JP5446467B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

動力源として燃料電池とバッテリを搭載する燃料電池システムでは、運転状態に応じて燃料電池とバッテリからの出力を制御することで運転効率の向上を図っている。下記特許文献１には、電圧変換部である燃料電池用コンバータとバッテリ用コンバータとを備え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、電力消費装置であるモータに安定して電力を供給するために、二つのコンバータを協調して動作させている。

特開２００７−３１８９３８号公報

上述した燃料電池システムにおいて、モータに供給されるインバータ電圧が異常に上昇した場合には、コンバータが故障するおそれがある。これを防止するために、インバータ電圧が所定の保護閾値以上に上昇した場合にはコンバータを強制的に停止させる自己保護機能を設けることが要求される。しかしながら、燃料電池用コンバータをバッテリ用コンバータよりも先に停止させてしまうと、バッテリ用コンバータが過電流により故障するおそれがある等、自己保護機能を設けてもコンバータを過電流から保護できない場合もあり、検討の余地がある。

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、電圧変換部の過電流を抑制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。

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、前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、前記燃料電池および前記畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される第一の電圧変換部と、前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置される第二の電圧変換部と、前記電力消費装置に供給する電圧である供給電圧が、前記第二の電圧変換部を過電圧から保護するために設けられた第一の保護閾値以上である場合に、前記第二の電圧変換部を停止させ、前記供給電圧が前記第一の保護閾値よりも大きい第二の保護閾値以上である場合に、前記第一の電圧変換部を停止させる制御部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、電力消費装置に供給する電圧である供給電圧が、第二の電圧変換部を過電圧から保護するために設けられた第一の保護閾値以上に達した場合に、第二の電圧変換部を停止させ、その後、供給電圧が第一の保護閾値よりも大きい第二の保護閾値以上に達した場合に、第一の電圧変換部を停止させることができる。これにより、第一の電圧変換部を第二の電圧変換部よりも先に停止させた場合に生じ得る第二の電圧変換部の出力超過を抑制することができるため、第二の電圧変換部の過電流を抑制することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記第二の保護閾値には、前記供給電圧が加えられる各種素子が損傷しない電圧値を設定することとしてもよい。このようにすることで、供給電圧が加えられる素子を過電圧による故障から保護することができる。

また、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、前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、前記燃料電池および前記畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される第一の電圧変換部と、前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置される第二の電圧変換部と、前記電力消費装置に供給する電圧である供給電圧が、前記第一の電圧変換部および前記第二の電圧変換部を過電圧から保護するために設けられた保護閾値以上である場合に、前記第二の電圧変換部が前記第一の電圧変換部よりも後に停止されることがない範囲で、前記第一の電圧変換部および前記第二の電圧変換部を停止させる制御部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、電力消費装置に供給する電圧である供給電圧が、第一の電圧変換部および第二の電圧変換部を過電圧から保護するために設けられた保護閾値以上に達した場合に、第一の電圧変換部が第二の電圧変換部よりも先に停止されることがない範囲で、第一の電圧変換部および第二の電圧変換部を停止させることができる。これにより、第一の電圧変換部を第二の電圧変換部よりも先に停止させた場合に生じ得る第二の電圧変換部の出力超過を抑制することができるため、第二の電圧変換部の過電流を抑制することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記保護閾値には、前記供給電圧が加えられる各種素子が損傷しない電圧値を設定することとしてもよい。このようにすることで、供給電圧が加えられる素子を過電圧による故障から保護することができる。

本発明によれば、電圧変換部の過電流を抑制することができる。

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、インバータ電圧に応じたＦＣ用コンバータの出力およびＢａｔ用コンバータの出力の制御状態を例示するタイミングチャートである。 比較例における、インバータ電圧に応じたＦＣ用コンバータの出力およびＢａｔ用コンバータの出力の遷移状態を例示するタイミングチャートである。 実施形態におけるコンバータ停止処理の流れを説明するためのフローチャートである。 変形例におけるコンバータ停止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、本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および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３（第一の電圧変換部、以下「ＦＣ用コンバータ」という。）と、二次電池としてのバッテリ４（蓄電部）と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５（第二の電圧変換部、以下「Ｂａｔ用コンバータ」という。）と、負荷としての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（電力消費装置）と、システム全体を統括制御する制御部８（制御部）とを有する。燃料電池２およびＦＣ用コンバータ３の組と、バッテリ４およびＢａｔ用コンバータ５の組は、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に対して並列に接続されている。

