JP4802349B2

JP4802349B2 - Fuel cell vehicle system

Info

Publication number: JP4802349B2
Application number: JP36621098A
Authority: JP
Inventors: 健志栗田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2018-12-24
Also published as: JP2000188120A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池自動車システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気の汚染をできる限り減らすために自動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で普及に至っていない。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気化学反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されている。前記燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望である。
【０００４】
燃料電池システムは、燃料となる水と炭化水素系燃料から水素を主成分とする改質ガスを製造する改質装置と、前記改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減装置および一酸化炭素を低減した改質ガスを燃料として発電する燃料電池スタックから構成されている。
【０００５】
前記燃料電池スタックは、一般的に二つの電極（燃料極と酸化剤極）で電解質を挟んだ構造をしている多数のセルが積層されている。前記固体高分子電解質型燃料電池システムは、前記電解質が固体高分子電解質である燃料電池スタックを使用したシステムである。前記燃料極側には前記改質ガスが、前記酸化剤極側には前記酸化剤ガスが送られ、電気化学反応により発電する。
【０００６】
電気自動車の電源用として搭載される燃料電池の出力は３０〜７０ｋＷ程度のものが考えられている。電気自動車のモータを駆動させるために必要とされる電圧は２４０〜４００Ｖ程度と考えられている。
【０００７】
従来技術として、特開平６−２６０１９９号公報には、外部負荷が必要とする電圧を出力する燃料電池スタックを備え、該燃料電池スタックがインバータを介して前記外部負荷と連結している燃料電池システムが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術は通電した状態の燃料電池の単電池セルのセル電圧は高くても０．９Ｖであり、外部負荷に必要な電圧を得るため必要な数だけ単電池セルを直列に積層して燃料電池スタックを構成しているので、セル数は何百セルにものぼりセルに供給する燃料ガス、酸化剤ガスの配流ムラが生じ燃料電池スタックの性能低下が生ずる問題があった。
【０００９】
図３は、従来の燃料電池自動車システム図である。本燃料電池自動車システムは燃料電池スタック装置２０、インバータ３、モータ４から構成されている。前記燃料電池スタック装置２０は４個の燃料電池スタック２１〜２４で構成され、配線１２により電気的に直列に連結されている。該前記燃料電池スタック装置２０は前記配線１２を介してインバータ３と電気的に連結している。
【００１０】
該インバータ３は配線１３を介してモータ４と連結している。前記燃料電池スタック装置２０には供給管部１６および排出管部１７が連結している。該供給管部１６および排出管部１７は、前記燃料電池スタック２１〜２４に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給および排出する管路の集合体である。
【００１１】
例えば、外部負荷であるモータ４に必要な電圧が２４０Ｖ、最高出力が５０ｋＷの場合について考える。単電池セルの最低使用セル電圧を０．４８Ｖとして設計すると２４０÷０．４８＝５００個のセル数が必要である。５００セルで一つの燃料電池スタックを造ることは困難であるので、一般的には複数例えば４個の燃料電池スタックを造り、それを直列に連結して使用する。図３の従来例では４個の燃料電池スタックを使用している。
【００１２】
上記で外部負荷の必要電圧を単電池セルの最低使用セル電圧で除してセル数を決めるのは、該最低使用セル電圧時が通常最も高出力となるからである。図４は、単電池セルのセル電流とセル出力、セル電圧の関係をあらわす説明グラフ図である。横軸はセル電流、縦軸の下部はセル出力、縦軸の上部はセル電圧である。３００はセル電流出力特性線であり、４００はセル電流電圧特性線である。
【００１３】
前記セル電流出力特性線３００のように、単電池セルの出力特性はセル電流に対し山型となる。最高出力点Ｐの時の電流値ａを越えて電流を引っ張ると、セル出力は最高出力点Ｐの時のセル電圧Ｐａより低下する。例えば、電流値ｂの時のセル出力と電流値ｃの時のセル出力は同じセル出力値Ｐｂであるにもかかわらず、電流値ｂの時のセル電圧Ｖｂは電流値ｃの時のセル電圧Ｖｃより低くなり、効率は電流値ｃの時に比べて低くなる。
【００１４】
以上の理由から、通常使用される電流域は最高出力点Ｐの電流値ａまでの間となる。この電流域では最低使用セル電圧が最高出力点Ｐの時のセル電圧となるので、前述のように外部負荷に必要な電圧を最低使用セル電圧で除するのである。
【００１５】
最低使用セル電圧０．４８Ｖでのセル出力電流密度を０．７Ａ／ｃｍ^２とすると単電池セルの電極面積は、
