WO2010146689A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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智彦 金子
今西　啓之
康弘 長田
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • Patent Document 1 discloses a fuel cell system in which a fuel cell and a DC-DC converter that is a voltage converter are integrated.
  • this fuel cell system by integrating the fuel cell and the DC-DC converter, it is easy to monitor the state of each unit cell of the fuel cell, and the generated current is changed according to the state of each unit cell being monitored. I have control. Further, by arranging the printed circuit board between the boosting switch included in the DC-DC converter and the fuel cell, the ON resistance of the boosting switch is prevented from increasing due to the heat of the fuel cell. .
  • Fuel cell systems are required to suppress fuel cell temperature fluctuations as much as possible in order to achieve efficient operation.
  • the temperature of the fuel cell may decrease due to the influence of outside air or the like.
  • the power generation efficiency may be reduced due to the occurrence of condensation in the fuel cell.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems caused by the prior art, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of improving power generation efficiency.
  • a fuel cell system includes a fuel cell that receives supply of a fuel gas and an oxidant gas and generates power by an electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas, and a power source from the fuel cell.
  • a power consuming device to be consumed a voltage conversion unit configured to be capable of conducting heat with the fuel cell, boosting the output voltage of the fuel cell and supplying it to the power consuming device, and the temperature of the fuel cell according to the output of the fuel cell
  • Control means for setting the switching mode of the step-up switching element included in the voltage conversion unit to a hard switching mode when the temperature is lower than the lower limit value of the allowable temperature range.
  • the switching mode includes a soft switching mode and a hard switching mode. The switching mode is included.
  • the switching mode of the boosting switching element can be set to the hard switching mode. It is possible to warm the fuel cell using the generated heat.
  • control means may set the switching mode to a hard switching mode at low temperature startup.
  • control means is configured so that the switching mode is a hard switching mode and the temperature of the rising fuel cell reaches the allowable temperature range corresponding to the output of the fuel cell.
  • the switching mode may be switched from the hard switching mode to the soft switching mode.
  • the temperature of the fuel cell is predetermined.
  • the switching mode may be switched from the soft switching mode to the hard switching mode when the upper limit reduction rate is exceeded.
  • the fuel cell and the voltage conversion unit may be assembled and integrated to enable heat conduction between the fuel cell and the voltage conversion unit.
  • a fuel cell system according to the present invention is used as an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle) will be described.
  • FCHV Fuel Cell Hybrid Vehicle
  • the fuel cell system according to the present invention can also be applied to various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than fuel cell vehicles, and further used as power generation equipment for buildings (housing, buildings, etc.). It can be applied to a stationary power generation system.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a fuel cell system according to an embodiment.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas that is a reaction gas and a fuel gas, and an FC converter 3 that is a DC / DC converter for the fuel cell ( Voltage converter), battery 4 as a secondary battery, Bat converter 5 as a DC / DC converter for the battery, traction inverter 6 as a load, traction motor 7 (power consuming device), and overall system And a control unit 8 (control means) for controlling.
  • the fuel cell 2 and the FC converter 3 are integrated and assembled so that heat is conducted to each other, and are housed in the same casing.
  • the fuel cell 2 and the FC converter 3 do not necessarily have to be housed in the same casing.
  • the fuel cell 2 and the FC converter 3 may be housed in separate casings, and a mechanism capable of exchanging heat between the two casings may be provided and combined.
  • the fuel cell 2 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell, and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked.
  • the single cell has an air electrode on one surface of an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and a pair of separators so as to sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. It has become.
  • hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas passage of one separator, the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas passage of the other separator, and electric power is generated by the chemical reaction of these reaction gases.
  • the FC converter 3 is a DC voltage converter, and has a function of boosting the DC voltage output from the fuel cell 2 and outputting it to the traction inverter 6 and the traction motor 7.
  • the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the FC converter 3.
  • the FC converter 3 includes, for example, a smoothing capacitor C1 that smoothes the DC voltage input from the fuel cell 2, a boosting coil L1 that boosts the DC voltage, and a boosting switch S1 (boosting switching element).
  • a resonance capacitor C2 and a resonance coil L2 constituting a resonance circuit, a resonance switch S2 for turning on / off the resonance circuit, and a smoothing capacitor C3 for smoothing the output voltage of the FC converter 3 are configured.
