圧は互いに関連しているため、一方が把握できれば、他方も把握できる。
処理部５０は、第１燃料電池スタックＦＣ１の現状の温度に対応する電流電圧特性Ｐ１と、第２燃料電池スタックＦＣ２の現状の温度に対応する電流電圧特性Ｐ２とを記憶部６０から読み出す。記憶部６０は、図７に示すように、電流電圧特性Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ対応する出力特性Ｑ１，Ｑ２を記憶する。処理部５０は、図７の電流電圧特性Ｐ２から電流電圧特性Ｐ１に向かう矢印に示すように、電流電圧特性Ｐ１，Ｐ２及び出力特性Ｑ１，Ｑ２に基づいて、現状の第２燃料電池スタックＦＣ２の出力と同等の出力となる場合の第１燃料電池スタックＦＣ１の推定電圧を算出する。
電気制御装置４０は、処理部５０による制御に応じて、第１燃料電池スタックＦＣ１の推定電圧を目標電圧として、負荷電圧が、目標電圧と同等になるように昇圧モードにおけるデューティ比を調整する。負荷電圧が、目標電圧まで昇圧され、昇圧が完了すると、処理部５０は、ステップＳ１０６に処理を進める。
ステップＳ１０６において、処理部５０は、通常モードに移行する。電気制御装置４０は、図８に示すように、通常モードにおいて、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２をオフ、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ５のみをオンにし、第１燃料電池スタックＦＣ１のみを負荷７０に接続する。通常モードに移行すると、第２燃料電池スタックＦＣ２は、停止又は所定の温度を保つ待機状態とすることにより、発電を抑制する。
ステップＳ１０７において、処理部５０は、高出力モードに移行するか否かを判定する。処理部５０は、例えば、車両の目標速度、目標出力に基づいて、目標負荷電圧が所定の閾値を超えるか否かに応じて、高出力モードに移行するか否かを判定すればよい。処理部５０は、高出力モードに移行する場合、ステップＳ１０８に処理を進め、高出力モードに移行しない場合、ステップＳ１０６の処理を繰り返す。
ステップＳ１０８において、処理部５０は、一旦昇圧モードに移行する。電気制御装置４０は、高出力モード直前の昇圧モードにおいて、第２燃料電池スタックＦＣ２から入力した電圧を、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧の和と同等の電圧に昇圧する。電気制御装置４０は、図５及び図６に示すように、スイッチング素子ＳＷ３を開放した状態で、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ５と、スイッチング素子ＳＷ１とを、互い違いにオン・オフすることにより、昇圧チョッパ回路として機能する。電気制御装置４０は、処理部５０によりデューティ比が調整されることにより、第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧を、滑らかに第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の電圧の和まで昇圧する。
ステップＳ１０９において、電気制御装置４０は、処理部５０の制御に応じて、負荷７０に接続する電源を、第１燃料電池スタックＦＣ１から、直列に接続された第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２に切り替えるための制御を行う。処理部５０は、状態検知部１０及び２０から、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の温度、電圧の少なくともいずれかを取得する。また、処理部５０は、第１燃料電池スタックＦＣ１の現状の温度に対応する電流電圧特性Ｐ１と、第２燃料電池スタックＦＣ２の現状の温度に対応する電流電圧特性Ｐ２とを記憶部６０から読み出す。
処理部５０は、図９の電流電圧特性Ｐ２から電流電圧特性Ｐ１に向かう矢印に示すように、電流電圧特性Ｐ１，Ｐ２に基づいて、現状の第２燃料電池スタックＦＣ２の電流が流れる場合の第１燃料電池スタックＦＣ１の推定電圧を算出する。
電気制御装置４０は、処理部５０による制御に応じて、第１燃料電池スタックＦＣ１の推定電圧と第２燃料電池スタックＦＣ２の電圧の和を目標電圧として、負荷電圧が、目標電圧と同等になるように昇圧モードにおけるデューティ比を調整する。負荷電圧が、目標電圧まで昇圧され、昇圧が完了すると、処理部５０は、ステップＳ１１０に処理を進める。
ステップＳ１１０において、処理部５０は、高出力モードに移行する。電気制御装置４０は、図１０に示すように、高出力モードにおいて、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ５をオフ、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３のみをオンにし、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２を直列に負荷７０に接続する。
以上のように、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、動作モードの移行後に負荷電圧が高くなる場合、昇圧モードを経てモードを移行する。第１実施形態に係る燃料電池システムは、第２燃料電池スタックＦＣ２の電圧を昇圧して負荷７０に供給できるので、別途充電回路等を必要とせず低コスト、高効率に、負荷７０に印加する出力電圧の安定性を向上することができる。