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用コンバータ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電力消費装置側であるトラクションインバータ６に出力する機能を有する。このＦＣ用コンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。ＦＣ用コンバータ３の入力側には、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶ１が設けられ、ＦＣ用コンバータ３の出力側には、トラクションインバータ６への入力電圧（供給電圧、以下、「インバータ電圧」という。）Ｖｉを検出する電圧センサＶ２が設けられている。

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。バッテリ４とＢａｔ用コンバータ５との間には、バッテリ４の出力電圧を検出する電圧センサＶ３が設けられている。

Ｂａｔ用コンバータ５は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４から入力される直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ６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側から入力される直流電圧を降圧してバッテリ４に出力する機能と、を有する。このようなＢａｔ用コンバータ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、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。以下において、制御部８で実行される各種制御処理のうち、本実施形態に特有の処理であるコンバータ停止処理について説明する。

制御部８は、電圧センサＶ２により検出されるインバータ電圧Ｖｉが、Ｂａｔ用コンバータ５を過電圧から保護するために設けた第一の保護閾値以上に達した場合に、Ｂａｔ用コンバータ５を停止させる。制御部８は、インバータ電圧Ｖｉが、ＦＣ用コンバータ３を過電圧から保護するために設けた第二の保護閾値以上に達した場合に、ＦＣ用コンバータ３を停止させる。

ここで、第一の保護閾値は、第二の保護閾値よりも小さな値とする。また、第一の保護閾値は、Ｂａｔ用コンバータ５を過電圧から保護することが可能な範囲内に設定し、第二の保護閾値は、ＦＣ用コンバータ３を過電圧から保護することが可能な範囲内に設定する。さらに、第一の保護閾値および第二の保護閾値を、それぞれが設定可能な上記各範囲のうち、できる限り高い値に設定することで、例えば正常時の突発的な電圧変動によってコンバータが停止してしまう事態を抑制することが可能となる。ただし、第一の保護閾値および第二の保護閾値には、インバータ電圧Ｖｉが加えられる各種素子が損傷しない電圧値を設定することが望ましい。インバータ電圧Ｖｉが加えられる素子としては、例えば、ＦＣ用コンバータ３、Ｂａｔ用コンバータ５、トラクションインバータ６、補機装置等に用いられるコンデンサ、コイル、スイッチ、ＩＣ等の各素子が該当する。なお、第一の保護閾値および第二の保護閾値は、実験等により求められ、予めメモリに格納される。

図２を参照して、本実施形態における制御部８によって実行される上記コンバータ停止処理の内容について具体的に説明する。図２は、インバータ電圧Ｖｉに応じてＦＣ用コンバータ３の出力ＰｆｃおよびＢａｔ用コンバータ５の出力Ｐｂａｔが制御される状態を例示するタイミングチャートである。

最初に、インバータ電圧Ｖｉが異常上昇を開始し、時間ｔ１において、第一の保護閾値Ｖｍ１に到達すると、制御部８は、Ｂａｔ用コンバータ５を停止させる。これにより、時間ｔ２において、Ｂａｔ用コンバータ５の出力Ｐｂａｔが０になる。なお、時間ｔ１までのＢａｔ用コンバータ５は、インバータ電圧Ｖｉを降圧してバッテリ４に出力するバッテリ充電状態で動作している。

続いて、インバータ電圧Ｖｉがさらに異常上昇を継続し、時間ｔ３において、第二の保護閾値Ｖｍ２に到達すると、制御部８は、ＦＣ用コンバータ３を停止させる。これにより、時間ｔ４において、ＦＣ用コンバータ３の出力Ｐｆｃが０になる。

このように、本実施形態では、第一の保護閾値Ｖｍ１を第二の保護閾値Ｖｍ２よりも小さく設定したことで、インバータ電圧Ｖｉが異常に上昇した場合であっても、先にＢａｔ用コンバータ５を停止させ、その後ＦＣ用コンバータ３を停止させることができる。Ｂａｔ用コンバータ５をＦＣ用コンバータ３よりも先に停止させることで、Ｂａｔ用コンバータ５が停止した後に、ＦＣ用コンバータ３の出力によりインバータ電圧Ｖｉが上昇を継続した場合であっても、インバータ電圧Ｖｉが第二の保護閾値Ｖｍ２に到達した時点でＦＣ用コンバータ３を停止させることができるため、Ｂａｔ用コンバータ５およびＦＣ用コンバータ３が過電圧に至らないように保護することができる。これにより、インバータ電圧Ｖｉが異常に上昇した場合であっても、Ｂａｔ用コンバータ５およびＦＣ用コンバータ３に過電流を生じさせずにＢａｔ用コンバータ５およびＦＣ用コンバータ３を停止させることが可能となる。

