(57)【要約】【課題】異常時の燃料電池における水素欠状態を解消して燃料電池の劣化や故障を抑制する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１０と第１のコンバータ５０と水素供給ポンプ３７とを有する高圧系回路と、水素供給インジェクタ３５を有する低圧系回路と、を有する。第１のコンバータ５０に流れる電流が過電流と判断されたときに、燃料電池１０への酸素の供給を停止し、水素供給インジェクタ３５によって水素を加圧供給し、燃料電池１０に流れる電流が所定値以下になったときにおける電圧が所定値以下であれば退避走行に移行する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と燃料電池コンバータと水素供給ポンプとを有する高圧系回路と、
水素供給インジェクタを有する低圧系回路と、を有する燃料電池システムであって、
燃料電池コンバータに流れる電流が過電流と判断されたときに、燃料電池への酸素の供給を停止し、水素供給インジェクタによって水素を加圧供給し、燃料電池に流れる電流が所定値以下になったときにおける電圧が所定値以下であれば退避走行に移行する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる燃料電池車両等に搭載される燃料電池システムにおいて、燃料電池とモータとの間に設けられた燃料電池電力供給経路と、バッテリと燃料電池電力供給経路とを接続するバッテリ電力供給経路とにより高圧系回路が形成され、燃料電池電力供給経路とバッテリ電力供給経路との接続点よりも燃料電池側にリレーが配置され、短絡時にはバッテリの電力により回路を遮断するものがある（特許文献１参照）。この燃料電池システムにおいて、燃料電池コンバータは、回路遮断装置の前段に設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１５０６３０号
【特許文献２】特開２０１１−２０４３６１号公報
【特許文献３】特開２０１０−１４６９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の燃料電池システムにおいて、短絡などの異常時に回路遮断装置が作動すると、燃料電池の内部で水素欠が起こり、燃料電池が劣化したり故障したりする恐れがある。また、高圧系回路において過電流状態が継続すると、好ましくない。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、異常時の燃料電池における水素欠状態を解消して燃料電池の劣化や故障を抑制し、異常時の高圧系回路における過電流状態を解消することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と燃料電池コンバータと水素供給ポンプとを有する高圧系回路と、水素供給インジェクタを有する低圧系回路と、を有する燃料電池システムであって、燃料電池コンバータに流れる電流が過電流と判断されたときに、燃料電池への酸素の供給を停止し、水素供給インジェクタによって水素を加圧供給し、燃料電池に流れる電流が所定値以下になったときにおける電圧が所定値以下であれば退避走行に移行する。
【０００７】
本発明によれば、異常時の燃料電池における水素欠状態を解消できるので、燃料電池の劣化や故障を抑制できる。また、異常時の高圧系回路における過電流状態を解消できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、異常時の燃料電池における水素欠状態を解消して燃料電池の劣化や故障を抑制できる。また異常時の高圧系回路における過電流状態を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】燃料電池システムの電力系の構成を示すブロック図である。
【図３】第１のコンバータの構成を示す説明図である。
【図４】燃料電池システムの動作を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１について説明する。図１は、燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。
【００１１】
燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えばエア）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２等を備えている。
【００１２】
燃料電池１０は、例えば高分子電解質型燃料電池であり、反応ガスの供給を受けて発電する単セルを複数積層した構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成された空気極と、電解質膜の他方の面に形成された燃料極と、空気極及び燃料極を両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。
【００１３】