図１１は、図４のフローチャートのステップＳ１０３〜Ｓ１０６における負荷電圧ＶＬのシミュレーション結果である。シミュレーションは、電気制御装置４０が第２燃料電池スタックＦＣ２（切り替え前スタック）のみを負荷７０に接続する状態から第１燃料電池スタックＦＣ１（切り替え後スタック）のみを負荷７０に接続する状態に遷移する間のものである。負荷電圧ＶＬは、時刻０．０５秒から０．１５秒の間に、第２燃料電池スタックＦＣ２（昇圧用スタック）の出力電圧Ｖ２から、第１燃料電池スタックＦＣ１の出力電圧Ｖ１と同等の電圧まで滑らかに昇圧される。その後、時刻０．２５において、昇圧モードから通常モードに移行することにより、第１燃料電池スタックＦＣ１のみが負荷７０に接続される。
一般に、負荷に接続されるスタックが切り替えられる場合、切り替えの瞬間に、負荷に大きな電圧変動が発生するため、突入電流やサージ電圧が生じる恐れがある。一方、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、第２燃料電池スタックＦＣ２（昇圧用スタック）の電圧を第１燃料電池スタックＦＣ１の電圧と同等の電圧まで昇圧した後にスタックを切り替えることにより、突入電流やサージ電圧を低減し、負荷７０に印加する出力電圧の安定性を向上することができる。
図１２は、図４のフローチャートのステップＳ１０８〜Ｓ１１０における負荷電圧ＶＬのシミュレーション結果である。シミュレーションは、電気制御装置４０が第１燃料電池スタックＦＣ１（切り替え前スタック）のみを負荷７０に接続する状態から第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２（切り替え後スタック）を直列に負荷７０に接続する状態に遷移する間のものである。負荷電圧ＶＬは、時刻０．０８秒から０．１１秒の間に、出力電圧Ｖ１から、出力電圧Ｖ１及び出力電圧Ｖ２の和と同等の電圧まで滑らかに昇圧される。その後、時刻０．２５において、昇圧モードから高出力モードに移行することにより、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２が直列に負荷７０に接続される。
一般に、スタックを直列に接続する場合、一方のスタックの電流が他方のスタックに流れこむことにより、合算の出力電圧が大きく変動する可能性がある。一方、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、第２燃料電池スタックＦＣ２（昇圧用スタック）の電圧を第１燃料電池スタックＦＣ１の電圧と第２燃料電池スタックＦＣ２の電圧の和と同等の電圧まで昇圧した後に、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２を直列に負荷７０に接続する。これにより、第１実施形態に係る燃料電池システムは、負荷電圧の急激な変動を低減することができ、不要な燃料の消費を低減し、出力効率を向上することができる。
また、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の温度が所定の閾値以下の場合において、第２燃料電池スタックＦＣ２の電圧を昇圧して負荷７０に供給する。このように、容量の小さい第２燃料電池スタックＦＣ２により負荷７０に電力を供給することにより、システムの起動時間を短縮することができる。
また、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、排気経路３０を備えることにより、第１燃料電池スタックＦＣ１を昇温するための外部バーナ等が不要であり、効率良く第１燃料電池スタックＦＣ１を昇温することができる。
また、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、第１燃料電池スタックＦＣ１の温度及び電圧の少なくともいずれかが所定の閾値を超える場合において、第２燃料電池スタックＦＣ２の発電を抑制し、第１燃料電池スタックＦＣ１の発電を促進する。これにより、起動時毎に必要となる第２燃料電池スタックＦＣ２の使用頻度を低下させ、劣化を軽減させることができる。また、容量の大きな第１燃料電池スタックＦＣ１の電圧を負荷７０に供給することにより、出力効率を向上することができる。
また、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、第２燃料電池スタックＦＣ２の電圧を、第１燃料電池スタックＦＣ１の電流電圧特性Ｐ１に基づいて算出された推定電圧と同等になるように昇圧する。これにより、第１実施形態に係る燃料電池システムは、通常モード移行時の負荷７０における電圧変動を低減し、突入電流やサージ電圧の発生を低減することができる。
また、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、目標負荷電圧が所定の閾値を超える場合のみ、前記高出力モードに移行することにより、起動時毎に必要となる第２燃料電池スタックＦＣ２の使用頻度を低下させ、劣化を軽減させることができる。