  • soft switching of the boost switch S1 is realized by providing a resonance circuit. Details of the soft switching will be described later.
  • the battery 4 is configured such that battery cells are stacked and a constant high voltage is used as a terminal voltage, and the surplus power of the fuel cell 2 can be charged or supplementarily supplied by control of a battery computer (not shown).
  • the Bat converter 5 is a DC voltage converter, which adjusts (boosts) the DC voltage output from the battery 4 and outputs it to the traction inverter 6 and the traction motor 7, and outputs from the fuel cell 2 or the traction motor 7.
  • the traction inverter 6 converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the traction motor 7.
  • the traction motor 7 is, for example, a three-phase AC motor, and constitutes a main power source of a fuel cell vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted.
  • the control unit 8 detects an operation amount of an acceleration operation member (for example, an accelerator) provided in the fuel cell vehicle, and controls an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a power consuming device such as the traction motor 7). Receives information and controls the operation of various devices in the system.
  • the power consuming device includes, for example, auxiliary equipment (for example, a compressor and a hydrogen pump motor) necessary for operating the fuel cell 2, and various devices ( Actuators used in transmissions, wheel control devices, steering devices, suspension devices, etc.), passenger space air conditioners (air conditioners), lighting, audio, and the like.
  • the control unit 8 physically includes, for example, a CPU, a memory, and an input / output interface.
  • the memory includes a ROM that stores a control program and control data processed by the CPU, and a RAM that is mainly used as various work areas for control processing. These elements are connected to each other via a bus.
  • Various sensors such as a voltage sensor are connected to the input / output interface, and various drivers for driving the traction motor 7 and the like are connected.
  • 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 them using various data in the RAM, whereby various control processes in the fuel cell system 1 are performed. Execute. Further, the CPU controls the entire fuel cell system 1 by outputting control signals to various drivers via the input / output interface.
  • the control unit 8 sets the switching mode of the boosting switch S1, and performs switching control of the boosting switch S1 according to the set switching mode.
  • the switching mode of the boost switch S1 includes a hard switching mode and a soft switching mode.
  • the hard switching mode is a mode in which the boost switch S1 is turned on / off in accordance with a control instruction regardless of the value of voltage or current.
  • the soft switching mode is a mode in which the step-up switch S1 is turned on / off after the potential difference between the switch terminals is set to 0 so that no current flows between the terminals.
  • the soft switching in the present embodiment is performed in order to eliminate the switching loss that occurs when the boosting switch S1 is turned on / off.
  • the boosting switch S1 is gradually switched from on to off (procedure 1). As a result, the current flowing through the boosting switch S1 is reduced, and the current is concentrated on the diode D3 and the resonance capacitor C2 side.
  • the boost switch S1 is completely switched from on to off (procedure 2).
  • the boosting switch S1 can be turned off when no current flows through the boosting switch S1, so that the switching loss can be reduced to zero.
  • the resonance switch S2 is switched from OFF to ON in order to release the charge accumulated in the resonance capacitor C2 (procedure 3).
  • a current flows from the resonance capacitor C2 to the smoothing capacitor C1 via the resonance coil L2 and the diode D2, and charges are accumulated in the smoothing capacitor C1. That is, a current flows from the resonance circuit to the smoothing capacitor C1, and charges are accumulated in the smoothing capacitor C1.
  • the boost switch S1 After the potential difference between both ends of the boost switch S1 becomes zero, the boost switch S1 is switched from OFF to ON (procedure 4). Thus, the boosting switch S1 can be turned on when no current flows through the boosting switch S1, so that the switching loss can be reduced to zero.
  • the control unit 8 sets the switching mode of the boosting switch S1 to the hard switching mode when, for example, the following conditions (1) and (2) are satisfied, respectively. That is, the switching mode is switched from the soft switching mode to the hard switching mode.
  • the allowable temperature range according to the output of the fuel cell 2 is, for example, a range of values that can be taken as the temperature of the fuel cell 2 that can be determined to exhibit performance according to the output for each output of the fuel cell 2. It can be obtained by finding it through experiments.
  • the obtained allowable temperature range is stored in a map in association with the output of the fuel cell 2 and stored in the memory.
  • the control unit 8 changes the switching mode of the boost switch S1 to the soft switching mode. Set. That is, the switching mode is switched from the hard switching mode to the soft switching mode.