酸化ガス配管系１１は、例えば加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給するガス供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送りその後外部に排出するガス排出流路２２を備えている。ガス供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２３等が設けられている。
【００１４】
水素ガス配管系１２は、例えば高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するためのガス供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスをガス供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。
【００１５】
ガス供給流路３１には、例えば水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整し、燃料電池１０に水素ガスを加圧供給可能な水素供給インジェクタ３５が設けられている。水素供給インジェクタ３５は、低電圧（１２V）の電源４０により駆動する。なお、このガス供給流路３１は、複数設けられていてもよい。
【００１６】
循環流路３２には、例えば水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧してガス供給流路３１側へ圧送する水素供給ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁（排気シャットバルブ）３９が設けられている。
【００１７】
上記燃料電池システム１の運転時には、酸化ガスとしてのエアが、酸化ガス配管系１１を通じて燃料電池１０に供給され、水素ガスが、水素ガス配管系１２を通じて燃料電池１０に供給され、燃料電池１０において、水素ガスとエアの酸素ガスと電気化学反応を起こし発電する。燃料電池１０から循環流路３２に排出された水素オフガスは、イオン交換器３６を通過した後、再び燃料電池１０に供給される。
【００１８】
図２は、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両２の電力系の機能ブロックを示す。
【００１９】
燃料電池車両２は、例えば、燃料電池（ＦＣ）１０と、燃料電池１０で発電された電力の出力電圧を昇降圧するＤＣ/ＤＣコンバータである燃料電池コンバータである第１のコンバータ（ＦＤＣ）５０と、充放電可能な補助電源となる二次電池（ＢＡＴＴ）６０と、二次電池６０の出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータである第２のコンバータ（ＢＤＣ）７０と、直流電力を交流電力（例えば三相交流）に変換し、負荷であるトラクションモータ（Ｍ）８０に電力を供給するトラクションインバータ（ＩＮＶ）９０と、リレー回路１００と、補機類１１０と、燃料電池車両２の各部の動作を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）１２０を有している。
【００２０】
第１のコンバータ５０は、燃料電池用の直流電圧変換器であり、燃料電池１０の出力電圧を所定の直流電圧に昇降圧して、トラクションインバータ９０に供給できる。図３に示すように第１のコンバータ５０は、スイッチング素子ＳＷと、リアクトルＬと、平滑用コンデンサＣと、整流素子としての出力ダイオードＤ等を備えている。第１のコンバータ５０には、スイッチング素子ＳＷに過電流が流れると短絡し、過電流信号を出力するセンサ１３０が設けられている。
【００２１】
図２に示す二次電池６０は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両２の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する蓄電装置であり、例えば、二次電池（ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等）が好適である。
【００２２】
第２のコンバータ７０は、第１のコンバータ５０とトラクションインバータ９０の間に並列的に接続されている。第２のコンバータ７０は、燃料電池１０の余剰電力又はトラクションモータ８０が回収した回生電力を降圧して二次電池６０に充電できる。また、第２のコンバータ７０は、二次電池６０の出力電圧を所定の直流電圧に昇圧してトラクションインバータ９０に供給できる。
【００２３】
トラクションインバータ９０は、燃料電池１０と二次電池６０との両方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力（例えば三相交流）に変換し、トラクションモータ８０の回転トルクを制御できる。トラクションモータ８０は、例えば車輪に連結された三相交流モータであり、車両走行時には走行推進力を生成する一方、車両制動時には、モータジェネレータとして機能し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回生電力を回収できる。
【００２４】
リレー回路１００は、何らかの異常によって短絡し、回路に大電流の短絡電流が流れると、回路を遮断する。
【００２５】
補機類１１０には、水素供給ポンプ３７、コンプレッサ２３、インバータ等が含まれる。