また、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、高出力モードに移行する際、電流電圧特性Ｐ１，Ｐ２に基づいて算出される目標電圧と同等となるように、第２燃料電池スタックＦＣ２の電圧を昇圧する。これにより、第１実施形態に係る燃料電池システムは、通常モードから高出力モードへの移行時の負荷７０における電圧変動を低減し、突入電流やサージ電圧の発生を低減することができる。
また、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、起動時において、電気制御装置４０が、第２燃料電池スタックＦＣ２の電流を、抵抗（リアクトル）を介して第２燃料電池スタックＦＣ２に循環させる。これにより、第２燃料電池スタックＦＣ２は、発電による自己発熱により、起動時間を短縮することができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムは、図１３に示すように、電気制御装置４０のスイッチング素子ＳＷ３が機械スイッチでなく半導体スイッチング素子により構成される等で第１実施形態と異なる。第２実施形態において説明しない他の構成、作用及び効果は、第１実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子から構成可能である。スイッチング素子ＳＷ３は、容量の大きい第１燃料電池スタックＦＣ１の電力を制御するパワー素子である。
第１実施形態に係る燃料電池システムでは、スイッチング素子ＳＷ３が機械スイッチにより構成されるため、使用条件によってはアークによる溶着等の劣化の可能性がある。一方、第２実施形態に係る燃料電池システムが備えるスイッチング素子ＳＷ３は、半導体スイッチング素子により構成されるため、劣化を低減し、耐久性を向上することができる。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムは、図１４に示すように、電気制御装置４０がスイッチング素子ＳＷ３に対向するように接続されたスイッチング素子ＳＷ４を更に備える点で第２実施形態と異なる。第３実施形態において説明しない他の構成、作用及び効果は、第１〜第２実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
スイッチング素子ＳＷ４は、他のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ３，ＳＷ５と同様に、例えば、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子から構成可能である。スイッチング素子ＳＷ４は、容量の大きい第１燃料電池スタックＦＣ１の電力を制御するパワー素子である。スイッチング素子ＳＷ４は、スイッチング素子ＳＷ３と第１燃料電池スタックＦＣ１との間に接続される。
第２実施形態に係る燃料電池システムでは、半導体スイッチング素子により構成されるスイッチング素子ＳＷ３に、第１燃料電池スタックＦＣ１に対して逆方向となるダイオードが内蔵される。よって、第１燃料電池スタックＦＣ１側に電流が流れ込むことにより、負荷７０側の電圧が第１燃料電池スタックＦＣ１の出力電圧を超えることができない。一方、第３実施形態に係る燃料電池システムは、スイッチング素子ＳＷ３に対して逆方向に接続されたスイッチング素子ＳＷ４を備えることにより、電気制御装置４０が昇圧可能な任意の電圧まで負荷電圧を昇圧することができる。
なお、第３実施形態に係る燃料電池システムは、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の代わりに、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４が統合された構成として、双方向スイッチング素子を備えるようにしてもよい。双方向スイッチング素子は、例えば逆阻止ＩＧＢＴ等から構成される。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムは、図１５に示すように、電気制御装置４０がリアクトルＬ１とダイオードＤとを更に備える点で第３実施形態と異なる。第４実施形態において説明しない他の構成、作用及び効果は、第１〜第３実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
リアクトルＬ１は、第１燃料電池スタックＦＣ１の正極とコンデンサＣ１の正極側端子との間に直列に接続される。ダイオードＤは、リアクトルＬ２とコンデンサＣ２の青玉側端子との間に直列に接続される。ダイオードＤは、第２燃料電池スタックＦＣ２の出力に対して順方向に接続される。
電気制御装置４０は、低出力モードにおいて、図１６に示すように、スイッチング素子ＳＷ２〜ＳＷ５がオフ、スイッチング素子ＳＷ１のみがオンにし、第２燃料電池スタックＦＣ２のみを負荷７０に接続する。
電気制御装置４０は、昇圧モードにおいて、第２燃料電池スタックＦＣ２のみを負荷７０に接続する低出力モードと、図１７に示す第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２を直列に負荷７０に接続する高出力モードとを交互に高速にスイッチングする。すなわち、電気制御装置４０は、図１６及び図１７に示す状態を交互にスイッチングする。電気制御装置４０は、スイッチングのデューティ比を調整することにより、負荷電圧を、第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧から、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧の和まで任意に制御することができる。