５０ｋＷ÷０．４８Ｖ÷０．７Ａ／ｃｍ^２÷５００＝２９９ｃｍ^２
となる。
【００１６】
燃料電池の運転において、すべての単電池セルに対して燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を均等に配流することは非常に難しい。配流にムラがあり、ガスの濃淡や温度の不均一ができるとセル電圧にばらつきが発生する。これにより電流を引っ張ることができず、出力の低下をもたらす。また、ガス利用率も低くなり高効率な運転ができなくなる。
【００１７】
図５は、燃料電池スタック出力に対する配流の影響を示す説明グラフ図である。横軸はスタック電流、縦軸はスタック電圧である。１００は燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の配流にムラがないときのスタック電流電圧特性線である。２００は配流にムラがあるときのスタック電流電圧特性線である。配流にムラがあると、高電流域で電圧が落ち込んでいる。燃料電池スタックの高出力化のためには、高電流域での電圧の落ち込みを解消しなければならない。
【００１８】
上記の問題を解決するために燃料電池スタックのマニホールドの形状、セパレータのガス流路形状、ガスの通流方法、燃料電池スタックの配置の仕方などの提案がされている。しかし、きわだった効果は得られておらず、単電池セル間の電圧のばらつきが原因とされる出力低下が発生している。
【００１９】
本発明は上記課題を解決したもので、単電池セル間の電圧のばらつきを抑えた高出力の燃料電池自動車システムを提供する。また、燃料電池スタックを小型化し、配管部の簡素化、部品点数の削減をして省スペースで低コストの燃料電池自動車システムを提供する。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、電解質を二つの電極（燃料極と酸化剤極）で挟持した単電池セルを複数個直列に積層してなる燃料電池スタックおよびモータを備える燃料電池自動車システムにおいて、前記燃料電池スタックの総セル数を、前記モータを駆動する必要電圧を単電池セルのセル出力が最大となる最低使用セル電圧で除した数より少なくし、前記電極の面積を、前記燃料電池スタックの最高出力を前記単電池セルの最低使用セル電圧と前記最低使用セル電圧時の出力電流密度及び前記燃料電池スタックの総セル数で除した面積とし、前記燃料電池スタックの発電電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧することを特徴とする燃料電池自動車システムである。
【００２１】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２２】
即ち、燃料電池スタックの総セル数を少なくすることができるので、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水のセル間の配流ムラを抑えることができるので、単電池セル間の電圧のばらつきを抑え燃料電池システムを高出力化することができる。また、燃料電池スタックの出力電圧の減少を出力電流の増加で補完しているので、燃料電池スタックの総セル数を少なくしてもモータが必要とする電力を得ることができる。また、燃料電池スタックの総セル数を少なくすることは燃料電池スタックを小型化しかつ１スタックにすることができるので、配管部の簡素化、部品点数の削減ができ省スペースで低コストの燃料電池自動車システムを実現できる。
【００２６】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータにインバータが連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車システムである。
【００２７】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２８】
即ち、インバータにより直流電流を交流電流に変換することができるので、交流で運転するモータを動かすことができる。
【００２９】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記インバータが一体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車システムである。
【００３０】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００３１】
即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータのトランスをなくし、インバータのトランスで直接昇圧することができるので、部品を少なくすることができ省スペースで低コストの燃料電池自動車システムができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
【００３３】
図１は、本発明の第１実施例の固体高分子電解質型燃料電池自動車システム図である。本燃料電池自動車システムは、燃料電池スタック１、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、インバータ３、モータ４から構成されている。該モータ４は自動車の車輪を駆動する駆動源である外部負荷である。該モータ４は三相モータであり、必要な電圧は２４０Ｖ、必要な最高出力は５０ｋＷである。
【００３４】
前記燃料電池スタック１はセル数が１５０セルの１個のスタックである。単電池セルの最低使用セル電圧を０．４８Ｖとして従来のように設計すると２４０÷０．４８＝５００個のセル数が必要である。本第１実施例では外部負荷であるモータ４の必要電圧を単電池セルの最低使用セル電圧で除した数より少ない１５０セルで構成されている。
