(57)【要約】【課題】バッテリ等の充電量が制限されている場合であっても、確実に燃料電池の高電位化を回避することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】制御装置は、ステップＳ３００において燃料電池の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断した場合には（ステップＳ３００；ＹＥＳ）、余剰電力ΔＰをバッテリで吸収可能か否かを判断する（ステップＳ４００）。制御装置は、余剰電力ΔＰをバッテリで吸収できないと判断した場合には（ステップＳ４００；ＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータのエネルギー損失を増大させことで余剰電力ΔＰを吸収した後（ステップＳ５００）、処理を終了する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池から供給される電力を利用して所定のスイッチング周波数で駆動されるスイッチング素子を備えた電子機器と、
前記燃料電池において要求電力以上の余剰電力が生成された場合、前記所定のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で前記スイッチング素子を駆動することにより、前記余剰電力の少なくとも一部の電力を消費させる駆動制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記駆動制御手段は、
前記燃料電池に対する要求電力を算出する第１算出手段と、
前記要求電力に応じた前記燃料電池の出力電圧を算出する第２算出手段と、
算出した前記燃料電池の出力電圧が閾値電圧を超えているか否かを判断する判断手段と、
前記出力電圧が閾値電圧を超えていた場合には、前記出力電圧を強制的に下げる電圧制御手段と、
前記所定のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で前記スイッチング素子を駆動することにより、前記出力電圧を強制的に下げることによって生成される余剰電力の少なくとも一部の電力を消費させる制御手段と
を備え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】
前記余剰電力を前記蓄電器に蓄電できるか否かを判定する判定手段をさらに具備し、
前記制御手段は、前記余剰電力を蓄電できる場合には、前記電力を消費することなく前記余剰電力を前記蓄電器に蓄電する一方、前記余剰電力を蓄電できない場合には、前記前記所定のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で前記スイッチング素子を駆動することにより、前記出力電圧を強制的に下げることによって生成される余剰電力を消費させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の放電経路に介挿され、前記燃料電池と並列接続された蓄電器をさらに備え、
前記電子機器は、前記蓄電器と前記燃料電池との間に接続された前記所定のスイッチング周波数で駆動されるスイッチング素子を備えた電圧変換装置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの請求項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】
本発明は、燃料電池システム関する。
【背景技術】
【０００２】
石油依存の車社会の将来像が懸念されている現代では、水素を燃料とする燃料電池を搭載した自動車の普及が期待されている。燃料電池はセルを直列に積層したスタック構造を有しており、アノードに供給される水素を含む燃料ガスとカソードに供給される酸素を含む酸化ガスの電気化学反応を利用して発電を行っている。
【０００３】
この燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、耐久性向上の観点から、燃料電池の出力電圧が開回路電圧ＯＣＶに近い状態（別言すれば、燃料電池の一方の電極が高電位化する状態；以下、燃料電池の高電位化と総称）になることを回避する制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図５は、燃料電池の出力電流・出力電圧特性（Ｉ-Ｖ特性；実線）及び出力電流・出力電力（Ｉ-Ｐ特性；一点鎖線）を示す図であり、横軸に出力電流、左縦軸に出力電圧、右縦軸に出力電力を示す。
【０００５】
ここで、燃料電池の出力電圧Ｖ、出力電流Ｉは要求電力に基づき決定されるが、例えば図５の動作点α（Ｉ１，Ｖ１）に示すように、要求電力から求めた出力電圧が高電圧となる場合には、動作点α（Ｉ１，Ｖ１）を動作点β（Ｉ２，Ｖ２）にシフトさせ、燃料電池の出力電圧を強制的に下げる制御が行われる。このように燃料電池の出力電圧を強制的に下げると、燃料電池では要求電力以上の電力（図５に示す余剰電力ΔＰ参照）が生成されるため、従来は余剰電力ΔＰをバッテリに吸収（充電）させることで対応していた。
【０００６】
【特許文献１】特表２００３−５０４８０７号
【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、既にバッテリの充電量が規定値（限界値）に達している場合や、燃料電池の高電位化を回避する制御が行われている最中にバッテリの充電量が規定値に達している場合など、バッテリの充電量が制限されている場合には、バッテリ保護の観点から燃料電池の発電量を減らす（すなわち、燃料電池の出力電圧を上げる）しかなく、結局、燃料電池の高電位化を回避することができずに燃料電池の耐久性が低下してしまう等の問題が生じていた。
【０００８】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、バッテリ等の充電量が制限されている場合であっても、確実に燃料電池の高電位化を回避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する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池から供給される電力を利用して所定のスイッチング周波数で駆動されるスイッチング素子を備えた電子機器と、前記燃料電池において要求電力以上の余剰電力が生成された場合、前記所定のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で前記スイッチング素子を駆動することにより、前記余剰電力の少なくとも一部の電力を消費させる駆動制御手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
かかる構成によれば、燃料電池において余剰電力が生成された場合には、スイッチング素子を備えた電子機器について、所定のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数でスイッチング素子を駆動することにより、該電子機器でのエネルギー損失を増大させる。これにより、確実に燃料電池の高電位化を回避することが可能となる。
【００１１】
ここで、上記構成にあっては、前記駆動制御手段は、前記燃料電池に対する要求電力を算出する第１算出手段と、前記要求電力に応じた前記燃料電池の出力電圧を算出する第２算出手段と、算出した前記燃料電池の出力電圧が閾値電圧を超えているか否かを判断する判断手段と、前記出力電圧が閾値電圧を超えていた場合には、前記出力電圧を強制的に下げる電圧制御手段と、前記所定のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で前記スイッチング素子を駆動することにより、前記出力電圧を強制的に下げることによって生成される余剰電力の少なくとも一部の電力を消費させる制御手段とを備える態様が好ましい。
【００１２】
また、上記構成にあっては、前記余剰電力を前記蓄電器に蓄電できるか否かを判定する判定手段をさらに具備し、前記制御手段は、前記余剰電力を蓄電できる場合には、前記電力を消費することなく前記余剰電力を前記蓄電器に蓄電する一方、前記余剰電力を蓄電できない場合には、前記前記所定のスイッチング周波数よりも高いスイッチング周波数で前記スイッチング素子を駆動することにより、前記出力電圧を強制的に下げることによって生成される余剰電力を消費させる態様がさらに好ましい。
【００１３】
さらにまた、上記構成にあっては、前記燃料電池の放電経路に介挿され、前記燃料電池と並列接続された蓄電器をさらに備え、前記電子機器は、前記蓄電器と前記燃料電池との間に接続された前記所定のスイッチング周波数で駆動されるスイッチング素子を備えた電圧変換装置である態様が好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、バッテリ等の充電量が制限されている場合であっても、確実に燃料電池の高電位化を回避することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１７】