例えば、第１実施形態に係る燃料電池システムでは、低出力モード又は通常モードから、高出力モードに移行する場合、使用条件によっては、リアクトルＬ１等に蓄えられたエネルギーにより、第１燃料電池スタックＦＣ１又は第２燃料電池スタックＦＣ２に急激に流れ込む可能性がある。燃料電池スタックは、電流の変化が急峻になると、燃料の供給量が追従できず、流入される燃料が不足する可能性がある。この場合、燃料の不足は燃料極の酸化による燃料電池スタックの故障や劣化に繋がるため、燃料を過剰に供給する必要があり、燃料に対する出力効率が悪化する可能性がある。
第４実施形態に係る燃料電池システムは、リアクトルＬ１を備えるため、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２を直列に負荷７０に接続する状態に切り替える場合において、第１燃料電池スタックＦＣ１に急激に電流が流れることを低減することができる。すなわち、電気制御装置４０は、昇圧モードにおいて、コンデンサＣ１等に蓄えられた電荷が瞬時に消費されず、リアクトルＬ１が少しずつ充電されるように制御するため、第１燃料電池スタックＦＣ１に流れる電流の急峻な変化が低減される。電気制御装置４０は、燃料電池スタックに燃料を供給する制御の応答速度に応じて、負荷電圧の昇圧する速度を任意に制御することができるため、燃料電池スタックの故障や劣化を低減し、出力効率を向上することができる。
第１実施形態に係る燃料電池システムは、出力条件によっては、スイッチング時に第１燃料電池スタックＦＣ１の電流が第２燃料電池スタックＦＣ２に流れ込む可能性がある。一方、第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、ダイオードＤを備えるため、第２燃料電池スタックＦＣ２に電流が流れこむことを防止することができる。
図１８は、低出力モードから昇圧モードを経て高出力モードに遷移する間の負荷電圧ＶＬのシミュレーション結果である。負荷電圧ＶＬは、時刻０．０５秒から時刻０．２３秒までの昇圧モードの間、第２燃料電池スタックＦＣ２（切り替え前スタック、昇圧用スタック）の出力電圧Ｖ２から、第１燃料電池スタックＦＣ１の出力電圧Ｖ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２（切り替え後スタック）の出力電圧Ｖ２の和まで昇圧される。これにより、第１燃料電池スタックＦＣ１に流れる電流の変化速度を低減させることができることがわかる。
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムは、図１９に示すように、電気制御装置４０の構成を簡素化し、動作モードを削減した点で第１〜第４実施形態と異なる。第５実施形態において説明しない他の構成、作用及び効果は、第１〜第４実施形態と実質的に同様であり、重複するため省略する。
電気制御装置４０の入力側は、第１燃料電池スタックＦＣ１の正極及び負極と、第２燃料電池スタックＦＣ２の正極とに接続される。電気制御装置４０の出力側は、負荷７０の正極側端子に接続される。負荷７０の負極側端子は、第２燃料電池スタックＦＣ２の負極に接続される。
電気制御装置４０は、第１燃料電池スタックＦＣ１の正極と負荷７０の正極側端子との間に、順に直列に接続されたリアクトルＬ１１，Ｌ１２と、リアクトルＬ１１，Ｌ１２の接点と第１燃料電池スタックＦＣ１の負極との間に、順に直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２とを備える。また、電気制御装置４０は、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２に並列にコンデンサＣ１を備える。
第５実施形態に係る燃料電池システムは、起動モード及び通常モードを除く、低出力モード、昇圧モード及び高出力モードを動作モードとして有する。処理部５０は、低出力モードにおいて、スイッチング素子ＳＷ２がオフ、スイッチング素子ＳＷ１のみがオンになるように電気制御装置４０を制御する。また、処理部５０は、高出力モードにおいて、スイッチング素子ＳＷ１がオフ、スイッチング素子ＳＷ２のみがオンになるように電気制御装置４０を制御する。
電気制御装置４０は、昇圧モードにおいて処理部５０の制御に応じて、スイッチング素子ＳＷ１と、スイッチング素子ＳＷ２とを、互い違いにオン・オフすることにより、昇圧チョッパ回路として機能する。電気制御装置４０は、スイッチングのデューティ比を調整することにより、負荷電圧ＶＬを、第２燃料電池スタックＦＣ２（切り替え前スタック、昇圧用スタック）の出力電圧から、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２（切り替え後スタック）の出力電圧の和まで任意に制御することができる。
図２０は、第５実施形態に係る燃料電池システムの起動時から第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２の電力を負荷７０に供給するまでの負荷電圧ＶＬを図示した一例である。