  • the control unit 8 sets the switching mode of the boost switch S1 to the soft switching mode.
  • control unit 8 determines whether or not the temperature of the fuel cell 2 is lower than the lower limit value of the allowable temperature range according to the output of the fuel cell 2 (step S101). When this determination is YES (step S101; YES), the control unit 8 sets the switching mode of the boost switch S1 to the hard switching mode (step S104).
  • step S101 when it is determined in step S101 that the temperature of the fuel cell 2 is equal to or higher than the lower limit temperature of the allowable temperature range corresponding to the output of the fuel cell 2 (step S101; NO), the control unit 8 It is determined whether or not the temperature decrease rate of the fuel cell 2 exceeds the upper limit decrease rate (step S102). When this determination is YES (step S102; YES), the control unit 8 sets the switching mode of the boost switch S1 to the hard switching mode (step S104).
  • step S102 when it is determined in step S102 that the temperature decrease rate of the fuel cell 2 is equal to or lower than the upper limit decrease rate (step S102; NO), the control unit 8 sets the switching mode of the boost switch S1 to the soft mode.
  • the switching mode is set (step S103).
  • the switching mode of the boost switch S1 is set to the hard mode. Since the switching mode can be set, the fuel cell 2 can be warmed using heat generated by the boost switch S1. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell system 1 can be improved.
  • the switching mode of the boosting switch S1 can be changed to the soft switching mode. Switching loss that occurs at the time of OFF can be eliminated.
  • the switching mode is the soft switching mode
  • the temperature of the fuel cell 2 falls below a predetermined upper limit reduction rate.
  • the switching mode can be switched from the soft switching mode to the hard switching mode, it is possible to prevent the temperature of the fuel cell 2 from excessively decreasing.
  • the switching mode control process of the boost switch S1 is repeatedly performed during the operation of the fuel cell system.
  • the present invention is not limited to this.
  • a switching mode control process for activation described later may be performed.
  • This switching mode control process for startup may be performed together with the switching mode control process in the embodiment, or only the switching mode control process for startup may be performed.
  • This startup switching mode control process is executed once, for example, when the ignition key is turned on.
  • the control unit 8 determines whether or not warm-up is necessary (step S201). Whether or not the warm-up is necessary can be determined, for example, based on whether or not the outside air temperature is so low that the generated water of the fuel cell is frozen unless the warm-up is performed. When this determination is NO (step S201; NO), the control unit 8 sets the switching mode of the boosting switch S1 to the soft switching mode (step S207), and executes the normal activation process (step S208). On the other hand, when it is determined in step S201 that warm-up is necessary (step S201; YES), the control unit 8 sets the switching mode of the boost switch S1 to the hard switching mode (step S202). Then, warm-up activation processing is executed (step S203).
  • step S204 determines whether or not the warm-up has been completed. When this determination is NO (step S204; NO), the control unit 8 repeatedly executes this determination process. On the other hand, when it is determined in step S204 that the warm-up has ended (step S204; YES), the control unit 8 sets the switching mode of the boost switch S1 to the soft switching mode (step S205).
  • the switching mode of the boosting switch S1 can be changed to the hard switching mode at the time of low temperature startup that requires warm-up, and therefore, the fuel cell 2 is utilized using heat generated when the boosting switch S1 is turned on / off. Can be warmed. Further, when the warm-up is completed and the fuel cell is warmed, the switching mode of the boost switch S1 can be changed to the soft switching mode, so that the switching loss that occurs when the boost switch S1 is turned on / off is eliminated. can do.
  • the switching mode of the boost switch S1 when the switching mode of the boost switch S1 is switched from the hard switching mode to the soft switching mode, the temperature of the fuel cell 2 is within an allowable temperature range corresponding to the output of the fuel cell 2. However, it is not always necessary that the temperature of the fuel cell 2 is within the allowable temperature range. For example, even when the temperature of the fuel cell 2 is lower than the lower limit value of the allowable temperature range, the temperature of the fuel cell 2 is increasing and the temperature of the fuel cell 2 is maintained even when the hard switching mode is switched. When it is assumed that the allowable temperature range is reached, the switching mode of the boost switch S1 may be set to the soft switching mode before the temperature of the fuel cell 2 reaches the allowable temperature range.
  • whether or not the temperature of the fuel cell 2 reaches the allowable temperature range can be determined using, for example, the current temperature or rate of temperature increase of the fuel cell, the amount of heat generated from the boost switch S1, and the like. it can.
