JP4946028B2 - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び移動体に関し、特に、蓄電装置及び燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。

従来、ＤＣ−ＤＣコンバータを介してバッテリを燃料電池と並列に接続した燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。燃料電池システムを車両に搭載した特許文献１では、燃料電池補機がＤＣ−ＤＣコンバータとバッテリとの間に接続されている。こうすることで、ＤＣ−ＤＣコンバータの異常時であっても、バッテリの電力供給により燃料電池補機を駆動して、燃料電池を運転可能に保障している。
特開２００２−１１８９８１号公報 特開２００４−２２２３７６号公報

しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータの異常時では、燃料電池補機への電力はバッテリに依存する。このため、バッテリの蓄電容量が低下した場合には、燃料電池用補機の駆動が困難となり、燃料電池の運転が困難となるおそれがあった。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータを異常により停止させた際の、トラクションモータ等のリンプホーム制御に関する記載はなく、電力供給不足や過剰発電となるおそれがあった。

本発明は、電圧変換器の異常があった場合にも、燃料電池を安定に運転し、システムの運転を継続することができる燃料電池システム及び移動体を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、負荷に対し電圧変換器を介して燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、を備えた燃料電池システムであって、電圧変換器よりも燃料電池側に接続された補機と、電圧変換器及び前記補機を制御する制御装置と、を備え、前記補機は、前記燃料電池の運転に供される補機であり、制御装置は、電圧変換器の異常時に当該電圧変換器の正常時よりも前記補機の消費電力が大きくなるように補機の動作点を変更するものである。

この構成によれば、電圧変換器の異常時であっても、燃料電池の電力供給により補機を駆動することができ、しかも、その際に補機の動作点を変更する。このため、その動作点の変更により、正常時よりも余裕をもって補機を駆動することができ、燃料電池を安定に運転し、システムの運転を継続することができる。

好ましくは、制御装置は、電圧変換器の異常時に、電圧変換器が停止した後で補機の動作点を変更するとよい。電圧変換器が停止するので、高電圧部品の損傷を回避することができる。

本発明の移動体は、上記した本発明の燃料電池システムを備えたものである。この移動体は、例えば、二輪または四輪の自動車、電車、航空機、船舶、ロボットといった自走可能なものである。

本発明の燃料電池システム及び移動体によれば、電圧変換器の異常時に、安定に燃料電池を運転し、システムの運転を継続することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。ここでは、燃料電池システムを、自走式の各種移動体として車両に搭載した例について説明する。

図１は、車両に搭載された燃料電池システムを示す図である。
車両１００は、車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結されたトラクションモータ８（動力発生装置）を駆動力源として走行する。トラクションモータ８の電源は、燃料電池システム１である。燃料電池システム１から出力される直流は、インバータ７で三相交流に変換されてトラクションモータ８に供給される。また、車両１００の制動時には、車輪１０１Ｌ，１０１Ｒによりトラクションモータ８が駆動され、トラクションモータ８が発電機として機能して三相交流発電する。この三相交流は、インバータ７により直流に変換されて、蓄電装置３に充電される。

燃料電池システム１は、燃料電池２、蓄電装置３、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４、制御装置１３などを備える。蓄電装置３とインバータ７との間には、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４が設けられている。蓄電装置３は、トラクションモータ８（負荷）に対し高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して燃料電池２に並列接続されている。なお、蓄電装置３とトラクションモータ８との間に高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４を設ける構成に代えて、燃料電池２とトラクションモータ８との間に高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４を設けるようにしてもよい。

燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。燃料電池２は、リン酸型、固体酸化物型など各種のものが存在するが、ここでは固体高分子電解質型で構成されている。

燃料電池２の空気極（カソード）には、エアコンプレッサ５により圧送された酸化ガスが供給される。燃料電池２の電池反応に供された後の酸素オフガスは、オフガス流路１６を流れて、加湿器１７で水分交換に供された後、最終的にシステム外へと排気される。