電気制御装置４０は、時刻ｔ０〜ｔ１の間において、低出力モードとして、第２燃料電池スタックＦＣ２のみを負荷７０に接続する。電気制御装置４０は、時刻ｔ１〜ｔ２の間において、昇圧モードとして、第１燃料電池スタックＦＣ１のみを負荷７０に接続する状態と、第２燃料電池スタックＦＣ２のみを負荷７０に接続する状態とを交互にスイッチングすることにより、負荷電圧ＶＬを昇圧する。
図２１は、低出力モード及び昇圧モードの間の負荷電圧ＶＬのシミュレーション結果である。時刻２５ｍｓからの区間Ｊにおいて、電気制御装置４０は昇圧モードで駆動している。図２１に示すように、負荷電圧ＶＬは、スイッチングのデューティ比が調整されることにより、第２燃料電池スタックＦＣ２の出力電圧Ｖ２から、第１燃料電池スタックＦＣ１の出力電圧Ｖ１及び出力電圧Ｖ２の和までの範囲Ｋにおいて、任意に昇圧されることができる。
第５実施形態に係る燃料電池システムによれば、スイッチング素子の数が削減されることにより、製造コスト及び昇圧における処理負荷を低減することができる。また、第５実施形態に係る燃料電池システムは、一端が第１燃料電池スタックＦＣ１の正極に接続されたリアクトルＬ１１を備えるため、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２を直列に負荷７０に接続する状態に切り替える場合において、第１燃料電池スタックＦＣ１に急激に電流が流れることを低減することができる。
（その他の実施形態）
上記のように、本発明を第１〜第５実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、第１〜第５実施形態に係る燃料電池システムにおいて、第１燃料電池スタックＦＣ１及び第２燃料電池スタックＦＣ２は、互いに取り替えられてもよい。すなわち、低出力モードにおいて、第１燃料電池スタックＦＣ１のみが負荷７０に接続され、通常モードにおいて、第２燃料電池スタックＦＣ２のみが負荷７０に接続される。
特に、第４実施形態に係る燃料電池システムにおいて、第１燃料電池スタックＦＣ１（昇圧用スタック）の電圧を昇圧して負荷７０に供給する構成とすることにより、負荷電圧の変化速度を低減させることができる。すなわち、第４実施形態に係る燃料電池システムでは、通常モードから高出力モードに遷移する場合、一旦、出力電圧の小さい第２燃料電池スタックＦＣ２により昇圧モードに移行する必要があるため、電気制御装置４０の出力に落ち込みが生じてしまう。
これに対して、第１燃料電池スタックＦＣ１（切り替え前スタック）のみを負荷７０に接続する状態と、第１燃料電池スタックＦＣ１と第２燃料電池スタックＦＣ２（切り替え後スタック）とを直列に負荷７０に接続する状態とを交互に高速スイッチングすることにより負荷電圧を昇圧する場合、電気制御装置４０の出力が大きく落ち込むことを抑制することができる。
その他、第１〜第５実施形態に記載の各構成を相互に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明によれば、電気制御装置が燃料電池スタックの電圧を昇圧可能な構成を有することにより、出力電圧の安定性を向上することができる燃料電池システムを提供することができる。
３０ 排気経路
４０ 電気制御装置
７０ 負荷
ＦＣ１ 第１燃料電池スタック
ＦＣ２ 第２燃料電池スタック
Ｐ１，Ｐ２ 電流電圧特性
先ず、ステップＳ１０１において、処理部５０は、状態検知部１０，２０により検知された各温度が所定の閾値以下であることに応じて、起動モードに移行する。処理部５０は、起動モードにおいて、図５に示すように、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３がオフ、スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ５のみがオンになるように電気制御装置４０を制御する。なお、回路図において破線は、電流が流れていない配線を意味する。起動モードにおいて、第２燃料電池スタックＦＣ２は、加熱器３５により昇温される。第２燃料電池スタックＦＣ２は、状態検知部２０により検知される第２燃料電池スタックＦＣ２の温度が所定の閾値（例えば３００℃）に到達することに応じて、燃料がスタックに流入される。第２燃料電池スタックＦＣ２に起電力が生じると、電流がリアクトルＬ２に流れて循環する閉回路が構成される。第２燃料電池スタックＦＣ２は、発電による自己発熱により、起動時間を短縮することができる。
リアクトルＬ１は、第１燃料電池スタックＦＣ１の正極とコンデンサＣ１の正極側端子との間に直列に接続される。ダイオードＤは、リアクトルＬ２とコンデンサＣ２の正極側端子との間に直列に接続される。ダイオードＤは、第２燃料電池スタックＦＣ２の出力に対して順方向に接続される。
例えば、第１実施形態に係る燃料電池システムでは、低出力モード又は通常モードから、高出力モードに移行する場合、使用条件によっては、コンデンサＣ１等に蓄えられたエネルギーにより、第１燃料電池スタックＦＣ１又は第２燃料電池スタックＦＣ２に急激に流れ込む可能性がある。燃料電池スタックは、電流の変化が急峻になると、燃料の供給量が追従できず、流入される燃料が不足する可能性がある。この場合、燃料の不足は燃料極の酸化による燃料電池スタックの故障や劣化に繋がるため、燃料を過剰に供給する必要があり、燃料に対する出力効率が悪化する可能性がある。