  • the fuel cell system according to the present invention is suitable for improving the power generation efficiency.
  • SYMBOLS 1 Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 3 ... FC converter, 4 ... Battery, 5 ... Bat converter, 6 ... Traction inverter, 7 ... Traction motor, 8 ... Control part, C1, C3 ... Smoothing capacitor, C2 ... Resonance capacitor, L1 ... boosting coil, L2 ... resonance coil, S1 ... boosting switch, S2 ... resonance switch.

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Abstract

　燃料電池システムの発電効率を向上させる。燃料電池２およびＦＣコンバータ３は、相互に熱が伝導するように一体化して組付けられ、同一筐体内に納められている。制御部８は、燃料電池２の温度が燃料電池２の出力に応じた許容温度範囲の下限値よりも低い場合に、ＦＣコンバータ３に含まれる昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをソフトスイッチングモードからハードスイッチングモードに切り替える。

Description

燃料電池システム
　本発明は、燃料電池システムに関する。
　下記特許文献１には、燃料電池と電圧変換部であるＤＣ－ＤＣコンバータとを一体化させた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池とＤＣ－ＤＣコンバータとを一体化することで、燃料電池の各単セルの状態を監視し易くし、監視している各単セルの状態に応じて発電電流を制御している。また、ＤＣ－ＤＣコンバータに含まれる昇圧用スイッチと燃料電池との間にプリント回路基板を配置することで、昇圧用スイッチのオン抵抗が燃料電池の熱によって増加してしまうことを抑制している。
特開２００７－２０７５８２号公報
　燃料電池システムでは、効率的な運転を実現するために、燃料電池の温度変動をできる限り抑えることが要求されている。しかしながら、例えば、外気等の影響を受けて燃料電池の温度が低下してしまうことがある。このような場合には、燃料電池内で結露が発生する等して発電効率が低下するおそれがある。
　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、発電効率を向上させ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。
　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、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、燃料電池と熱伝導可能に構成され、燃料電池の出力電圧を昇圧して電力消費装置に供給する電圧変換部と、燃料電池の温度が当該燃料電池の出力に応じた許容温度の範囲の下限値よりも低い場合に、電圧変換部に含まれる昇圧用スイッチング素子のスイッチングモードをハードスイッチングモードにする制御手段と、を備え、上記スイッチングモードには、ソフトスイッチングモードとハードスイッチングモードとが含まれることを特徴とする。
　この発明によれば、燃料電池の温度が燃料電池の出力に応じた許容温度よりも低い場合には、昇圧用スイッチング素子のスイッチングモードをハードスイッチングモードにすることができるため、昇圧用スイッチング素子で発生する熱を利用して燃料電池を温めることが可能となる。
　上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、低温起動時に、スイッチングモードをハードスイッチングモードにすることとしてもよい。
　このようにすることで、低温起動時に、昇圧用スイッチング素子で発生する熱を利用して燃料電池を温めることが可能となる。
　上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、スイッチングモードがハードスイッチングモードであり、かつ、上昇している燃料電池の温度が当該燃料電池の出力に応じた許容温度の範囲内に到達する前に、スイッチングモードをハードスイッチングモードからソフトスイッチングモードに切り換えることとしてもよい。
　このようにすることで、燃料電池の温度が上昇し過ぎてオーバーシュートしてしまうことを防止することが可能となる。
　上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、燃料電池の温度が当該燃料電池の出力に応じた許容温度の範囲内であって、スイッチングモードがソフトスイッチングモードであるときに、燃料電池の温度が所定の上限低下率を超えて低下している場合に、スイッチングモードをソフトスイッチングモードからハードスイッチングモードに切り換えることとしてもよい。
　このようにすることで、燃料電池の温度が低下し過ぎることを防止することが可能となる。
　上記燃料電池システムにおいて、上記前記燃料電池と前記電圧変換部とを一体化して組付けることで、前記燃料電池と前記電圧変換部との熱伝導を可能にすることとしてもよい。
　本発明によれば、発電効率を向上させることができる。
実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 実施形態におけるスイッチングモード制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。 変形例における起動時用のスイッチングモード制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。
　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。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。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも適用することができ、さらに、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も適用することができる。
　まず、図１を参照して、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図である。