これに対して、第一の保護閾値Ｖｍ１を第二の保護閾値Ｖｍ２よりも大きく設定した場合には、Ｂａｔ用コンバータ５が過電流で故障するおそれがある。図３を参照して、本比較例の内容について具体的に説明する。図３は、インバータ電圧Ｖｉに応じてＦＣ用コンバータ３の出力ＰｆｃおよびＢａｔ用コンバータ５の出力Ｐｂａｔが遷移する状態を例示するタイミングチャートである。

最初に、インバータ電圧Ｖｉが異常上昇を開始し、時間ｔ１において、インバータ電圧Ｖｉが第二の保護閾値Ｖｍ２に到達すると、ＦＣ用コンバータ３が停止させられる。これにより、時間ｔ３において、ＦＣ用コンバータ３の出力Ｐｆｃが０になる。ところが、ＦＣ用コンバータ３の出力Ｐｆｃが減少すると、その減少分の電力を補うために、Ｂａｔ用コンバータ５の出力Ｐｂａｔが上昇することになる。そして、図３に示す時間ｔ２のように、Ｂａｔ用コンバータ５の出力ＰｂａｔがＢａｔ用コンバータ５の上限出力値Ｐｍａｘを突破してしまうと、Ｂａｔ用コンバータ５に過電流が流れ込むこととなる。つまり、ＦＣ用コンバータ３を停止させる際に、停止前のＢａｔ用コンバータ５の出力にＦＣ用コンバータ３の出力Ｐｆｃを加算した値が、Ｂａｔ用コンバータ５の上限出力値Ｐｍａｘを超過する場合には、Ｂａｔ用コンバータ５に過電流が流れ込み、Ｂａｔ用コンバータ５が故障するおそれが生ずる。

このように、Ｂａｔ用コンバータ５が故障してしまうおそれがある以上、第一の保護閾値Ｖｍ１を第二の保護閾値Ｖｍ２よりも大きく設定することは、避ける必要がある。

なお、ＦＣ用コンバータ３を先に停止させた場合であっても、Ｂａｔ用コンバータ５の出力ＰｂａｔがＢａｔ用コンバータ５の上限出力値Ｐｍａｘを突破しない場合もあり得る。この場合には、以下のように処理が行われることになる。図３に示すように、Ｂａｔ用コンバータ５の出力Ｐｂａｔは、ＦＣ用コンバータ３が停止させられた（時間ｔ１）後、ＦＣ用コンバータ３の出力Ｐｆｃ分を補足し終える（時間ｔ３）まで上昇する。そして、時間ｔ４において、インバータ電圧Ｖｉが第一の保護閾値Ｖｍ１に到達すると、Ｂａｔ用コンバータ５が停止させられる。その後、時間ｔ５において、Ｂａｔ用コンバータ５の出力Ｐｂａｔが０になる。

次に、図４に示すフローチャートを用いて、本実施形態におけるコンバータ停止処理の流れについて説明する。このコンバータ停止処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

最初に、制御部８は、電圧センサＶ２により検出されるインバータ電圧Ｖｉが、Ｂａｔ用コンバータ５を過電圧から保護するために設けた第一の保護閾値Ｖｍ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）に、制御部８は、上記ステップＳ１０１の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１０１の判定において、インバータ電圧Ｖｉが第一の保護閾値Ｖｍ１以上であると判定された場合（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）に、制御部８は、Ｂａｔ用コンバータ５を停止させる（ステップＳ１０２）。

続いて、制御部８は、電圧センサＶ２により検出されるインバータ電圧Ｖｉが、ＦＣ用コンバータ３を過電圧から保護するために設けた第二の保護閾値Ｖｍ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）に、制御部８は、上記ステップＳ１０３の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ１０３の判定において、インバータ電圧Ｖｉが第二の保護閾値Ｖｍ２以上であると判定された場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）に、制御部８は、ＦＣ用コンバータ３を停止させる（ステップＳ１０４）。

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、インバータ電圧Ｖｉが、Ｂａｔ用コンバータ５を過電圧から保護するために設けられた第一の保護閾値Ｖｍ１以上に達した場合に、Ｂａｔ用コンバータ５を停止させ、その後、インバータ電圧Ｖｉが第一の保護閾値Ｖｍ１よりも大きい第二の保護閾値Ｖｍ２以上に達した場合に、ＦＣ用コンバータ３を停止させることができる。これにより、ＦＣ用コンバータ３をＢａｔ用コンバータ５よりも先に停止させた場合に生じ得るＢａｔ用コンバータ５の出力超過を抑制することができるため、Ｂａｔ用コンバータ５の過電流を抑制することができる。

