(57)【要約】【課題】燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化を抑制する。【解決手段】燃料電池システム１０は、バッテリ１２と走行用モータ１５とを接続する第１接続ライン２１に配置される第１電圧調整装置１３と、第１接続ライン２１上におけるバッテリ１２と第１電圧調整装置１３との間と燃料電池スタック１１とを接続する第２接続ライン２２に配置される第２電圧調整装置１４と、を備える。燃料電池スタック１１の開放電圧は、バッテリ１２の下限電圧よりも高く設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置と、
負荷と、
前記蓄電装置と前記負荷とを接続する第１接続ラインに配置される第１電圧調整装置と、
燃料電池と、
前記第１接続ライン上における前記蓄電装置と前記第１電圧調整装置との間と前記燃料電池とを接続する第２接続ラインに配置される第２電圧調整装置と、
を備え、
前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の下限電圧よりも高く設定されている、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の上限電圧よりも高く設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の目標残容量の開放電圧以下に設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の上限電圧以下に設定されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の出力電圧を蓄電装置の充電電圧に変換する充電用電圧コンバータと、蓄電装置の出力電圧を負荷に印加する設定出力電圧に変換する出力用電圧コンバータとを備える電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３２８９５５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、上記従来技術に係る電源装置によれば、燃料電池の出力電圧と蓄電装置の端子電圧との関係については考慮されていないので、電源装置の作動状態に応じた燃料電池の過大な電位上昇に起因して劣化が生じる場合がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る燃料電池システムは、蓄電装置（例えば、実施形態でのバッテリ１２）と、負荷（例えば、実施形態での走行用モータ１５）と、前記蓄電装置と前記負荷とを接続する第１接続ライン（例えば、実施形態での第１接続ライン２１）に配置される第１電圧調整装置（例えば、実施形態での第１電圧調整装置１３）と、燃料電池（例えば、実施形態での燃料電池スタック１１）と、前記第１接続ライン上における前記蓄電装置と前記第１電圧調整装置との間と前記燃料電池とを接続する第２接続ライン（例えば、実施形態での第２接続ライン２２）に配置される第２電圧調整装置（例えば、実施形態での第２電圧調整装置１４）と、を備え、前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の下限電圧よりも高く設定されている。
【０００７】
（２）上記（１）に記載の燃料電池システムでは、前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の上限電圧よりも高く設定されてもよい。
【０００８】
（３）上記（１）に記載の燃料電池システムでは、前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の目標残容量の開放電圧以下に設定されてもよい。
【０００９】
（４）上記（１）に記載の燃料電池システムでは、前記燃料電池の開放電圧は、前記蓄電装置の上限電圧以下に設定されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
上記（１）に記載の態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の開放電圧は、蓄電装置の下限電圧よりも高く設定されているので、燃料電池の開放電圧が蓄電装置の電圧以上であれば、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態となっても、燃料電池からの出力を継続することができる。これにより燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。さらに、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態であれば、第２電圧調整装置における損失無しに燃料電池の出力を蓄電装置または負荷に供給することができる。
【００１１】
さらに、上記（２）の場合、燃料電池の開放電圧は、蓄電装置の上限電圧よりも高く設定されているので、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態となっても、燃料電池からの出力を継続することができる。これにより燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。
【００１２】