　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、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータであるＦＣコンバータ３（電圧変換部）と、二次電池としてのバッテリ４と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータであるＢａｔコンバータ５と、負荷としてのトラクションインバータ６、トラクションモータ７（電力消費装置）と、システム全体を統括制御する制御部８（制御手段）とを有する。燃料電池２およびＦＣコンバータ３は、相互に熱が伝導するように一体化して組付けられ、同一筐体内に納められている。なお、燃料電池２とＦＣコンバータ３とは、必ずしも同一筐体内に納める必要はない。例えば、燃料電池２とＦＣコンバータ３とを別筐体に納め、両筐体間で熱交換できる仕組みを設けて結合することとしてもよい。
　燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、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膜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通路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通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。
　ＦＣコンバータ３は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から出力された直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に出力する機能を有する。ＦＣコンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。
　ＦＣコンバータ３は、例えば、燃料電池２から入力された直流電圧を平滑化する平滑用コンデンサＣ１と、直流電圧を昇圧するための昇圧用コイルＬ１および昇圧用スイッチＳ１（昇圧用スイッチング素子）と、共振回路を構成する共振用コンデンサＣ２および共振用コイルＬ２と、共振回路をＯＮ／ＯＦＦする共振用スイッチＳ２と、ＦＣコンバータ３の出力電圧を平滑化する平滑用コンデンサＣ３と、を含んで構成される。本実施形態では、共振回路を設けることで昇圧用スイッチＳ１のソフトスイッチングを実現している。ソフトスイッチングの詳細については後述する。
　バッテリ４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燃料電池２の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。Ｂａｔコンバータ５は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４から出力された直流電圧を調整（昇圧）してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７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７から出力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ４に出力する機能と、を有する。このようなＢａｔコンバータ５の機能により、バッテリ４の充放電が実現される。
　トラクションインバータ６は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ７に供給する。トラクションモータ７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。
　制御部８は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）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７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７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や水素ポンプのモータ等）、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。
　制御部８は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、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、電圧センサ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
　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における各種制御処理を実行する。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。
　制御部８は、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードを設定し、設定したスイッチングモードにしたがって、昇圧用スイッチＳ１のスイッチング制御を行う。昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードには、ハードスイッチングモードとソフトスイッチングモードとがある。ハードスイッチングモードとは、電圧や電流の値にかかわらず、制御指示にしたがって昇圧用スイッチＳ１をオン／オフさせるモードである。ソフトスイッチングモードとは、スイッチ端子間の電位差を０にして端子間に電流が流れないようにしてから昇圧用スイッチＳ１をオン／オフさせるモードである。
　以下に、ソフトスイッチングモード時に、制御部８によって行われるソフトスイッチングの手順について説明する。本実施形態におけるソフトスイッチングは、昇圧用スイッチＳ１のオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消するために行われるものである。
　まず、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに切り換える場合、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに徐々に切り換える（手順１）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に流れる電流が減少し、ダイオードＤ３および共振用コンデンサＣ２側に電流が集中することになる。
　その後、昇圧用スイッチＳ１に流れる電流が０になった後に、昇圧用スイッチＳ１をオンからオフに完全に切り換える（手順２）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に電流が流れていないときに昇圧用スイッチＳ１をオフにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。