【００３５】
前記燃料電池スタック１の電極面積は、前記最高出力を単電池セルの最低使用セル電圧、該最低使用セル電圧時の出力電流密度および総セル数で除した面積である。具体的には、最高出力５０ｋＷを単電池セルの最低使用セル電圧０．４８Ｖ、最低使用セル電圧時の出力電流密度０．７Ａ／ｃｍ^２で除した面積は
５０ｋＷ÷０．４８Ｖ÷０．７Ａ／ｃｍ^２÷１５０＝９９２ｃｍ^２
である。同じ必要電圧で、同じ性能の単電池セルを使用すると電極面積×総セル数すなわち総電極面積は一定である。
【００３６】
前記燃料電池スタック１は配線６を介して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２と連結している。該ＤＣ−ＤＣコンバータ２は直流電流の電圧を昇圧する装置で、配線７を介して前記インバータ３と連結している。該インバータ３は直流電流を交流電流に変換する装置で、配線８を介して前記モータ４と連結している。前記燃料電池スタック１には供給管部１４および排出管部１５が連結している。該供給管部１４および排出管部１５は、前記燃料電池スタック１に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給および排出する管路の集合体である。
【００３７】
前記供給管部１４を介して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水が前記燃料電池スタック１に供給される。該燃料電池スタック１は前記燃料ガス、酸化剤ガスを用いて電気化学反応で発電する。該燃料電池スタック１の発電電圧は、モータ４を駆動するために必要な電圧よりかなり低い。
【００３８】
前記燃料電池スタック１で発電して電気は配線６を介して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２に送られる。該ＤＣ―ＤＣコンバータ２により電圧が前記モータ４を駆動するために必要な電圧に昇圧される。この昇圧された電気は配線７を介して前記インバータ３に送られる。該インバータ３は直流電流を三相電流に変換する。変換された三相電流は配線８を介して前記モータ４に送られる。該モータ４は前記三相電流で回転され、燃料電池自動車を走行させる。
【００３９】
本第１実施例では燃料電池スタックの総セル数を減らしているので、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水のセル間の配流ムラが少なくすることができる。これにより、単電池セル間の発電電圧のばらつきを抑制できるので、高電流密度での運転が可能になり高出力の燃料電池システムにすることができる。
【００４０】
また、燃料電池スタックを１スタックにすることができるので、小型化、配管の簡素化、部品点数の削減ができ、省スペースで低コストの燃料電池システムができる。スペースが限られ、低コスト化が大きな課題になっている電気自動車としては大きな効果である。
【００４１】
図２は、本発明の第２実施例の固体高分子電解質型燃料電池自動車システム図である。本第２実施例は、第１実施例のＤＣ−ＤＣコンバータおよびインバータを一つの装置に一体化したもので、燃料電池スタック、モータは同じである。同じ部分には同じ記号を使用し、説明は省略する。
【００４２】
本燃料電池自動車システムは燃料電池スタック１、ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０、モータ４から構成されている。前記ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０は、前記燃料電池スタック１で発電された電流の電圧を昇圧しかつ直流電流を交流電流に変換する装置である。前記燃料電池スタック１は配線９を介して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０と電気的に連結している。該ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０は配線１１を介して前記モータ４と電気的に連結している。
【００４３】
前記燃料電池スタック１で発電して電気は配線９を介して前記ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０に送られる。該ＤＣ―ＤＣコンバータ２により電圧が前記モータ４を駆動するために必要な電圧に昇圧され、三相電流に変換される。変換された三相電流は配線１１を介して前記モータ４に送られる。該モータ４は前記三相電流で回転され、燃料電池自動車を走行させる。
【００４４】
第１実施例の場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２でトランスにより昇圧され、その後インバータ３により三相電流に変換される。しかし、本第２実施例では前記ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット１０により昇圧と同時に三相電流に変換しているので、ＤＣ−ＤＣコンバータのトランスをなくしインバータのトランスで直接昇圧および三相電流に変換することができる。これにより、部品点数をさらに減らすことができ、省スペース化、低コスト化することができる。
【００４５】