なお、上述した実施形態におけるコンバータ停止処理では、第一の保護閾値を用いてＢａｔ用コンバータ５を停止させ、第一の保護閾値よりも大きな第二の保護閾値を用いてＦＣ用コンバータ３を停止させているが、本発明に適用されるコンバータ停止処理の内容は、これに限定されない。

要するに、Ｂａｔ用コンバータ５およびＦＣ用コンバータ３を過電圧から保護するために両コンバータを強制的に停止させる場合に、ＦＣ用コンバータ３がＢａｔ用コンバータ５よりも先に停止してしまうことがない範囲で保護閾値や各コンバータの停止手順を設定することができればよい。

したがって、例えば、Ｂａｔ用コンバータ５およびＦＣ用コンバータ３を過電圧から保護するために共通の保護閾値を設け、インバータ電圧Ｖｉが共通の保護閾値以上に達した場合に、Ｂａｔ用コンバータ５およびＦＣ用コンバータ３を停止させることとしてもよい。この場合に、ＦＣ用コンバータ３がＢａｔ用コンバータ５よりも先に停止してしまうことがない範囲であれば、Ｂａｔ用コンバータ５およびＦＣ用コンバータ３を同時に停止させることとしてもよいし、Ｂａｔ用コンバータ５を先に停止させてから、ＦＣ用コンバータ３を停止させることとしてもよい。

図５に示すフローチャートを用いて、本変形例におけるコンバータ停止処理の流れについて説明する。このコンバータ停止処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

最初に、制御部８は、電圧センサＶ２により検出されるインバータ電圧Ｖｉが、Ｂａｔ用コンバータ５およびＦＣ用コンバータ３を過電圧から保護するために設けた共通の保護閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０１；ＮＯ）に、制御部８は、上記ステップＳ２０１の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ２０１の判定において、インバータ電圧Ｖｉが共通の保護閾値以上であると判定された場合（ステップＳ２０１；ＹＥＳ）に、制御部８は、Ｂａｔ用コンバータ５を停止させ（ステップＳ２０２）、ＦＣ用コンバータ３を停止させる（ステップＳ２０４）。

これにより、インバータ電圧Ｖｉが、ＦＣ用コンバータ３およびＢａｔ用コンバータ５を過電圧から保護するために設けられた共通の保護閾値以上に達した場合に、ＦＣ用コンバータ３がＢａｔ用コンバータ５よりも先に停止されることがない範囲で、ＦＣ用コンバータ３およびＢａｔ用コンバータ５を停止させることができる。これにより、ＦＣ用コンバータ３をＢａｔ用コンバータ５よりも先に停止させた場合に生じ得るＢａｔ用コンバータ５の出力超過を抑制することができるため、Ｂａｔ用コンバータ５の過電流を抑制することができる。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＦＣ用コンバータ、４…バッテリ、５…Ｂａｔ用コンバータ、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、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…電圧センサ。

Claims (4)

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、
   前記燃料電池の発電電力を充電可能な蓄電部と、
   前記燃料電池および前記蓄電部からの電力を消費する電力消費装置と、
   前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される第一の電圧変換部と、
   前記蓄電部と前記電力消費装置との間に配置される第二の電圧変換部と、
   前記電力消費装置に供給する電圧である供給電圧が、前記第二の電圧変換部を過電圧から保護するために設けられた第一の保護閾値以上である場合に、前記第二の電圧変換部からの出力を０にし、前記供給電圧が前記第一の保護閾値よりも大きい第二の保護閾値以上である場合に、前記第一の電圧変換部からの出力を０にする制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第二の保護閾値には、前記供給電圧が加えられる各種素子が損傷しない電圧値が設定されてい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. 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、
   前記燃料電池の発電電力を充電可能な蓄電部と、
   前記燃料電池および前記蓄電部からの電力を消費する電力消費装置と、
   前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される第一の電圧変換部と、
   前記蓄電部と前記電力消費装置との間に配置される第二の電圧変換部と、
   前記電力消費装置に供給する電圧である供給電圧が、前記第一の電圧変換部および前記第二の電圧変換部を過電圧から保護するために設けられた保護閾値以上である場合に、前記第一の電圧変換部からの出力が前記第二の電圧変換部からの出力よりも先に０になることがない範囲で、前記第一の電圧変換部からの出力および前記第二の電圧変換部からの出力を０にする制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記保護閾値には、前記供給電圧が加えられる各種素子が損傷しない電圧値が設定されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。

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