　一方、電流が共振用コンデンサＣ２に流れ込むことによって、共振用コンデンサＣ２には電荷が蓄積されていくことになる。
　続いて、共振用コンデンサＣ２に蓄積された電荷を放出するために、共振用スイッチＳ２をオフからオンに切り換える（手順３）。これにより、共振用コンデンサＣ２から共振用コイルＬ２およびダイオードＤ２を介して平滑用コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑用コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。つまり、共振回路から平滑用コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑用コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。
　その後、共振用コンデンサＣ２から全ての電荷が放出され、共振用コンデンサＣ２の電圧が０になると、ダイオードＤ３および共振用コンデンサＣ２からなる直列回路の両端の電位差も０となり、昇圧用スイッチＳ１の両端の電位差も０になる。
　昇圧用スイッチＳ１の両端の電位差が０になった後に、昇圧用スイッチＳ１をオフからオンに切り換える（手順４）。これにより、昇圧用スイッチＳ１に電流が流れないときに昇圧用スイッチＳ１をオンにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。
　制御部８は、例えば、以下の（１）、（２）の各条件がそれぞれ成立する場合に、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをハードスイッチングモードに設定する。すなわち、スイッチングモードをソフトスイッチングモードからハードスイッチングモードに切り替える。
　（１）燃料電池２の温度が燃料電池２の出力に応じた許容温度範囲の下限値よりも低い場合。燃料電池２の温度としては、例えば、燃料電池２の温度を測定する温度センサの検出値や、燃料電池２を冷却する冷却水の温度を測定する温度センサの検出値を用いることができる。燃料電池２の出力に応じた許容温度範囲は、例えば、燃料電池２の出力ごとに、その出力に応じた性能を発揮していると判定可能な燃料電池２の温度として取り得る値の範囲を、実験等で求めることによって得られる。得られた許容温度範囲は、燃料電池２の出力に対応付けてマップに記憶させ、メモリに格納される。
　（２）燃料電池２の温度が燃料電池２の出力に応じた許容温度範囲内であり、かつ、燃料電池２の温度が所定の上限低下率を超えて低下している場合。所定の上限低下率としては、例えば、燃料電池２の温度が現時点の低下率で低下し続けたとしても上記許容温度範囲の下限値に到達したときにハードスイッチングモードに切り替えれば、発電効率を低下させることなく運転を継続することが可能な低下率の上限値を設定することができる。
　制御部８は、燃料電池２の温度が燃料電池２の出力に応じた許容温度範囲内であり、かつ、上記（２）に該当しない場合に、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをソフトスイッチングモードに設定する。すなわち、スイッチングモードをハードスイッチングモードからソフトスイッチングモードに切り替える。なお、制御部８は、燃料電池２の温度が燃料電池２の出力に応じた許容温度範囲よりも高い場合には、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをソフトスイッチングモードに設定する。
　次に、図２に示すフローチャートを用いて、本実施形態におけるスイッチングモード制御処理について説明する。このスイッチングモード制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされてから、運転が停止するまで繰り返し行われる。
　最初に、制御部８は、燃料電池２の温度が、燃料電池２の出力に応じた許容温度範囲の下限値よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０１）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）に、制御部８は、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをハードスイッチングモードに設定する（ステップＳ１０４）。
　一方、上記ステップＳ１０１の判定で燃料電池２の温度が、燃料電池２の出力に応じた許容温度範囲の下限温度以上であると判定された場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）に、制御部８は、燃料電池２の温度の低下率が上限低下率を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）に、制御部８は、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをハードスイッチングモードに設定する（ステップＳ１０４）。
　一方、上記ステップＳ１０２の判定で燃料電池２の温度の低下率が上限低下率以下であると判定された場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）に、制御部８は、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをソフトスイッチングモードにする（ステップＳ１０３）。
　上述してきたように、本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の温度が燃料電池２の出力に応じた許容温度よりも低い場合には、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをハードスイッチングモードにすることができるため、昇圧用スイッチＳ１で発生する熱を利用して燃料電池２を温めることが可能となる。それゆえに、燃料電池システム１の発電効率を向上させることが可能となる。
　また、燃料電池２の温度が燃料電池２の出力に応じた許容温度に達した場合には、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをソフトスイッチングモードにすることができるため、昇圧用スイッチＳ１のオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消することができる。
　また、燃料電池の温度が燃料電池２の出力に応じた許容温度の範囲内であって、スイッチングモードがソフトスイッチングモードであるときに、燃料電池２の温度が所定の上限低下率を超えて低下している場合に、スイッチングモードをソフトスイッチングモードからハードスイッチングモードに切り換えることができるため、燃料電池２の温度が低下し過ぎることを防止することが可能となる。