なお、上記の実施例では、外部負荷として自動車の車輪を駆動する三相モータを用いているが、特にこれに限定されない。自動車以外の用途にも使用することができ、モータ以外の用途にも使用することができる。また、外部負荷は二相の交流機器でもよいし、直流でもかまわない。外部負荷が直流の場合は、インバータは不要になる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、電解質を二つの電極（燃料極と酸化剤極）で挟持した単電池セルを複数個直列積層してなる燃料電池スタックおよびモータを備える燃料電池自動車システムにおいて、前記燃料電池スタックの総セル数が前記モータを駆動する必要電圧を単電池セルのセル出力が最大となる最低使用セル電圧で除した数より少なく、前記電極の面積が、前記燃料電池スタックの最高出力を前記単電池セルの最低使用セル電圧と該最低使用セル電圧時の出力電流密度及び該燃料電池スタックの総セル数で除した面積であり、前記燃料電池スタックの発電電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧することを特徴とする燃料電池自動車システムであるので、燃料電池スタックの総セル数を少なくしてもモータが必要とする電力を得ることができ、単電池セル間の電圧のばらつきを抑え高出力化することができ、燃料電池スタックの小型化、配管部の簡素化、部品点数の削減により省スペースで低コストの燃料電池自動車システムができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の固体高分子電解質型燃料電池自動車システム図
【図２】本発明の第２実施例の固体高分子電解質型燃料電池自動車システム図
【図３】従来の燃料電池自動車システム図
【図４】単電池セルのセル電流とセル出力、セル電圧の関係をあらわす説明グラフ図
【図５】燃料電池スタック出力に対する配流の影響を示す説明グラフ図
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
２…ＤＣ−ＤＣコンバータ
３…インバータ
４…モータ（外部負荷）
１０… ＤＣ−ＤＣコンバータ・インバータユニット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell vehicle system.
[0002]
[Prior art]
In order to reduce air pollution as much as possible, measures for exhaust gas from automobiles are important, and electric vehicles are used as one of the countermeasures. However, they are not widely used due to problems such as charging facilities and mileage.
[0003]
Fuel cells are attracting attention as clean power generators that generate electricity by electrochemical reaction using hydrogen and oxygen and have no emissions other than water. Automobiles using the fuel cell are seen as the most promising clean cars. Among the fuel cells, a solid polymer electrolyte fuel cell is most promising for automobiles because it operates at a low temperature.
[0004]
A fuel cell system includes a reformer that produces a reformed gas mainly composed of hydrogen from water and a hydrocarbon-based fuel, a carbon monoxide reducer that reduces carbon monoxide in the reformed gas, and It consists of a fuel cell stack that generates electricity using reformed gas with reduced carbon monoxide as fuel.
[0005]
In the fuel cell stack, a large number of cells generally having a structure in which an electrolyte is sandwiched between two electrodes (a fuel electrode and an oxidant electrode) are stacked. The solid polymer electrolyte fuel cell system is a system using a fuel cell stack in which the electrolyte is a solid polymer electrolyte. The reformed gas is sent to the fuel electrode side, and the oxidant gas is sent to the oxidant electrode side, and electricity is generated by an electrochemical reaction.