【００２６】
燃料電池１０の出口側には、電流を検出する電流センサ１４０と、電圧を検出する電圧センサ１４１が設けられている。
【００２７】
コントロールユニット１２０は、いわゆるマイクロコンピュータであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースなどを備えている。コントロールユニット１２０は、燃料電池１０、第１のコンバータ５０、二次電池６０、第２のコンバータ７０、トラクションインバータ９０、及び各種センサ、例えばセンサ１３０、電流センサ１４０、電圧センサ１４１や、トランククションモータ８０に設けられた回転数センサやアクセルペダルセンサなどに電気的に接続されている。コントロールユニット１２０は、これらの動作を制御することによって燃料電池車両２の運転を制御する。
【００２８】
本実施の形態において、燃料電池システム１は、高圧系回路と低圧系回路を有し、高圧系回路には、燃料電池１０と、第１のコンバータ５０と、水素供給ポンプ３７等が少なくとも含まれ、低圧系回路には、電源４０、水素供給インジェクタ３５、排出制御弁３９等が少なくとも含まれる。
【００２９】
図４に示すように第１のコンバータ５０において、何らかの異常によって短絡が発生し、過電流が流れ、過電流信号が出力されると、リレー回路１００によって高圧系回路が遮断され、燃料電池１０へのエアの供給と、水素供給ポンプ３７の稼働が停止される。過電流信号をトリガとして、低圧系回路の水素供給インジェクタ３５が稼働し、水素ガスが燃料電池１０に加圧供給される。これにより、燃料電池１０において、残存する酸素ガスと水素ガスが反応し、水素欠の状態が解消される。これにより、発電電流が低下する。そして、燃料電池１０に流れる電流が所定値以下になったときにおける電圧が所定値以下である場合に、燃料電池車両２が退避走行に移行する。このときの電流と電圧は、電流センサ１４０、電圧センサ１４１により検出される。燃料電池１０の発電電流が零になったところで、水素供給インジェクタ３５による水素ガスの加圧供給が停止される。
【００３０】
本実施の形態によれば、燃料電池コンバータである第１のコンバータ５０に流れる電流が過電流と判断されたときに、燃料電池１０への酸素（エア）の供給の稼働を停止し、水素供給インジェクタ３５によって水素を加圧供給し、燃料電池１０に流れる電流が所定値以下になったときにおける電圧が所定値以下であれば退避走行に移行する。これにより、異常時の燃料電池１０における水素欠状態を解消できるので、燃料電池１０の劣化や故障を抑制できる。また、異常時の高圧系回路における過電流状態を解消できる。なお、本実施の形態においては、第１のコンバータ５０に流れる電流が過電流と判断されたときに、水素供給ポンプ３７の稼働を停止していたが、水素供給ポンプ３７の稼働は停止せずに継続させてもよい。この場合、水素欠状態をさらに解消しやすくなる。
【００３１】
また、リレー回路１００によるフェイルセーフの中で高圧系回路を完全に遮断する場合でも低圧系回路の水素供給インジェクタ３５の駆動で水素を加圧供給でき、これにより燃料電池１０の劣化抑制を実現できる。なお、水素供給インジェクタ３５が複数ある場合には、水素圧力低下（水素欠）の程度に応じて複数の水素供給インジェクタ３５のうちの任意の数の水素供給インジェクタ３５を使用して水素を供給してもよい。水素圧力低下が少ない場合には、複数ある水素供給インジェクタ３５の中の一つのみを使用し、低圧系回路の消費電力を低減させてもよい。
【００３２】
さらに、フェイルセーフの中で高圧系回路を完全に遮断する場合に、低圧系回路の排出制御弁（排気シャットバルブ）３９を駆動し、アノード排水を積極的に行い、燃料電池１０がより理想的な状態に保つようにしてもよい。
【００３３】
また、本実施の形態によれば、水素を加圧供給することで、燃料電池１０のセルの反応面において水素をエア側へのクロスオーバー量を増加させ、エア欠状態を促進させ、水素欠状態を回避することができる。また、高圧系回路が異常のため、高電圧で駆動する部位を使用せず、高圧系回路を切り離した場合でも、低圧系回路の水素供給インジェクタ３５の駆動のみでフェイルセーフが可能である。
【００３４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３５】
例えば本発明は、上記実施の形態で記載した燃料電池車両２の他、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体にも適用できる。また、定置型電源等にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、異常時の燃料電池における水素欠状態を解消して燃料電池の劣化や故障を抑制する際に有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池システム
２  燃料電池車両
１０  燃料電池
３５  水素供給インジェクタ
３７  水素供給ポンプ
５０  第１のコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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