Claims (13)

  1. 第１燃料電池スタックと、
    前記第１燃料電池スタックより出力電圧が小さい第２燃料電池スタックと、前記第１燃料電池スタックまたは前記第２燃料電池スタックのいずれかで構成される切り替え前スタックと、前記第１燃料電池スタックまたは前記第２燃料電池スタックのいずれかで構成される昇圧用スタックと、少なくとも前記第１燃料電池スタックで構成される切り替え後スタックと、
    前記切り替え前スタックと負荷とが接続された状態で、前記昇圧用スタックの電圧を昇圧してから、前記切り替え後スタックと前記負荷との接続状態に切り替える電気制御装置と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記切り替え前スタックと前記昇圧用スタックは前記第２燃料電池スタックで構成され、
    前記切り替え後スタックは前記第１燃料電池スタックで構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記切り替え前スタックは前記第１燃料電池スタックで構成され、
    前記昇圧用スタックは前記第１燃料電池スタックもしくは前記第２燃料電池スタックで構成され、
    前記切り替え後スタックは互いに直列に接続された前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックで構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記切り替え前スタックと前記昇圧用スタックは前記第２燃料電池スタックで構成され、
    前記切り替え後スタックは互いに直列に接続された前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックで構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記第１燃料電池スタックの温度及び前記第２燃料電池スタックの温度がそれぞれ所定の閾値以下の場合であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記第２燃料電池スタックの排気を前記第１燃料電池スタックに供給することにより、前記第１燃料電池スタックを昇温する排気経路を更に備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第１燃料電池スタックの温度及び電圧の少なくともいずれかが所定の閾値を超える場合において、前記第２燃料電池スタックは、発電を抑制し、前記第１燃料電池スタックは、発電を促進することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  8. 前記電気制御装置は、前記負荷に供給される電圧が、前記第１燃料電池スタックの電流電圧特性に基づいて算出される推定電圧と同等になるように、前記第２燃料電池スタックの電圧を昇圧することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  9. 前記電気制御装置は、目標負荷電圧が所定の閾値を超える場合において、高出力モードに移行することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
  10. 前記電気制御装置は、前記高出力モードに移行する際、前記負荷に供給される電圧が、前記第１燃料電池スタックの電流電圧特性に基づいて算出される推定電圧と、前記第２燃料電池スタックの電圧との和と同等となるように、前記第２燃料電池スタックの電圧を昇圧することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記電気制御装置は、前記第２燃料電池スタックを前記負荷に接続する状態と、前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックとを直列に前記負荷に接続する状態とを交互にスイッチングすることにより、前記第２燃料電池スタックの電圧を昇圧することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  12. 前記電気制御装置は、前記第１燃料電池スタックを前記負荷に接続する状態と、前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックとを直列に前記負荷に接続する状態とを交互にスイッチングすることにより、前記第１燃料電池スタックの電圧を昇圧することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  13. システム起動時において、前記第２燃料電池スタックは、温度が所定の閾値に到達することに応じて燃料が流入され、前記電気制御装置は、前記第２燃料電池スタックの電流を、抵抗を介して前記第２燃料電池スタックに循環させることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
JP2017530519A 2015-07-28 2015-07-28 燃料電池システム Expired - Fee Related JP6458868B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2015/071379 WO2017017786A1 (ja) 2015-07-28 2015-07-28 燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2017017786A1 true JPWO2017017786A1 (ja) 2018-05-17
JP6458868B2 JP6458868B2 (ja) 2019-01-30