さらに、上記（３）の場合、燃料電池の開放電圧は、蓄電装置の目標残容量の開放電圧以下に設定されているので、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態となっても、蓄電装置の残容量が目標残容量または目標残容量の近傍に到達するまで燃料電池からの出力を継続することができる。これにより蓄電装置の充電状態を適切に維持することができるとともに、燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。
【００１３】
さらに、上記（４）の場合、燃料電池の開放電圧は、蓄電装置の上限電圧以下に設定されているので、第２電圧調整装置を介して蓄電装置および燃料電池が直結状態となっても、蓄電装置は上限電圧を超えないようにして燃料電池から充電される。これにより蓄電装置の上限電圧未満の電圧範囲において燃料電池を積極的に出力させることができ、燃料電池における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載する車両の走行状態に応じた通電状態を示す図であり、（Ａ）は低負荷時の通電状態を示す図であり、（Ｂ）は回生時の通電状態を示す図であり、（Ｃ）は高負荷時の通電状態を示す図であり、（Ｄ）はＥＶ走行時の通電状態を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックおよびバッテリの各々の電流電圧特性を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの動作例を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの走行用モータの電力、燃料電池スタックの目標発電電力、燃料電池スタックの発電停止判定フラグ、第１電圧調整装置の昇圧フラグ、並びにバッテリの端子電圧および燃料電池スタックの出力電圧の各々の時間変化の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態の第１変形例に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックおよびバッテリの各々の電流電圧特性を示す図である。
【図７】本発明の実施形態の第２変形例に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックおよびバッテリの各々の電流電圧特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて添付図面を参照しながら説明する。
【００１６】
実施形態による燃料電池システム１０は、例えば車両１に搭載されている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック（ＦＣ）１１と、バッテリ（ＢＡＴ）１２と、第１電圧調整装置（ＶＣＵ１）１３と、第２電圧調整装置（ＶＣＵ２）１４と、走行用モータ（Ｍ）１５と、パワードライブユニット（ＰＤＵ）１６と、エアポンプ（ＡＰ）１７と、制御装置１８とを備えている。バッテリ１２とパワードライブユニット１６とは、第１接続ライン２１によって接続されている。第１電圧調整装置１３は、第１接続ライン２１においてバッテリ１２とパワードライブユニット１６との間に配置されている。第１接続ライン２１上におけるバッテリ１２と第１電圧調整装置１３との間と燃料電池スタック１１とは、第２接続ライン２２によって接続されている。第２電圧調整装置１４は、第２接続ライン２２において第１接続ライン２１の接続点と燃料電池スタック１１との間に配置されている。
【００１７】
燃料電池スタック１１は、積層された複数の燃料電池セルの積層体と、この積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレートとを備えている。各燃料電池セルは、電解質電極構造体と、この電解質電極構造体を挟持する一対のセパレータとを備えている。電解質電極構造体は、陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を挟み込む燃料極および酸素極とを備えている。燃料極（アノード）は、アノード触媒およびガス拡散層からなり、酸素極（カソード）は、カソード触媒およびガス拡散層からなる。
【００１８】
燃料電池スタック１１のカソードには酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアポンプ１７から供給され、アノードには水素を含む燃料ガス（反応ガス）が高圧の水素タンク（図示略）などから供給される。
これらの反応ガスの供給時に、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流電力を発生する。このときカソードにおいては、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【００１９】
バッテリ１２は、例えば高圧系のＮｉ−ＭＨ型またはリチウムイオン型などの２次電池である。
