(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス及び酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池と蓄電装置とを給電回路上で接続可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
を備える燃料電池システムの始動方法であって、
前記蓄電装置に接続されて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを迂回するバイパスラインを、前記給電回路に直接接続する工程と、
前記燃料電池を前記給電回路から切断した状態で、前記バイパスラインを介して前記蓄電装置から前記酸化剤ガス供給装置を構成するエアポンプに電力を直接供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。
【請求項２】
請求項１記載の始動方法において、前記蓄電装置を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に接続した状態で、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの作用下に２次側電圧を昇圧する工程と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側電圧と前記燃料電池の出力電圧とが、略同一になった際、前記燃料電池を前記給電回路に接続する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の始動方法において、前記バイパスラインを前記給電回路に接続するとともに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのプリチャージ用コンタクタを接続した状態で、前記蓄電装置から前記ＤＣ／ＤＣコンバータにプリチャージを行う工程を有することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。
【請求項４】
請求項３記載の始動方法において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが操作不能である場合、前記プリチャージ用コンタクタを切断する際に、前記燃料電池を前記給電回路に接続する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの始動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス及び酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池と蓄電装置とを給電回路上で接続可能なＤＣ／ＤＣコンバータとを備える燃料電池システムの始動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
この種の燃料電池の用途としては、自動車等の車両に搭載した燃料電池車両が注目されている。例えば、燃料電池とインバータ駆動モータとを直接接続するとともに、その接続点と蓄電装置との間に、直流電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ装置が介装され、前記燃料電池を主電源装置とし、前記蓄電装置を前記主電源装置をアシストする従電源装置とした燃料電池システム（燃料電池自動車）が知られている。
【０００４】
そこで、特許文献１に開示されている燃料電池では、図６に示すように、アキュムレータ装置（バッテリ）１は、１つ以上のＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して回路網３に接続されている。この回路網３には、燃料電池（ＦＣ）４及びコンプレッサ等の補助装置（補機）５が接続されている。
【０００５】
アキュムレータ装置１は、燃料電池４の定格運転において充電される一方、エネルギが前記アキュムレータ装置１から回路網３に伝達されて、始動操作中のエネルギ供給が行われている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、制御装置６によって切り替え操作されている。
【０００６】
【特許文献１】特表２００２−５０７０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１では、燃料電池４を始動するために、エアポンプ（補助装置５）を運転させる際、アキュムレータ装置１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を経由して回路網３にエネルギを供給している。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２におけるエネルギ損失が発生するという問題がある。
【０００８】
しかも、エアポンプに対して十分なエネルギを供給しようとすると、アキュムレータ装置１が相当に大型化するという問題がある。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２が故障した際には、燃料電池４を始動させることができないという問題がある。
【０００９】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、始動時に、ＤＣ／ＤＣコンバータを迂回してエアポンプに直接電力を供給することができ、燃料電池を容易且つ確実に始動することが可能な燃料電池システムの始動方法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】
【００１０】
本発明は、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス及び酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池と蓄電装置とを給電回路上で接続可能なＤＣ／ＤＣコンバータとを備える燃料電池システムの始動方法に関するものである。
【００１１】
この始動方法は、蓄電装置に接続されてＤＣ／ＤＣコンバータを迂回するバイパス回路を、給電回路に接続する工程と、燃料電池を前記給電回路から切断した状態で、前記バイパス回路を介して前記蓄電装置から酸化剤ガス供給装置を構成するエアポンプに電力を直接供給する工程とを有している。
【００１２】
また、この始動方法は、蓄電装置をＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に接続した状態で、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの作用下に２次側電圧を昇圧する工程と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側電圧と燃料電池の出力電圧とが、略同一になった際、前記燃料電池を給電回路に接続する工程とを有することが好ましい。
【００１３】
さらに、この始動方法は、バイパス回路を給電回路に接続するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータのプリチャージ用コンタクタを接続した状態で、蓄電装置から前記ＤＣ／ＤＣコンバータにプリチャージを行う工程を有することが好ましい。