Family

ID=57885363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017530519A Expired - Fee Related JP6458868B2 (ja) 2015-07-28 2015-07-28 燃料電池システム

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10249894B2 (ja)
EP (1) EP3331078B1 (ja)
JP (1) JP6458868B2 (ja)
CN (1) CN107851820B (ja)
BR (1) BR112018001872B1 (ja)
CA (1) CA2993499C (ja)
WO (1) WO2017017786A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11964620B2 (en) 2020-09-16 2024-04-23 Subaru Corporation Vehicular power supply device

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3413382A4 (en) * 2016-02-03 2019-01-23 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. FUEL CELL ASSEMBLY SYSTEM AND OPERATING METHOD THEREFOR
DE102016208082A1 (de) * 2016-05-11 2017-11-16 Volkswagen Ag Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Mehrzahl wählbarer Betriebsmodi
JP6743774B2 (ja) * 2017-06-29 2020-08-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
EP3806209A4 (en) * 2018-05-30 2021-06-02 Nissan Motor Co., Ltd. FUEL CELL SYSTEM AND ITS OPERATING PROCEDURE
DE102018212715A1 (de) 2018-07-31 2020-02-06 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenstack und Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstacks
JP7081391B2 (ja) 2018-08-24 2022-06-07 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7087827B2 (ja) 2018-08-24 2022-06-21 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7110925B2 (ja) * 2018-11-09 2022-08-02 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN110098418B (zh) * 2019-04-12 2023-07-18 华电电力科学研究院有限公司 一种多燃料自适应的燃料电池集成系统与集成方法
CN110120537B (zh) * 2019-05-10 2020-12-08 青岛大学 一种基于水合状态自适应均衡的燃料电池串级发电系统
DE102020101527A1 (de) * 2020-01-23 2021-07-29 Audi Aktiengesellschaft Versorgungseinrichtung, Brennstoffzellenfahrzeug und Verfahren zur Spannungsbegrenzung bei einer Versorgungseinrichtung
JP7211400B2 (ja) * 2020-06-26 2023-01-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7465160B2 (ja) * 2020-06-26 2024-04-10 岩谷産業株式会社 固体酸化物形燃料電池発電機
JP2022049132A (ja) 2020-09-16 2022-03-29 株式会社Subaru 車両用電源装置
JP2022049131A (ja) 2020-09-16 2022-03-29 株式会社Subaru 車両用電源装置
JP7310771B2 (ja) * 2020-09-24 2023-07-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62140376A (ja) * 1985-12-13 1987-06-23 Toshiba Corp 溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの起動方法
JP2001229943A (ja) * 2000-02-14 2001-08-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2001229950A (ja) * 2000-02-14 2001-08-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2004171881A (ja) * 2002-11-19 2004-06-17 Denso Corp 燃料電池システム
JP2005019372A (ja) * 2003-06-05 2005-01-20 Sony Corp 燃料電池および電圧供給方法
EP1507302A2 (en) * 2003-08-14 2005-02-16 Delphi Technologies, Inc. Cascaded fuel cell stacks for fast start-up and anode coking control
JP2006049134A (ja) * 2004-08-05 2006-02-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007250287A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Tokyo Gas Co Ltd 高温作動型燃料電池システム
JP2008288149A (ja) * 2007-05-21 2008-11-27 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010055927A (ja) * 2008-08-28 2010-03-11 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010140761A (ja) * 2008-12-11 2010-06-24 Hitachi Maxell Ltd 燃料電池制御システム
JP2013504988A (ja) * 2009-09-10 2013-02-07 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト 燃料電池システムのコールドスタート方法及び自動車の燃料電池システム