第１電圧調整装置１３および第２電圧調整装置１４の各々は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータなどを備え、制御装置１８の制御に応じて電力の授受に対する電圧調整を行なう。第１電圧調整装置１３は、バッテリ１２とパワードライブユニット１６との間で双方向の通電を調整する。第１電圧調整装置１３は、例えば、バッテリ１２とパワードライブユニット１６とを直結状態にして双方向に通電させる、またはバッテリ１２の端子電圧を昇圧してパワードライブユニット１６に印加する。第２電圧調整装置１４は、燃料電池スタック１１からバッテリ１２、第１電圧調整装置１３、およびエアポンプ１７の各々へ向かう方向の通電を調整する。第２電圧調整装置１４は、例えば、燃料電池スタック１１とバッテリ１２とを直結状態にして燃料電池スタック１１からバッテリ１２に向かう方向にのみ通電させる。また第２電圧調整装置１４は、例えば、燃料電池スタック１１の出力電圧を昇圧してバッテリ１２、第１電圧調整装置１３、およびエアポンプ（ＡＰ）１７の少なくとも何れか１つに印加する。これにより第２電圧調整装置１４は、燃料電池スタック１１の出力電流を調整する。
【００２０】
走行用モータ１５は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の３相のＤＣブラシレスモータであって、パワードライブユニット１６による制御に応じて力行運転および発電運転を行なう。例えば、走行用モータ１５は、各相のコイルに交流の相電流が通電されることで力行運転を行ない、変速機（図示略）を介して駆動輪を駆動する。また、車両１の減速時などにおいて駆動輪側から駆動力が伝達されることで発電運転（回生運転）を行ない、発電電力（回生電力）を出力する。
【００２１】
パワードライブユニット１６は、例えばトランジスタなどのスイッチング素子を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路および平滑コンデンサなどを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるインバータを備えている。このインバータは、例えば走行用モータ１５の力行運転時において、制御装置１８から出力されるＰＷＭ信号に基づき、各相毎に対をなす各スイッチング素子のオン（導通）／オフ（遮断）を切り替える。これによって、第１電圧調整装置１３から供給される直流電力を３相交流電力に変換し、走行用モータ１５の各相のコイルへの通電を順次転流させることで、交流の各相電流を走行用モータ１５に通電する。一方、インバータは、例えば走行用モータ１５の発電運転時において、走行用モータ１５のロータの回転角に基づいて同期がとられたゲート信号に応じて各スイッチング素子をオン（導通）／オフ（遮断）を切り替える。これによって、走行用モータ１５から出力される交流の発電電力を直流電力に変換する。
【００２２】
エアポンプ１７は、例えばエアポンプ用インバータから出力される交流電力によって回転駆動されるポンプ駆動用モータ（図示略）を備える電動コンプレッサであって、外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気を反応ガスとして燃料電池スタック１１のカソードに供給する。エアポンプ用インバータは、例えばＰＷＭインバータなどであり、制御装置１８から出力される制御信号に基づき、第２電圧調整装置１４から供給される直流電力によって、エアポンプ１７のポンプ駆動用モータを回転駆動する。
【００２３】
制御装置１８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの各種の記憶媒体と、タイマーとなどの電子回路により構成されるＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）を備えている。
制御装置１８は、例えば車両１のイグニッションスイッチおよびパワースイッチから出力される指令信号に応じて燃料電池システム１０の動作を制御する。なお、イグニッションスイッチは、運転者の操作に応じて車両１の起動および停止を指示する指令信号を出力する。また、パワースイッチは、運転者の操作に応じて燃料電池スタック１１の起動（例えば、エアポンプ１７の起動など）を指示する指令信号を出力する。
【００２４】
実施形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、以下に、この燃料電池システム１０の動作について説明する。
【００２５】
制御装置１８は、例えば車両１の低負荷（つまり負荷が所定値未満）での走行状態などにおいて、図２（Ａ）に示すように、第１電圧調整装置１３を直結状態とし、第２電圧調整装置１４を昇圧状態とする。これにより制御装置１８は、バッテリ１２の端子電圧をパワードライブユニット１６に印加するとともに、燃料電池スタック１１の出力電圧を昇圧してパワードライブユニット１６およびエアポンプ１７に印加する。
【００２６】
制御装置１８は、例えば車両１の減速回生での走行状態などにおいて、図２（Ｂ）に示すように、第１電圧調整装置１３を直結状態とし、第２電圧調整装置１４を昇圧状態とする。これにより制御装置１８は、走行用モータ１５の回生電圧をバッテリ１２に印加するとともに、燃料電池スタック１１の出力電圧を昇圧してバッテリ１２およびエアポンプ１７に印加する。
【００２７】
制御装置１８は、例えば車両１の高負荷（つまり負荷が所定値以上）での走行状態などにおいて、図２（Ｃ）に示すように、第１電圧調整装置１３および第２電圧調整装置１４を昇圧状態とする。これにより制御装置１８は、バッテリ１２の端子電圧を昇圧してパワードライブユニット１６に印加するとともに、燃料電池スタック１１の出力電圧を昇圧してパワードライブユニット１６およびエアポンプ１７に印加する。
【００２８】
制御装置１８は、例えば車両１のＥＶ走行での走行状態などにおいて、図２（Ｄ）に示すように、第２電圧調整装置１４を直結状態とし、第１電圧調整装置１３を直結または昇圧状態とする。これにより制御装置１８は、燃料電池スタック１１の出力電圧をバッテリ１２の端子電圧と等しくし、バッテリ１２の端子電圧を、第１電圧調整装置１３を介してパワードライブユニット１６に印加する。なお、車両１のＥＶ走行は、バッテリ１２から供給される電力により走行用モータ１５の駆動力で走行する状態である。
【００２９】
実施形態による燃料電池システム１０において、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、図３に示すように、バッテリ１２の下限残容量（下限ＳＯＣ）の開放電圧よりも高く設定されている。つまり、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の放電側において下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）よりも高く設定されている。さらに、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の上限残容量（上限ＳＯＣ）の開放電圧よりも高く設定されている。つまり、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の放電側において上限電圧（ＢＡＴ上限電圧）よりも高く設定されている。
これにより、一方向昇圧の第２電圧調整装置１４は、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の端子電圧よりも大きい状態で直結状態となる。第２電圧調整装置１４の直結状態では、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の端子電圧に等しくなる。燃料電池スタック１１の出力電流は、ゼロよりも大きく、かつ所定電流ａ１以下に維持される。所定電流ａ１は、燃料電池スタック１１の上限電圧（ＦＣ上限電圧）がバッテリ１２の上限電圧（ＢＡＴ上限電圧）に等しくなるときの燃料電池スタック１１の出力電流である。燃料電池スタック１１の上限電圧（ＦＣ上限電圧）は、第２電圧調整装置１４の直結状態における燃料電池スタック１１の出力電圧（＝ＢＡＴ上限電圧）であり、燃料電池スタック１１の開放電圧に応じて変化する。
【００３０】
実施形態による燃料電池システム１０において、制御装置１８は、図４に示すように、発電停止要求があるか否か、または燃料電池スタック１１の上限電力制限値が所定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ０１）。
この判定結果が「ＮＯ」の場合、制御装置１８は、処理をステップＳ０２に進める。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合、制御装置１８は、処理をステップＳ０３に進める。
そして、制御装置１８は、通常制御として、第１電圧調整装置１３の昇圧または直結と、第２電圧調整装置１４の昇圧とを制御する（ステップＳ０２）。そして、制御装置１８は、処理を終了させる。
また、制御装置１８は、第２電圧調整装置１４を昇圧状態から直結状態へと切り替える（ステップＳ０３）。そして、制御装置１８は、処理を終了させる。
【００３１】
実施形態による燃料電池システム１０は、図５に示す時刻ｔ１以前のように、燃料電池スタック１１の発電停止要求が無く、かつ燃料電池スタック１１の上限電力制限値が所定値以上である場合には、通常制御の実行状態となる。この場合、少なくとも第２電圧調整装置１４が昇圧状態となり、燃料電池スタック１１の出力電圧が昇圧される。
そして、燃料電池システム１０は、図５に示す時刻ｔ１以降のように、燃料電池スタック１１の発電停止要求が有る場合、または燃料電池スタック１１の上限電力制限値が所定値未満である場合には、第２電圧調整装置１４が直結状態となる。この場合、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の端子電圧に等しくなる。さらに、車両１のＥＶ走行状態においては、第１電圧調整装置１３が直結状態となり、走行用モータ１５の電力が所定値（第１電圧調整装置１３の直結状態に対応する電力閾値）未満となる。
【００３２】
上述したように、実施形態による燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１１の開放電圧は、バッテリ１２の下限電圧よりも高く設定されているので、燃料電池スタック１１の開放電圧がバッテリ１２の端子電圧以上であれば、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態となっても、燃料電池スタック１１からの出力を継続することができる。これにより燃料電池スタック１１における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。さらに、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態であれば、第２電圧調整装置１４における損失無しに燃料電池スタック１１の出力をバッテリ１２または走行用モータ１５などの負荷に供給することができる。
さらに、燃料電池スタック１１の開放電圧は、バッテリ１２の上限電圧よりも高く設定されているので、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態となっても、燃料電池スタック１１からの出力を継続することができる。これにより燃料電池スタック１１における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。
【００３３】
以下に、第１の変形例について説明する。
上述した実施形態において、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の上限残容量（上限ＳＯＣ）の開放電圧よりも高く設定されているとしたが、これに限定されない。
燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、図６に示すように、バッテリ１２の目標残容量（目標ＳＯＣ）の開放電圧（目標ＳＯＣ開放電圧）以下に設定されてもよい。つまり、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の放電側において、下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）よりも高く、かつ目標ＳＯＣ開放電圧以下に設定されている。
これにより、燃料電池スタック１１の出力電流は、ゼロよりも大きく、かつ所定電流ａ２以下に維持される。所定電流ａ２は、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）に等しくなるときの燃料電池スタック１１の出力電流である。つまり第２電圧調整装置１４の直結状態において、バッテリ１２が目標残容量または目標残容量の近傍に到達するまで燃料電池スタック１１からの出力が維持される。
【００３４】
第１の変形例によれば、燃料電池スタック１１の開放電圧は、バッテリ１２の目標残容量の開放電圧以下に設定されているので、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態となっても、バッテリ１２の残容量が目標残容量または目標残容量の近傍に到達するまで燃料電池スタック１１からの出力を継続することができる。これによりバッテリ１２の充電状態を適切に維持することができるとともに、燃料電池スタック１１における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。
【００３５】
以下に、第２の変形例について説明する。
上述した実施形態において、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の上限残容量（上限ＳＯＣ）の開放電圧よりも高く設定されているとしたが、これに限定されない。
燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、図７に示すように、バッテリ１２の上限残容量（上限ＳＯＣ）の開放電圧以下に設定されてもよい。つまり、燃料電池スタック１１の開放電圧（ＦＣ開放電圧）は、バッテリ１２の放電側において、下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）よりも高く、かつ上限電圧（ＢＡＴ上限電圧）以下に設定されている。
これにより、燃料電池スタック１１の出力電流は、ゼロよりも大きく、かつ所定電流ａ３以下に維持される。所定電流ａ３は、燃料電池スタック１１の出力電圧がバッテリ１２の下限電圧（ＢＡＴ下限電圧）に等しくなるときの燃料電池スタック１１の出力電流である。つまり第２電圧調整装置１４の直結状態において、バッテリ１２が上限電圧に到達するまで燃料電池スタック１１からの出力が維持される。
【００３６】
第２の変形例によれば、燃料電池スタック１１の開放電圧は、バッテリ１２の上限電圧以下に設定されているので、第２電圧調整装置１４を介してバッテリ１２および燃料電池スタック１１が直結状態となっても、バッテリ１２は上限電圧を超えないようにして燃料電池スタック１１から充電される。これによりバッテリ１２の上限電圧未満の電圧範囲において燃料電池スタック１１を積極的に出力させることができ、燃料電池スタック１１における過大な電位上昇に起因する劣化の発生を防止することができる。
【００３７】
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１…車両、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック（燃料電池）、１２…バッテリ（蓄電装置）、１３…第１電圧調整装置、１４…第２電圧調整装置、１５…走行用モータ（負荷）、２１…第１接続ライン、２２…第２接続ライン
【図１】
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【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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【図７】
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