【００１４】
さらにまた、この始動方法は、ＤＣ／ＤＣコンバータが操作不能である場合、プリチャージ用コンタクタを切断する際に、燃料電池を給電回路に接続する工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池を始動する際に、蓄電装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータを迂回し、バイパス回路を介して給電回路に直接接続されている。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータが停止された状態で、蓄電装置からエアポンプに電力を直接供給することができる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータによるＳＷ損失を回避することが可能になり、効率の向上が図られる。これにより、蓄電装置からエアポンプに電力を効率的に供給するとともに、前記蓄電装置の小型化が容易に可能になる。
【００１６】
しかも、ＤＣ／ＤＣコンバータに異常が発生した際にも、このＤＣ／ＤＣコンバータを迂回して蓄電装置がエアポンプに接続されている。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータの異常に関わりなく、燃料電池を確実に始動させることができ、始動性の向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る始動方法が適用される車載用の燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００１８】
燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、前記燃料電池１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置（図示せず）と、エネルギストレージである蓄電装置（以下、バッテリという）１８と、前記燃料電池１２とバッテリ１８とを給電回路２０上で接続可能なＤＣ／ＤＣコンバータ２２とを備える。
【００１９】
燃料電池１２及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、給電回路２０を構成するバスライン２４ａ、２４ｂを介してインバータ２６に接続可能であり、前記インバータ２６を通じて車両走行用の駆動モータ（電動機）２８に電流（電力）が供給される。
【００２０】
燃料電池１２は、図示しないが、固体高分子電解質膜の両側をアノード側電極とカソード側電極とで挟み込んだ電解質膜・電極構造体を、セパレータで挟持した発電セルを備え、複数の発電セルが積層されることによりスタックされている。燃料電池１２は、コンタクタ３０及びダイオード３２を介してバスライン２４ａに対し接続及び切断可能である。
【００２１】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ（エアポンプ）３４を備え、前記エアコンプレッサ３４が空気供給流路３６に配設される。空気供給流路３６は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔（図示せず）に連通する。エアコンプレッサ３４は、バスライン２４ａ、２４ｂに接続される。
【００２２】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク３８を備える。この水素タンク３８は、出口側に遮断弁３９が接続されるとともに、水素供給流路４０を介して燃料電池１２の燃料ガス入口連通孔（図示せず）に連通する。水素供給流路４０には、遮断弁３９の下流に圧力調整弁４１が設けられる。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、それぞれ平滑用の１次側コンデンサ４２及び２次側コンデンサ４４を設ける。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子からなる上アーム素子４６と下アーム素子４８とからなるアームとして構成される。各アーム素子４６、４８は、それぞれ逆方向に並列にダイオード５０、５２（逆並列ダイオード）が接続される。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により１次側電圧と２次側電圧との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する１個のリアクトル５４が、アームの中点とバッテリ１８との間に挿入されている。
【００２５】
上アーム素子４６は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＶＨ（のハイレベル）によりオンにされ、下アーム素子４８は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＶＬ（のハイレベル）によりオンにされる。
【００２６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の１次側には、バッテリ１８が電力線５６ａ、５６ｂを介して接続される。バッテリ１８は、例えば、リチウムイオン２次電池又はキャパシタを利用することができる。電力線５６ａには、抵抗器５８を有するコンタクタ６０ａとコンタクタ６０ｂとが並列して設けられる。電力線５６ｂには、コンタクタ６０ｃが設けられる。
【００２７】
バッテリ１８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を迂回して給電回路２０を構成するバスライン２４ａに接続可能なバイパスライン（バイパス回路）６２が設けられる。このバイパスライン６２には、コンタクタ６０ｄが配設される。
【００２８】
インバータ２６は、直流／交流変換を行い、モータ電流を駆動モータ２８に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後のモータ電流を２次側からＤＣ／ＤＣコンバータ２２を通じて１次側に供給する。回生電圧又は発電電圧である２次側電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により低電圧の１次側電圧に変換される。
【００２９】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、第１の実施形態に係る始動方法との関連で、図２に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００３０】
燃料電池システム１０の図示しないイグニッションがＯＮされると、この燃料電池システム１０の起動シーケンスが開始される。このため、先ず、コンタクタ６０ａがオン（接続）されるとともに、コンタクタ６０ｄがオンされて、バッテリ１８がバイパスライン６２を介してバスライン２４ａ接続される。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２では、２次側コンデンサ４４にバッテリ１８からエネルギが蓄積される（プリチャージ）。その際、コンタクタ６０ａには、抵抗器５８が設けられており、過電流が流れることを阻止している。
【００３１】