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6410175B1 (en) * 1998-11-12 2002-06-25 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell system with improved starting capability
DE19857398B4 (de) * 1998-12-12 2010-07-08 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Brennstoffzellensystem, insbesondere für elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge
DE19962681A1 (de) * 1999-12-23 2001-06-28 Siemens Ag Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage
JP2005085509A (ja) * 2003-09-04 2005-03-31 Nec Corp 燃料電池システムおよびその運転方法
US7800340B2 (en) * 2006-05-08 2010-09-21 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell assembly using multiple fuel cell stacks and control method therefor
EP2166607A4 (en) * 2007-07-10 2017-03-08 Seiko Instruments Inc. Power supply apparatus
EP2353920B1 (en) * 2008-10-31 2019-01-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electrically driven vehicle and electrically driven vehicle control method
EP2380070B1 (en) * 2009-01-19 2013-12-25 FH Joanneum GmbH Power control of serially connected cells

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62140376A (ja) * 1985-12-13 1987-06-23 Toshiba Corp 溶融炭酸塩型燃料電池発電システムの起動方法
JP2001229943A (ja) * 2000-02-14 2001-08-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2001229950A (ja) * 2000-02-14 2001-08-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2004171881A (ja) * 2002-11-19 2004-06-17 Denso Corp 燃料電池システム
JP2005019372A (ja) * 2003-06-05 2005-01-20 Sony Corp 燃料電池および電圧供給方法
EP1507302A2 (en) * 2003-08-14 2005-02-16 Delphi Technologies, Inc. Cascaded fuel cell stacks for fast start-up and anode coking control
JP2006049134A (ja) * 2004-08-05 2006-02-16 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007250287A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Tokyo Gas Co Ltd 高温作動型燃料電池システム
JP2008288149A (ja) * 2007-05-21 2008-11-27 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010055927A (ja) * 2008-08-28 2010-03-11 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2010140761A (ja) * 2008-12-11 2010-06-24 Hitachi Maxell Ltd 燃料電池制御システム
JP2013504988A (ja) * 2009-09-10 2013-02-07 ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト 燃料電池システムのコールドスタート方法及び自動車の燃料電池システム

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11964620B2 (en) 2020-09-16 2024-04-23 Subaru Corporation Vehicular power supply device

Also Published As

Publication number Publication date
EP3331078B1 (en) 2019-09-04
EP3331078A1 (en) 2018-06-06
EP3331078A4 (en) 2018-08-15
CN107851820A (zh) 2018-03-27
JP6458868B2 (ja) 2019-01-30
BR112018001872B1 (pt) 2022-05-10
CA2993499C (en) 2019-02-26
CN107851820B (zh) 2019-04-19
CA2993499A1 (en) 2017-02-02
US10249894B2 (en) 2019-04-02
BR112018001872A2 (ja) 2018-09-18
WO2017017786A1 (ja) 2017-02-02
US20180219238A1 (en) 2018-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6458868B2 (ja) 燃料電池システム
CN109562698B (zh) 车辆系统
US20080174274A1 (en) Battery unit
JP4688725B2 (ja) 電源装置
JP5614085B2 (ja) 電源装置
CN108432012B (zh) 燃料电池系统
JP2009232665A (ja) 電源装置および電源制御方法
US20150203060A1 (en) Power supply management system and power supply management method
JP2019114486A (ja) 燃料電池システム
JP2007149574A (ja) 燃料電池システム
US8710790B2 (en) Fuel cell system, and electric vehicle equipped with the fuel cell system
CN110936855B (zh) 一种双能量源系统及燃料电池组件上电控制方法
CN113316526A (zh) 车辆用电源控制装置及车辆用电源装置
CN115001065A (zh) 一种电路、供电方法、电子设备及计算机程序产品
KR102449850B1 (ko) 연료전지 차량의 프리차지 릴레이 시스템 및 그 제어방법
JP2020077517A (ja) 燃料電池システム
JP2010238531A (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両
US8691455B2 (en) Fuel cell system and method of operating the same
JP2011211812A (ja) 電源装置
JP4653467B2 (ja) 燃料電池システム
JP4941167B2 (ja) 燃料電池の制御装置
JP7299263B2 (ja) 電力制御システム
JP2023069229A (ja) 燃料電池システム
JP2023114197A (ja) 蓄電デバイス
JP2023110672A (ja) 燃料電池システム及び充電方法

Legal Events

Date Code Title Description
A529 Written submission of copy of amendment under article 34 pct

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A5211

Effective date: 20180119

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180223

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180223

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181127

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20181210

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6458868

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees