(57)【要約】【課題】電力供給経路上に設けられたリレーの溶着を抑制する【解決手段】燃料電池２から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に電力を供給する電力供給経路であって、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５とを結合する電力供給経路を接続または遮断するＦＣリレー１０と、切替スイッチ１１ａの接続先をＦＣコンバータ３側の接点Ｐ３とＢａｔコンバータ５側の接点Ｐ５とのいずれか一方に切り替えることでＦＣコンバータ３の出力電圧またはＢａｔコンバータ５の出力電圧を計測する電圧計測部１１と、燃料電池システム１の起動時に、電圧計測部１１によって計測されたＦＣコンバータ３の出力電圧とＢａｔコンバータ５の出力電圧との差が所定値以下である場合にＦＣリレー１０をＯＮさせる制御部８と、を有する。【選択図】図１
2011003385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記第一の電圧変換部から前記電力消費装置に電力を供給する経路であって、前記第一の電圧変換部と前記第二の電圧変換部とを結合する前記経路を接続または遮断する接続部と、
前記第一の電圧変換部の出力電圧および前記第二の電圧変換部の出力電圧をそれぞれ計測する電圧計測部と、
前記接続部による前記経路の接続または遮断を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、システム起動時に、前記電圧計測部によって計測された前記第一の電圧変換部の出力電圧と前記第二の電圧変換部の出力電圧との差が所定値以下である場合に、前記経路を接続させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電圧計測部は、切替スイッチを有し、当該切替スイッチの接続先を前記第一の電圧変換部に連結している接点と前記第二の電圧変換部に連結している接点とのいずれか一方に切り替えることで前記第一の電圧変換部の出力電圧と前記第二の電圧変換部の出力電圧とをそれぞれ計測可能と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。
【請求項３】
前記所定値は、前記接続部が過電流によって溶着しない電位差であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【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】
下記特許文献１には、燃料電池とバッテリで負荷を駆動させる燃料電池システムであって、燃料電池用とバッテリ用の二つのコンバータを備えたものが開示されている。この燃料電池システムでは、負荷に安定して電力を供給するために、燃料電池用のコンバータと、バッテリ用のコンバータとを協調して動作させている。また、バッテリと負荷とを接続する電力供給経路上に接続部であるリレーを設け、システムの停止時にはリレーをＯＦＦ状態にするとともに、システムを起動して燃料電池から負荷に供給される電圧がバッテリ電圧を上回ったときにリレーをＯＮ状態にし、バッテリと負荷とを接続している。これにより、システム停止時のバッテリ電力の浪費を防止するとともに、リレー接続時にバッテリ側から負荷側に電流が突入することを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３４０４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１では、燃料電池側の電圧とバッテリ側の電圧を計測する際に、それぞれ別の電圧計測器を用いている。しかしながら、電圧計測器は、それぞれ固有の計測誤差を有するため、それぞれの誤差によっては、リレーをＯＮ状態にするときに、リレー両端の電圧差が想定以上に大きくなることも考えられる。このような場合には、過電流によってリレーが溶着するおそれがある。
【０００５】
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、電力供給経路上に設けられた接続部の溶着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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、燃料電池と、燃料電池の発電電力を充電可能な蓄電部と、燃料電池および蓄電部からの電力を消費する電力消費装置と、燃料電池と電力消費装置との間に配置される第一の電圧変換部と、蓄電部と電力消費装置との間に配置される第二の電圧変換部と、第一の電圧変換部から電力消費装置に電力を供給する経路であって、第一の電圧変換部と第二の電圧変換部とを結合する上記経路を接続または遮断する接続部と、第一の電圧変換部の出力電圧および第二の電圧変換部の出力電圧をそれぞれ計測する電圧計測部と、接続部による上記経路の接続または遮断を制御する制御部と、を備え、上記制御部は、システム起動時に、電圧計測部によって計測された第一の電圧変換部の出力電圧と第二の電圧変換部の出力電圧との差が所定値以下である場合に、上記経路を接続させることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、第一の電圧変換部の出力電圧と第二の電圧変換部の出力電圧とを、一つの電圧計測部で計測することができ、計測した第一の電圧変換部の出力電圧と第二の電圧変換部の出力電圧との間の電圧差が、所定値以下である場合に上記経路を接続させることができる。これにより、電圧計測部に固有の計測誤差を考慮することなく、接続部の両端の電圧差を正確に求めることができ、この電圧差が小さいときに上記経路を接続させることが可能となる。また、一つの電圧計測部を用いて第一の電圧変換部の出力電圧と第二の電圧変換部の出力電圧とを測定することができるため、構成を簡易にすることができる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、上記電圧計測部は、切替スイッチを有し、当該切替スイッチの接続先を第一の電圧変換部に連結している接点と第二の電圧変換部に連結している接点とのいずれか一方に切り替えることで第一の電圧変換部の出力電圧と第二の電圧変換部の出力電圧とをそれぞれ計測可能とすることとしてもよい。
【０００９】
このようにすることで、切替スイッチの接続先を切り替えることで第一の電圧変換部の出力電圧と第二の電圧変換部の出力電圧の双方を一つの電圧計測部で個別に計測することが可能となる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、上記所定値は、接続部が過電流によって溶着しない電位差であることとしてもよい。
【００１１】
このようにすることで、接続部の両端の電圧差が、接続部が過電流によって溶着しない範囲内であるときに上記経路を接続させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電力供給経路上に設けられた接続部の溶着を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】実施形態におけるＦＣリレー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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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（第一の電圧変換部）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コンバータであるＢａｔコンバータ５（第二の電圧変換部）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と、を有する。燃料電池２およびＦＣコンバータ３と、バッテリ４およびＢａｔコンバータ５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。
【００１７】
燃料電池システム１は、燃料電池２から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に電力を供給する電力供給経路を接続または遮断するＦＣリレー１０（接続部）と、ＦＣコンバータ３の出力電圧およびＢａｔコンバータ５の出力電圧をそれぞれ計測する電圧計測部１１と、をさらに有する。なお、ＦＣリレー１０は、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５とを結合する電力供給経路を接続または遮断する接続部でもある。
【００１８】
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。
【００１９】
ＦＣコンバータ３は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から入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。この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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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て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。
【００２３】
電圧計測部１１は、切替スイッチ１１ａを有している。切替スイッチ１１ａは、接続先となる二つの接点を切り替えるスイッチである。二つの接点は、ＦＣコンバータ３側の接点Ｐ３と、Ｂａｔコンバータ５側の接点Ｐ５である。電圧計測部１１は、切替スイッチ１１ａが、ＦＣコンバータ３側の接点Ｐ３に接続しているときには、ＦＣコンバータ３の出力電圧を計測する。切替スイッチ１１ａが、Ｂａｔコンバータ５側の接点Ｐ５に接続しているときには、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を計測する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
制御部８は、例えばＦＣリレー１０のＯＮ／ＯＦＦを制御する。制御部８は、燃料電池システム１の起動時に、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５との間の出力電圧差が所定値以下である場合にＦＣリレー１０をＯＮさせる。所定値としては、例えば、ＦＣリレー１０をＯＮするときに、ＦＣリレー１０が過電流によって溶着しない電位差の範囲内に設定することができ、この電位差の範囲内のうちの上限付近に設定することが望ましい。この電位差の範囲は、実験等により求めることができる。
【００２８】
具体的に、制御部８は、燃料電池システムの起動時に、電圧計測部１１で計測されたＦＣコンバータ３の出力電圧値とＢａｔコンバータ５の出力電圧値とを取得し、取得したＦＣコンバータ３の出力電圧値とＢａｔコンバータ５の出力電圧値との差である出力電圧差が所定値以下であるか否かを判定する。そして、制御部８は、出力電圧差が所定値以下である場合に、ＦＣリレー１０をＯＮさせる。これにより、ＦＣリレー１０の両端を略同電位にした状態で、ＦＣリレー１０をＯＮさせることが可能となる。
【００２９】
次に、図２に示すフローチャートを用いて、実施形態におけるＦＣリレー制御処理について説明する。このＦＣリレー制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始される。また、ＦＣリレー１０は、イグニッションキーＯＮ時にはＯＦＦとなっている。
【００３０】
最初に、制御部８は、ＦＣコンバータ３およびＢａｔコンバータ５を駆動させ（ステップＳ１０１）、電圧計測部１１の切替スイッチ１１ａを、ＦＣコンバータ３側の接点Ｐ３に接続させる（ステップＳ１０２）。
【００３１】
続いて、制御部８は、電圧計測部１１によって計測されたＦＣコンバータ３の出力電圧値を取得する（ステップＳ１０３）。
【００３２】
続いて、制御部８は、電圧計測部１１の切替スイッチ１１ａを、Ｂａｔコンバータ５側の接点Ｐ５に接続させるとともに（ステップＳ１０４）、電圧計測部１１によって計測されたＢａｔコンバータ５の出力電圧値を取得する（ステップＳ１０５）。
【００３３】
続いて、制御部８は、上記ステップＳ１０３で取得したＦＣコンバータ３の出力電圧値と上記ステップＳ１０５で取得したＢａｔコンバータ５の出力電圧値との差である出力電圧差が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）に、制御部８は、上述したステップＳ１０２に処理を移行する。
【００３４】
一方、上記ステップＳ１０６の判定で上記出力電圧差が所定値以下であると判定された場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）に、制御部８は、ＦＣリレー１０をＯＮさせる（ステップＳ１０７）。
【００３５】
上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、一つの電圧計測部１１でＦＣコンバータ３の出力電圧とＢａｔコンバータ５の出力電圧とをそれぞれ計測することができ、計測したＦＣコンバータ３の出力電圧とＢａｔコンバータ５の出力電圧との間の電圧差が、所定値以下である場合にＦＣリレー１０をＯＮさせることができる。これにより、電圧計測部１１に固有の計測誤差を考慮することなく、ＦＣリレー１０の両端の電圧差を正確に求めることができ、この電圧差が、ＦＣリレー１０が過電流によって溶着しない範囲内であるときに、ＦＣリレー１０をＯＮさせることができる。すなわち、ＦＣリレー１０を溶着させることなくＯＮさせることができる。
【００３６】
また、切替スイッチ１１ａの接続先を切り替えることでＦＣコンバータ３の出力電圧とＢａｔコンバータ５の出力電圧の双方を、一つの電圧計測部１１で個別に計測することができるため、システム構成を簡易にすることができる。
【符号の説明】
【００３７】
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、１０…ＦＣリレー、１１…電圧計測部、１１ａ…切替スイッチ。
【図１】
2011003385.tif 000003
【図２】
2011003385.tif 000004