図３に示すように、プリチャージ処理により２次側コンデンサ４４の電圧（以下、２次側電圧ともいう）が、バッテリ１８の電圧（バッテリ電圧）まで昇圧される。図２に示すように、このプリチャージ処理中に、コンタクタ６０ｂがオンされた後、コンタクタ６０ａがオフ（切断）される。
【００３２】
プリチャージ処理が終了すると、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁３９が操作されることにより、水素タンク３８から水素供給流路４０を介して燃料電池１２に燃料ガスが供給される。燃料電池１２に燃料ガスの供給が開始された後、必要に応じて設定される時間が経過した後、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアコンプレッサ３４が駆動される。
【００３３】
従って、空気供給流路３６を介して燃料電池１２に酸化剤ガスとしての空気が供給される。このため、燃料電池１２では、アノード側電極に燃料ガスが供給される一方、カソード側電極に空気が供給され、発電が行われる。すなわち、燃料電池１２の始動が開始される。
【００３４】
そして、燃料電池１２の出力電圧（ＦＣ電圧）が所定電圧まで昇圧された後、コンタクタ６０ｃがオンされる一方、コンタクタ６０ｄがオフされることにより回路が切り替わる（図２及び図３参照）。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２がオン制御されることにより、バッテリ１８の出力電圧（１次側電圧）は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の作用下に、所定の出力電圧（２次側電圧）に昇圧される。
【００３５】
さらに、燃料電池１２の出力電圧と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の２次側電圧とが略同一に、あるいは、所定の電圧差範囲内になった際、コンタクタ３０がオンされる。これにより、燃料電池１２からインバータ２６を介して駆動モータ２８に電流（電力）が供給されるとともに、エアコンプレッサ３４に電力の供給が行われる。
【００３６】
ここで、略同一、あるいは、所定の電圧差範囲内であれば、燃料電池１２の出力電圧又はＤＣ／ＤＣコンバータ２２の２次側電圧のいずれの電圧が高くてもよい。略同一、あるいは、所定の電圧差範囲内にすることにより、コンタクタ接点の溶着を防止することができるからである。また、所定の電圧差範囲内とする電圧差は、流れる電流とコンタクタ３０の特性とに依存するものの、通常、１２０Ｖ以内、好ましくは、９０Ｖ以内に設定される。
【００３７】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池１２を始動する際に、先ず、バッテリ１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を迂回するバイパスライン６２を介して給電回路２０に直接接続されている。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が停止された状態で、バッテリ１８からエアコンプレッサ３４に電力を直接供給することができる。
【００３８】
従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２によるＳＷ損失を回避することが可能になり、効率の向上が図られる。これにより、バッテリ１８からエアコンプレッサ３４に電力を効率的に供給するとともに、前記バッテリ１８の小型化が容易に可能になるという効果が得られる。
【００３９】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る始動方法を説明するタイミングチャートである。なお、この第２の実施形態は、第１の実施形態と同様に、燃料電池システム１０を用いており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が故障等によって操作不能である場合に適用される。
【００４０】
この第２の実施形態では、先ず、コンタクタ６０ａ、６０ｄがオンされることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の２次側コンデンサ４４にプリチャージが開始される。そして、コンタクタ６０ｂがオンされた後にコンタクタ６０ａがオフされることにより、プリチャージが終了する。このコンタクタ６０ａがオフされる際、燃料電池１２の出口側のコンタクタ３０がオンされて、前記燃料電池１２が給電回路２０に接続される。
【００４１】
さらに、燃料ガス供給装置１６及び酸化剤ガス供給装置１４が駆動されることにより、燃料電池１２の始動が開始される。次いで、コンタクタ６０ｃがオンされた後、コンタクタ６０ｄがオフされることにより、燃料電池システム１０は、燃料電池１２から供給される電力により運転が行われる。
【００４２】
このように、第２の実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に異常が発生した際にも、このＤＣ／ＤＣコンバータ２２を迂回してバッテリ１８がエアコンプレッサ３４に接続され、前記エアコンプレッサ３４に電力の供給を行うことができる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の異常に関わりなく、燃料電池１２を確実に始動させることができ、始動性の向上が図られるという効果が得られる。
【００４３】
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２及び燃料電池１２が故障した際には、コンタクタ６０ｂ、６０ｄをオン状態に維持することにより、バッテリ１８の電力のみによる走行が可能になる。
【００４４】
本発明は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る始動方法が適用される車載用の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記始動方法を説明するタイミングチャートである。
【図３】前記始動方法における電圧変化の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る始動方法を説明するタイミングチャートである。
【図５】前記始動方法における電圧変化の説明図である。
【図６】特許文献１の燃料電池の説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池
１４…酸化剤ガス供給装置            １６…燃料ガス供給装置
１８…バッテリ                      ２０…給電回路
２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ          ２４ａ、２４ｂ…バスライン
２６…インバータ                    ２８…駆動モータ
３０、６０ａ〜６０ｄ…コンタクタ    ３４…エアコンプレッサ
３８…水素タンク                    ４２、４４…コンデンサ
６２…バイパスライン
【図１】
0005227620.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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