[0006]
The output of a fuel cell mounted as a power source for an electric vehicle is considered to be about 30 to 70 kW. The voltage required for driving the motor of the electric vehicle is considered to be about 240 to 400V.
[0007]
As a conventional technique, Japanese Patent Laid-Open No. 6-260199 includes a fuel cell stack that outputs a voltage required by an external load, and the fuel cell stack is connected to the external load via an inverter. Is disclosed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional technology, the cell voltage of the unit cell of the fuel cell in the energized state is 0.9 V at the highest, and the necessary number of unit cells are stacked in series in order to obtain the voltage required for the external load. Since the fuel cell stack is configured, the number of cells increases to hundreds of cells, and there is a problem in that the distribution of the fuel gas and oxidant gas supplied to the cells becomes uneven, resulting in a decrease in performance of the fuel cell stack.
[0009]
FIG. 3 is a conventional fuel cell vehicle system diagram. The present fuel cell vehicle system includes a fuel cell stack device 20, an inverter 3, and a motor 4. The fuel cell stack device 20 includes four fuel cell stacks 21 to 24 and is electrically connected in series by a wiring 12. The fuel cell stack device 20 is electrically connected to the inverter 3 through the wiring 12.
[0010]
The inverter 3 is connected to the motor 4 via a wiring 13. A supply pipe section 16 and a discharge pipe section 17 are connected to the fuel cell stack device 20. The supply pipe portion 16 and the discharge pipe portion 17 are aggregates of pipelines that supply and discharge fuel gas, oxidant gas, and cooling water to the fuel cell stacks 21 to 24.
[0011]
For example, consider the case where the voltage required for the motor 4 as an external load is 240 V and the maximum output is 50 kW. If the minimum cell voltage of a single battery cell is designed to be 0.48V, 240 ÷ 0.48 = 500 cells are required. Since it is difficult to make one fuel cell stack with 500 cells, generally a plurality of, for example, four fuel cell stacks are made and connected in series for use. In the conventional example of FIG. 3, four fuel cell stacks are used.
[0012]
The reason why the number of cells is determined by dividing the required voltage of the external load by the minimum cell voltage of the single battery cell is that the minimum output cell voltage usually gives the highest output. FIG. 4 is an explanatory graph showing the relationship between the cell current, cell output, and cell voltage of a single battery cell. The horizontal axis is the cell current, the lower part of the vertical axis is the cell output, and the upper part of the vertical axis is the cell voltage. 300 is a cell current output characteristic line, and 400 is a cell current voltage characteristic line.
[0013]
Like the cell current output characteristic line 300, the output characteristic of the single battery cell has a mountain shape with respect to the cell current. When the current is pulled beyond the current value a at the maximum output point P, the cell output falls below the cell voltage Pa at the maximum output point P. For example, although the cell output at the current value b and the cell output at the current value c are the same cell output value Pb, the cell voltage Vb at the current value b is the cell voltage at the current value c. It becomes lower than Vc, and the efficiency is lower than that at the current value c.
[0014]
For the above reason, the current region that is normally used is between the current value a of the maximum output point P. In this current range, the lowest usable cell voltage becomes the cell voltage at the highest output point P. Therefore, as described above, the voltage necessary for the external load is divided by the lowest usable cell voltage.
[0015]
When the cell output current density at the minimum use cell voltage of 0.48 V is 0.7 A / cm ² , the electrode area of the single battery cell is
50 kW ÷ 0.48V ÷ 0.7 A / cm ² ÷ 500 = 299 cm ²
It becomes.
[0016]
In the operation of a fuel cell, it is very difficult to distribute fuel gas, oxidant gas, and cooling water evenly to all unit cells. If the distribution is uneven and the gas density and temperature are non-uniform, the cell voltage will vary. As a result, the current cannot be pulled, and the output is reduced. In addition, the gas utilization rate is lowered and high efficiency operation is not possible.
[0017]
FIG. 5 is an explanatory graph showing the influence of distribution on the fuel cell stack output. The horizontal axis is the stack current, and the vertical axis is the stack voltage. Reference numeral 100 denotes a stack current-voltage characteristic line when there is no uneven distribution of fuel gas, oxidant gas, and cooling water. Reference numeral 200 denotes a stack current-voltage characteristic line when the distribution is uneven. If the distribution is uneven, the voltage drops in the high current range. In order to increase the output of the fuel cell stack, the voltage drop in the high current region must be eliminated.
[0018]
In order to solve the above problems, proposals have been made on the shape of the manifold of the fuel cell stack, the shape of the gas flow path of the separator, the gas flow method, the way of arranging the fuel cell stack, and the like. However, a remarkable effect has not been obtained, and output reduction has occurred due to voltage variation between single battery cells.
[0019]
The present invention solves the above-described problems, and provides a high-power fuel cell vehicle system that suppresses variations in voltage between single battery cells. In addition, the fuel cell stack is reduced in size, the piping portion is simplified, the number of parts is reduced, and a space-saving and low-cost fuel cell automobile system is provided.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above technical problem, the technical means taken in claim 1 of the present invention (hereinafter referred to as the first technical means) includes two electrodes (a fuel electrode and an oxidant electrode). in in a fuel cell vehicle system including a fuel cell stack and the motor formed by stacking single cells which sandwiches a plurality series, the total number of cells of the fuel cell stack, the required voltage for driving the motor of the single-battery cells Less than the number divided by the lowest used cell voltage at which the cell output is maximized, and the area of the electrode is set so that the highest output of the fuel cell stack is the lowest used cell voltage of the unit cell and the output at the lowest used cell voltage. current density and the fuel cell and divided by the area by the total number of cells in the stack, a fuel cell vehicle sheet of the generated voltage of the fuel cell stack, characterized in that boosted by the DC-DC converter Is Temu.
[0021]
The effects of the first technical means are as follows.
[0022]
That is, since the total number of cells in the fuel cell stack can be reduced, distribution unevenness among the fuel gas, oxidant gas, and cooling water cells can be suppressed. The output of the battery system can be increased. In addition, since the decrease in the output voltage of the fuel cell stack is supplemented by the increase in the output current, the electric power required by the motor can be obtained even if the total number of cells in the fuel cell stack is reduced. The fuel so reducing the total number of cells in the cell stack can be a fuel cell stack to the miniaturization vital 1 stack, simplifies piping section, low-cost fuel cell can be space-saving reduction in the number of parts Car system can be realized.
[0026]
In order to solve the above technical problem, the technical means taken in claim 2 of the present invention (hereinafter referred to as second technical means) is that an inverter is connected to the DC-DC converter. The fuel cell vehicle system according to claim 1.
[0027]
The effects of the second technical means are as follows.
[0028]
That is, since the direct current can be converted into the alternating current by the inverter, the motor operated with alternating current can be moved.
[0029]
In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter referred to as third technical means) taken in claim 3 of the present invention is configured such that the DC-DC converter and the inverter are integrated. The fuel cell automobile system according to claim 1, wherein
[0030]
The effects of the third technical means are as follows.
[0031]
That is, since the DC-DC converter transformer can be eliminated and the voltage can be directly boosted by the inverter transformer, the number of components can be reduced, and a space-saving and low-cost fuel cell vehicle system can be achieved.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0033]
FIG. 1 is a diagram showing a solid polymer electrolyte fuel cell automobile system according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell vehicle system includes a fuel cell stack 1, a DC-DC converter 2, an inverter 3, and a motor 4. The motor 4 is an external load that is a driving source for driving the wheels of the automobile. The motor 4 is a three-phase motor, and the required voltage is 240 V and the required maximum output is 50 kW.
[0034]
The fuel cell stack 1 is a single stack having 150 cells. When the conventional cell voltage is set to 0.48 V and the conventional battery cell voltage is set to 0.48V, 240 ÷ 0.48 = 500 cells are required. In the first embodiment, the number of cells is 150, which is smaller than the number obtained by dividing the required voltage of the motor 4 which is an external load by the minimum cell voltage of the single battery cell.
[0035]
The electrode area of the fuel cell stack 1 is an area obtained by dividing the maximum output by the lowest usable cell voltage of the single battery cell, the output current density at the lowest usable cell voltage, and the total number of cells. Specifically, the area obtained by dividing the maximum output 50 kW by the minimum cell voltage 0.48V of the single battery cell and the output current density 0.7A / cm ² at the minimum cell voltage is 50 kW ÷ 0.48V ÷ 0.7A. / Cm ² ÷ 150 = 992 cm ²
It is. When single battery cells having the same performance and the same performance are used, the electrode area × the total number of cells, that is, the total electrode area is constant.
[0036]
The fuel cell stack 1 is connected to the DC-DC converter 2 via a wiring 6. The DC-DC converter 2 is a device that boosts the voltage of a direct current, and is connected to the inverter 3 via a wiring 7. The inverter 3 is a device that converts a direct current into an alternating current, and is connected to the motor 4 via a wiring 8. A supply pipe portion 14 and a discharge pipe portion 15 are connected to the fuel cell stack 1. The supply pipe section 14 and the discharge pipe section 15 are aggregates of pipes that supply and discharge fuel gas, oxidant gas, and cooling water to the fuel cell stack 1.
[0037]
Fuel gas, oxidant gas, and cooling water are supplied to the fuel cell stack 1 through the supply pipe section 14. The fuel cell stack 1 generates electric power by an electrochemical reaction using the fuel gas and oxidant gas. The power generation voltage of the fuel cell stack 1 is considerably lower than the voltage necessary for driving the motor 4.
[0038]
Electricity generated by the fuel cell stack 1 is sent to the DC-DC converter 2 via the wiring 6. The DC-DC converter 2 boosts the voltage to a voltage necessary for driving the motor 4. The boosted electricity is sent to the inverter 3 via the wiring 7. The inverter 3 converts a direct current into a three-phase current. The converted three-phase current is sent to the motor 4 via the wiring 8. The motor 4 is rotated by the three-phase current to drive the fuel cell vehicle.
[0039]
In the first embodiment, since the total number of cells in the fuel cell stack is reduced, distribution unevenness among the fuel gas, oxidant gas, and cooling water cells can be reduced. Thereby, since the dispersion | variation in the electric power generation voltage between single battery cells can be suppressed, the driving | operation with a high current density is attained and it can be set as a high output fuel cell system.
[0040]
In addition, since the fuel cell stack can be made into one stack, it is possible to reduce the size, simplify the piping, reduce the number of parts, and save a space and a low cost fuel cell system. This is a great effect for electric vehicles where space is limited and cost reduction is a major issue.
[0041]
FIG. 2 is a diagram showing a solid polymer electrolyte fuel cell automobile system according to a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the DC-DC converter and the inverter of the first embodiment are integrated into one device, and the fuel cell stack and the motor are the same. The same symbols are used for the same parts, and explanations are omitted.
[0042]
The fuel cell vehicle system includes a fuel cell stack 1, a DC-DC converter / inverter unit 10, and a motor 4. The DC-DC converter / inverter unit 10 is a device that boosts the voltage of the current generated by the fuel cell stack 1 and converts a direct current into an alternating current. The fuel cell stack 1 is electrically connected to the DC-DC converter / inverter unit 10 via a wiring 9. The DC-DC converter / inverter unit 10 is electrically connected to the motor 4 via a wiring 11.
[0043]
Electricity generated by the fuel cell stack 1 is sent to the DC-DC converter / inverter unit 10 via the wiring 9. The DC-DC converter 2 boosts the voltage to a voltage necessary for driving the motor 4 and converts it into a three-phase current. The converted three-phase current is sent to the motor 4 via the wiring 11. The motor 4 is rotated by the three-phase current to drive the fuel cell vehicle.
[0044]
In the case of the first embodiment, the voltage is boosted by a transformer in the DC-DC converter 2 and then converted into a three-phase current by the inverter 3. However, in the second embodiment, the DC-DC converter / inverter unit 10 converts the voltage into a three-phase current at the same time as the voltage is boosted. Can be converted. Thereby, the number of parts can be further reduced, and space saving and cost reduction can be achieved.
[0045]
In the above embodiment, a three-phase motor that drives the wheels of an automobile is used as an external load. However, the present invention is not limited to this. It can be used for applications other than automobiles, and can be used for applications other than motors. The external load may be a two-phase AC device or a DC. When the external load is DC, an inverter is not necessary.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a fuel cell vehicle system including a fuel cell stack and a motor in which a plurality of unit cells each having an electrolyte sandwiched between two electrodes (a fuel electrode and an oxidant electrode) are stacked in series. The total number of cells in the fuel cell stack is less than the number of required voltages for driving the motor divided by the minimum cell voltage at which the cell output of the single battery cell is maximum, and the area of the electrode is the maximum output of the fuel cell stack in the the area divided by the total number of cells in the lowest use cell voltage and the outermost low-use cell voltage when the output current density and the fuel cell stack of the single cells, the generated voltage DC-DC converter of the fuel cell stack since the fuel cell vehicle system, characterized by the step-up, can be reduced the total number of cells of the fuel cell stack to obtain the power required by the motor Can be higher output suppressing variation in voltage between the single cells, reduction in size of the fuel cell stack, simplifies piping section, in a space-saving by reducing the number of parts can be low-cost fuel cell vehicle system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell vehicle system according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram of a solid polymer electrolyte fuel cell vehicle system according to a second embodiment of the present invention. Fuel cell vehicle system diagram [Fig. 4] An explanatory graph showing the relationship between cell current, cell output, and cell voltage of a single battery cell. [Fig. 5] An explanatory graph showing the influence of distribution on the fuel cell stack output.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 2 ... DC-DC converter 3 ... Inverter 4 ... Motor (external load)
10 ... DC-DC converter / inverter unit

Claims

電解質を二つの電極（燃料極と酸化剤極）で挟持した単電池セルを複数個直列に積層してなる燃料電池スタックおよびモータを備える燃料電池自動車システムにおいて、
前記燃料電池スタックの総セル数を、前記モータを駆動する必要電圧を単電池セルのセル出力が最大となる最低使用セル電圧で除した数より少なくし、
前記電極の面積を、前記燃料電池スタックの最高出力を前記単電池セルの最低使用セル電圧と前記最低使用セル電圧時の出力電流密度及び前記燃料電池スタックの総セル数で除した面積とし、前記燃料電池スタックの発電電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧することを特徴とする燃料電池自動車システム。In a fuel cell vehicle system including a fuel cell stack and a motor in which a plurality of unit cells each having an electrolyte sandwiched between two electrodes (a fuel electrode and an oxidant electrode) are stacked in series,
Wherein the total number of cells of the fuel cell stack, the cell output of the required voltage for driving the motor single-battery cells is less than the number obtained by dividing a minimum use cell voltage becomes maximum,
The area of the electrode is defined by dividing the maximum output of the fuel cell stack by the minimum cell voltage of the unit cell, the output current density at the minimum cell voltage, and the total number of cells of the fuel cell stack , A fuel cell vehicle system, wherein a power generation voltage of a fuel cell stack is boosted by a DC-DC converter.

前記ＤＣ−ＤＣコンバータにインバータが連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車システム。2. The fuel cell vehicle system according to claim 1, wherein an inverter is connected to the DC-DC converter.

前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記インバータが一体で構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車システム。2. The fuel cell vehicle system according to claim 1, wherein the DC-DC converter and the inverter are integrally formed.