燃料電池２の水素極（アノード）には、燃料ガスとしての水素ガスが供給路２３を流れて供給される。この水素ガスは、例えば、供給路２３の上流側に設けた高圧水素タンク等の水素貯蔵源２４から燃料電池２に供給される。なお、アルコールや圧縮天然ガス等の原料を改質して生成した水素ガスを燃料電池２に供給してもよい。

燃料電池２の電池反応に供された後の水素オフガスは、オフガス路２５に排出され、水素ポンプ２６により供給路２３に戻されて再び燃料電池２に供給される。オフガス路２５には排出路２７が分岐接続されている。排出路２７上のパージ弁２８が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に排出路２７の下流に排出される。これにより、水素循環ラインにおける水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度を上げることができる。

燃料電池２の冷媒の出入口には、冷媒を循環させるための循環配管１１が接続されている。冷媒は、循環配管１１上の冷却ポンプ１０により燃料電池２に供給され、燃料電池２を冷却する。循環配管１１上の流路切替弁１２を切り替えることで、冷媒を燃料電池２に供給しないようにバイパスさせることもできる。

蓄電装置３は、高圧の蓄電装置として機能する充放電可能な二次電池である。蓄電装置３は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池であるが、二次電池以外のキャパシタを用いてもよい。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、直流の電圧変換器であり、蓄電装置３から入力された直流電圧を調整してインバータ７側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ８から入力された直流電圧を調整して蓄電装置３に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４のこれらの機能により、蓄電装置３の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４と燃料電池２との間には、燃料電池２の運転に供せられる各種の補機が接続されている。本実施形態の補機は、高圧（例えば１２Ｖよりも高い電圧）用の補機であり、本実施形態の補機としては、エアコンプレッサ５、冷却ポンプ１０、水素ポンプ２６、パージ弁２８及び流路切替弁１２が挙げられる。これらエアコンプレッサ５、冷却ポンプ１０及び水素ポンプ２６への電力は、それぞれ、インバータ５，９及び２９により交流電力に変換されて供給される。なお、補機には、改質原料を供給するためのポンプや、改質器の温度を調整するヒータも含まれる。

補機（５、１０及び２６）への電力は、燃料電池２の通常運転時においては、燃料電池２から高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４を介することなく供給される。一方、燃料電池２の運転停止時や起動初期においては、蓄電装置３からの電力が高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４を介して補機（５、１０及び２６）に供給される。

低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、蓄電装置３と高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４との間に接続されている。低圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、高圧回路側の直流電力の一部を降圧して低圧回路側へと供給する。降圧された直流電力は、一部が低圧蓄電装置として機能する低圧バッテリ（二次電池）１９に充電され、一部は低圧補機２０を駆動するための電力として用いられる。低圧バッテリ１９は、低圧補機２０への電力供給源としての役割を担っている。

低圧補機２０は、低圧（例えば１２Ｖ）で駆動する各種機器のことであり、上記した本実施形態の高圧補機（エアコンプレッサ５、冷却ポンプ１０及び水素ポンプ２６）とは異なるものである。低圧補機２０としては、例えば、水素のタンクバルブ、水素を調圧噴射するインジェクタ、車両１００用の補機など、種々の電気機器が該当する。車両１００用の補機としては、車両１００に搭載のエアコンディショナ、ナビゲーションシステム、ライト類、インジェクタ装置、ウィンカ（ターンシグナルランプ）等である。これら低圧補機２０は、低圧バッテリ１９から電力供給されることによっても駆動し得る。

制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。制御装置１３は、燃料電池システム１の各要素（高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４など）や、車両１００の各要素（インバータ７など）を統括制御する。

具体的には、制御装置１３は、インバータ７のスイッチングを制御して、要求動力に応じた三相交流をトラクションモータ８に出力する。また、制御装置１３は、要求動力に応じた電力が供給されるよう、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の運転を制御する。さらに、制御装置１３は、燃料電池２が目標電力に応じた酸化ガスと水素ガスの供給制御、並びに、冷却系による燃料電池２の温度制御を行う。例えば、制御装置１３は、インバータ６、２９及び９をそれぞれ制御して、エアコンプレッサ５、水素ポンプ２６及び冷却ポンプ１０をそれぞれ駆動するモータ（図示省略）の回転数を調整する。さらには、制御装置１３は、各種バルブ（パージ弁２８など）を開閉制御する。

図２は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の正常時及び異常時における燃料電池システム１の制御フローを示すフローチャートである。
このルーチンは、制御装置１３のＲＯＭから読み出されてＣＰＵによって実行される。

先ず、ステップＳ１０１では、制御装置１３は、電圧変換装置が異常かどうか、すなわち高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の異常有無を判定する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４に異常が発生していない場合には（ステップＳ１０１；ＮＯ）、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の運転を継続し、（ステップＳ１０２）、次のステップＳ１０３に移行する。

ステップＳ１０３では、トラクションモータ８の要求電力Ｐｍを算出する。要求電力Ｐｍは、トラクションモータ１０３に供給すべき電力であり、次の手順で求められる。まず、制御装置１３は、トラクションモータ１０３の目標回転数、目標トルクを設定する。これらの積は、トラクションモータ８から出力すべき動力となる。この動力を、トラクションモータ１０３の運転効率、消費電力当たりに出力される動力の比で除することにより、要求電力Ｐｍが求められる。トラクションモータ８を発電機として機能させ、回生制動する際には、目標トルクが負の値となるから、要求電力Ｐｍも負の値となる。

次のステップＳ１０４では、算出した要求電力Ｐｍをもとに、燃料電池補機装置動作点Ｘｍを算出する。本実施形態の燃料電池補機装置としては、エアコンプレッサ５、冷却ポンプ１０、水素ポンプ２６、パージ弁２８及び流路切替弁１２が該当する。燃料電池補機装置動作点Ｘｍを変更すれば、単位時間当たりの、エアコンプレッサ５、冷却ポンプ１０及び水素ポンプ２６のモータ回転数、並びに、パージ弁２８のＯＮ／ＯＦＦ回数及び流路切替弁１２の切替え回数が変更する。

次のステップＳ１０５では、走行用駆動装置要求上限電力Ｐｍａｘを設定する。例えば、要求上限電力Ｐｍａｘをトラクションモータ８の定格負荷電力Ｐ１に設定する。ここで、要求上限電力Ｐｍａｘは、定格発電力Ｐ１であるので正の値である。

次のステップＳ１０６では、走行用駆動装置要求下限電力Ｐｍｉｎを設定する。例えば、要求下限電力Ｐｍｉｎをトラクションモータ８の定格発電電力Ｐ２に設定する。ここで、要求下限電力Ｐ２は、トラクションモータ８が発電機として機能する場合であるので、負の値となる。

次のステップＳ１０７では、燃料電池補機装置動作点補正係数Ｘを設定する。後述するように、補正係数Ｘは上記で設定した動作点Ｘｍに乗じられるものである。ここでは、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４が正常の場合であるので、補正係数Ｘを、１．０と等しいＸ１とした（Ｘ＝Ｘ１＝１．０）。

その後、要求電力Ｐｍに要求上限電力Ｐｍａｘ及び要求下限電力Ｐｍｉｎを加えて、要求電力Ｐｍを決定する（ステップＳ１１２）。そして、動作点Ｘｍを補正係数Ｘ（＝Ｘ１）で補正することにより最終的な動作点Ｘｍを決定し（ステップＳ１１３）、「リターン」に処理を進める。

一方、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４に異常が発生した場合は（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の運転を停止する（ステップＳ１０８）。ここで、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の異常とは、例えば、そのトランジスタに過電流が流れたり、温度上昇があったりした場合などをいう。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４が異常により停止すると、蓄電装置３の充放電及び燃料電池２の発電量の制御ができなくなる。

ここで、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４が停止する場合には（ステップＳ１０８）、制御装置１３が高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４に運転停止の制御信号を出力する場合と、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４が自己保護回路の作動（高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４のスイッチング停止）による場合と、がある。後者の場合、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４が停止した旨の信号を制御装置１３が受信したとき、制御装置１３は高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４に対し運転停止の信号を発信するようにするとよい。

次のステップＳ１０９では、走行用駆動装置要求上限電力Ｐｍａｘ＝Ｐ３に設定する。ここで、要求上限電力Ｐ３は、定格負荷電力Ｐ１よりも小さい値に設定する（Ｐ３＜Ｐ１）。例えば、Ｐ３＝Ｐ１×１／３に設定する。このように、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の異常時にトラクションモータ８の出力の上限値を制限することで、余裕をもってシステム１を運転することができるようになる。

次のステップＳ１１０では、走行用駆動装置要求下限電力Ｐｍｉｎ＝Ｐ４に設定する。ここで、要求下限電力Ｐ４は、定格発電電力Ｐ２よりも大きい値に設定する（Ｐ４＞Ｐ２）。例えば、Ｐ４＝０に設定し、トラクションモータ８の回生を禁止するようにする。このように、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の異常時にトラクションモータ８の出力の下限値を制限することで、余剰電力となる状態を抑制できる。なお、Ｐ４≠０のときは、回生による電力は燃料電池補機にて消費される。

次のステップＳ１１１では、燃料電池補機装置動作点補正係数Ｘ＝Ｘ２に設定する。ここで、補正係数Ｘ２は、補正係数Ｘ１よりも大きい値に設定する（Ｘ２＞Ｘ１）。例えば、Ｘ２＝１．５に設定することで、燃料電池補機の消費電力が高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の正常時よりも大きくなるように、燃料電池補機装置動作点Ｘを変更するとよい。

次のステップＳ１１２では、要求電力Ｐｍに要求上限電力Ｐｍａｘ（＝Ｐ３）及び要求下限電力Ｐｍｉｎ（＝Ｐ４）を加えて、要求電力Ｐｍを決定する。このようにして、トラクションモータ８の出力を制限して、通常の走行制御からリンプホーム制御に移行することで、燃料電池２からの電力供給不足を抑制し且つ余剰電力の状態を抑制しながら、トラクションモータ８の駆動を継続することができる。つまり、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４が異常した場合であっても、車両１００の運転を停止することなく、車両１００の走行（退避走行）を続行することができる。

そして、次のステップＳ１１３では、動作点Ｘｍを補正係数Ｘ（＝Ｘ２）で補正することにより最終的な動作点Ｘｍを決定する。このように、Ｘ１よりも大きいＸ２で動作点Ｘｍを補正し、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の異常時では、燃料電池補機の効率が正常時よりも低下するように設定している。この設定により、例えば、エアコンプレッサ５のモータ回転数が上がり、エアストイキを上げた状態で運転が行われる。また、上記設定により、水素ポンプ２６のモータ回転数が上がる。このような設定により、燃料電池２への酸化ガス及び水素ガスが余剰に供給されるようになり、燃料電池２の発電された電力により燃料電池補機の駆動を行うことができ、燃料電池システム１を余裕をもって運転させることができる。

また、ステップＳ１１３の動作点Ｘｍを決定する際、冷却ポンプ１０のモータ回転数を上げるように設定してもよい。さらに、パージ弁２８のＯＮ／ＯＦＦ回数及び流路切替弁１２の切替え回数を増やすようにしてもよい。特に、エアコンプレッサ５のモータ回転数を上げた場合には、電解質膜を透過する窒素（不純物ガス）のクロスリーク量が増加して水素オフガス中の水素濃度が低下し易くなるので、パージ弁２８ＯＮ／ＯＦＦ回数を増やすことは有用である。なお、これら燃料電池補機（５，２６，１０，２８及び１２）の一つだけ動作点を変更しても良いし、全ての動作点を変更しても良い。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１では、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４が異常により停止した場合も、トラクションモータ８をリンプホーム制御に移行する。この結果、異常発生後に車両１００を直ちに停止しなくて済み、車両１００の信頼性を向上することができる。また、燃料電池２の発電により燃料電池補機を駆動するため、燃料電池２の運転を安定に継続して、燃料電池システム１の運転を適切に継続することができる。

なお、燃料電池２と高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４との間に車両補機を接続した場合には、ステップＳ１１１及びステップＳ１１３において、この車両補機の動作点を変更するようにしてもよい。ここで、車両補機としては、車両の運転時に使用されるさまざま電力機器をいい、照明機器、空調機器、油圧ポンプなどが含まれる。

また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４の異常時には、その旨を車両１００のドライバーなど乗員に報知するようにしてもよい。例えば、ステップＳ１０８の電圧変換装置停止指令の後、トラクションモータ８がリンプホーム制御に移行した旨を、音声や表示等により乗員に報知する。

上記した燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。

上記では、本発明のガス燃料システムを燃料電池システム１を例に説明したが、もちろんこれに限るものではなく、特に可燃性の燃料ガスを用いるガス燃料システムに有用である。例えば、燃料ガスを消費する燃料ガス消費装置が、燃料ガスとしての水素あるいは圧縮天然ガスの供給を受けて機械エネルギーや熱エネルギーを発生する内燃機関である場合には、この内燃機関をガス流通系に含むガス燃料システムに有用である。

車両に搭載された燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 電圧変換器の正常時及び異常時における燃料電池システムの制御フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…蓄電装置、４…高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換器）、５…エアコンプレッサ、８…トラクションモータ（駆動力発生装置）、１０…冷却ポンプ、１３…制御装置、２６…水素ポンプ、２８…パージ弁、１００…車両（移動体）

Claims (10)

1. 燃料電池と、負荷に対し電圧変換器を介して前記燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記電圧変換器よりも前記燃料電池側に接続された補機と、
   前記電圧変換器及び前記補機を制御する制御装置と、を備え、
   前記補機は、前記燃料電池の運転に供される補機であり、
   前記制御装置は、前記電圧変換器の異常時に、当該電圧変換器の正常時よりも前記補機の消費電力が大きくなるように前記補機の動作点を変更する燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記電圧変換器の異常時に、当該電圧変換器が停止した後で前記補機の動作点を変更する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記補機は、前記燃料電池に酸化ガスを圧送するコンプレッサと、前記燃料電池に燃料ガスを循環供給するポンプと、前記燃料電池に冷媒を供給する冷却ポンプと、の少なくとも一つを含む、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記電圧変換器の異常時に、前記コンプレッサ、前記ポンプ及び前記冷却ポンプの少なくとも一つの回転数を増大させる、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記補機は、前記燃料電池からの燃料オフガスを排出するパージ弁と、前記燃料電池を冷却するための冷媒流路を切り替える流路切替弁と、の少なくとも一つを含む、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御装置は、前記電圧変換器の異常時に、前記パージ弁のＯＮ／ＯＦＦ回数、及び前記流路切替弁の切替え回数の少なくとも一つを増大させる、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記補機は、高電圧用の補機である、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記電圧変換器に対し第２の電圧変換器を介して前記蓄電装置と並列に接続された第２の蓄電装置と、
   前記第２の電圧変換器よりも前記第２の蓄電装置側に接続された第２の補機と、を有し、
   前記第２の蓄電装置、前記第２の電圧変換器及び前記第２の補機は、前記蓄電装置、前記電圧変換器及び前記補機よりも低い電圧用のものである、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 請求項１ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
10. 前記制御装置は、前記電圧変換器の異常時に、当該移動体を退避走行させる、請求項９に記載の移動体。

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