　なお、上述した実施形態では、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモード制御処理を燃料電池システムの運転中に繰り返し行っているが、これに限定されない。例えば、燃料電池システムの起動時に、後述する起動時用のスイッチングモード制御処理を行うこととしてもよい。この起動時用のスイッチングモード制御処理は、実施形態におけるスイッチングモード制御処理と併せて行うこととしてもよいし、この起動時用のスイッチングモード制御処理のみを行うこととしてもよい。
　図３に示すフローチャートを用いて、本変形例にける起動時用のスイッチングモード制御処理について説明する。この起動時用スイッチングモード制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに１回実行される。
　最初に、制御部８は、暖機が必要であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。暖機が必要であるか否かは、例えば、暖機を行わなければ燃料電池の生成水が凍結するほど外気温が低いか否かにより判定することができる。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０１；ＮＯ）に、制御部８は、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをソフトスイッチングモードに設定し（ステップＳ２０７）、通常起動処理を実行する（ステップＳ２０８）。一方、上記ステップＳ２０１の判定で暖機が必要であると判定された場合（ステップＳ２０１；ＹＥＳ）に、制御部８は、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをハードスイッチングモードに設定し（ステップＳ２０２）、暖機起動処理を実行する（ステップＳ２０３）。
　続いて、制御部８は、暖機が終了したか否かを判定する（ステップＳ２０４）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０４；ＮＯ）に、制御部８は、この判定処理を繰り返し実行する。一方、上記ステップＳ２０４の判定で暖機が終了したと判定された場合（ステップＳ２０４；ＹＥＳ）に、制御部８は、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをソフトスイッチングモードに設定する（ステップＳ２０５）。
　これにより、暖機が必要となる低温起動時に、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをハードスイッチングモードにすることができるため、昇圧用スイッチＳ１のオン／オフ時に発生する熱を利用して燃料電池２を温めることが可能となる。また、暖機が終了して燃料電池が温まった場合には、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをソフトスイッチングモードにすることができるため、昇圧用スイッチＳ１のオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消することができる。
　また、上述した実施形態では、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをハードスイッチングモードからソフトスイッチングモードに切り替える際に、燃料電池２の温度が燃料電池２の出力に応じた許容温度範囲内であることを条件にしているが、必ずしも燃料電池２の温度が上記許容温度範囲内であることを条件にする必要はない。例えば、燃料電池２の温度が上記許容温度範囲の下限値よりも低い場合であっても、燃料電池２の温度が上昇中であり、かつ、ハードスイッチングモードに切り替えても燃料電池２の温度が上記許容温度範囲に到達すると想定される場合には、燃料電池２の温度が上記許容温度範囲に到達する前に、昇圧用スイッチＳ１のスイッチングモードをソフトスイッチングモードに設定することとしてもよい。これにより、燃料電池２の温度が上昇し過ぎてオーバーシュートしてしまうことを防止することができる。ここで、燃料電池２の温度が上記許容温度範囲に到達するか否かは、例えば、現時点の燃料電池の温度や温度上昇率、昇圧用スイッチＳ１からの発熱量等を用いて判定することができる。
　本発明に係る燃料電池システムは、発電効率を向上させることに適している。
　１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＦＣコンバータ、４…バッテリ、５…Ｂａｔコンバータ、６…トラクションインバータ、７…トラクションモータ、８…制御部、Ｃ１，Ｃ３…平滑用コンデンサ、Ｃ２…共振用コンデンサ、Ｌ１…昇圧用コイル、Ｌ２…共振用コイル、Ｓ１…昇圧用スイッチ、Ｓ２…共振用スイッチ。

Claims (5)

  1. 　燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    　前記燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、
    　前記燃料電池と熱伝導可能に構成され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に供給する電圧変換部と、
    　前記燃料電池の温度が当該燃料電池の出力に応じた許容温度の範囲の下限値よりも低い場合に、前記電圧変換部に含まれる昇圧用スイッチング素子のスイッチングモードをハードスイッチングモードにする制御手段と、を備え、
    　前記スイッチングモードには、ソフトスイッチングモードとハードスイッチングモードとが含まれることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記制御手段は、低温起動時に、前記スイッチングモードをハードスイッチングモードにすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 　前記制御手段は、前記スイッチングモードがハードスイッチングモードであり、かつ、上昇している前記燃料電池の温度が当該燃料電池の出力に応じた許容温度の範囲内に到達する前に、前記スイッチングモードをハードスイッチングモードからソフトスイッチングモードに切り換えることを特徴とする請求項１または２燃料電池システム。
  4. 　前記制御手段は、前記燃料電池の温度が当該燃料電池の出力に応じた許容温度の範囲内であって、前記スイッチングモードがソフトスイッチングモードであるときに、前記燃料電池の温度が所定の上限低下率を超えて低下している場合に、前記スイッチングモードをソフトスイッチングモードからハードスイッチングモードに切り換えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記燃料電池と前記電圧変換部とを一体化して組付けることで、前記燃料電池と前記電圧変換部との熱伝導を可能にすることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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