この車両は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結された同期モータ６１を駆動力源として走行する。同期モータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、同期モータ６１に供給される。同期モータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。
【００１８】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面にはＰｔ触媒（電極触媒）が塗布されている。なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
【００１９】
この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。
【００２０】
燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
【００２１】
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。
【００２２】
インバータ（電子機器）６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ（電子機器、電圧変換装置）３０は、例えば４つのパワー・トランジスタ（スイッチング素子）と専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。
【００２４】
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補記類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
【００２５】
上述した各要素の運転は制御装置１０によって制御される。制御装置１０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ている。
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給減７０、酸化ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。
【００２６】
本実施形態では、バッテリ２０の充電量が制限されている場合であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を上昇させ、該ＤＣ／ＤＣコンバータでのエネルギー損失を増大させることで、確実に燃料電池４０の高電位を回避する。以下、燃料電池４０の高電位化を回避する制御について詳細に説明する。
【００２７】
図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０におけるスイッチング周波数とエネルギー損失の関係を例示した図である。図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失は、スイッチング周波数が高くなるにつれ、増大する。ただし、スイッチング周波数を変動させたとしても、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の本来的な機能（電圧を設定する機能）は維持される。この特性を利用して、燃料電池４０の余剰電力をバッテリ２０で吸収しきれない（すなわち、バッテリ２０の充電量が制限されているためにバッテリ２０に充電できない）場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ではスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失を増大させる。これにより、確実に燃料電池４０の高電位化を回避することが可能となる。
【００２８】
ここで、図３は制御装置１０によって間欠的に実行される高電位化回避制御処理を示すフローチャートである。
制御装置（第１算出手段）１０は、燃料電池４０に対する要求電力を算出する（ステップＳ１００）。要求電力としては、例えば同期モータ６１や補機類５０を駆動するための電力である。そして、制御装置（第２算出手段）１０は、図５に示すようなＩ-Ｖ特性及びＩ-Ｐ特性をあらわす特性マップを利用して、要求電力に応じた燃料電池４０の出力電圧を算出する（ステップＳ２００）。この特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。なお、この特性マップの値は固定値しても良いが、逐次書き換え可能な値としても良い。
【００２９】
そして、制御装置（判断手段）１０は、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があるか否かを判断する（ステップＳ３００）。図５を例に説明すると、制御装置１０は、出力電圧と閾値電圧Ｖｔｈとを比較し、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えている場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断する一方、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以下である場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要はないと判断する。この閾値電圧Ｖｔｈは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。また、閾値電圧Ｖｔｈは固定値としても良いが、例えば周囲環境（外気温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど）に応じて逐次書き換え可能な値としても良い。
【００３０】
制御装置１０は、ステップＳ３００において燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要がないと判断した場合には（ステップＳ３００；ＮＯ）、燃料電池４０の高電位化を回避する制御は不要であるため、以下に示すステップを実行することなく処理を終了する。
【００３１】
一方、制御装置（電圧制御手段）１０は、ステップＳ３００において燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断した場合には（ステップＳ３００；ＹＥＳ）、該燃料電池４０の出力電圧を閾値電圧Ｖｔｈを下回る値まで強制的に下げる制御を行う。このとき、燃料電池４０の出力電圧を強制的にどの値まで下げるかは任意に設定可能である。そして、制御装置（判定手段）１０は、余剰電力ΔＰをバッテリ２０で吸収可能か否か（すなわち、バッテリ２０に蓄電できるか否か）を判断する（ステップＳ４００）。詳述すると、制御装置１０は、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるＳＯＣ値から検出し、バッテリ２０の残容量を把握するなどして余剰電力ΔＰをバッテリ２０で吸収できるか否かを判断する。
【００３２】
制御装置（制御手段）１０は、余剰電力ΔＰをバッテリ２０で吸収できると判断した場合には（ステップＳ４００；ＹＥＳ）、余剰電力ΔＰをバッテリ２０で吸収（バッテリ２０に蓄電）した後、処理を終了する。
一方、制御装置（制御手段）１０は、余剰電力ΔＰをバッテリ２０で吸収できないと判断した場合には（ステップＳ４００；ＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失を増大させことで余剰電力ΔＰを吸収した後（ステップＳ５００）、処理を終了する。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池４０の余剰電力をバッテリ２０で吸収しきれない（すなわち、バッテリ２０の充電量が制限されているためにバッテリ２０に充電できない）場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０ではスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失を増大させる。これにより、確実に燃料電池４０の高電位化を回避することが可能となる。
【００３４】
Ｂ．変形例
＜変形例１＞
上述した本実施形態では、制御装置１０が余剰電力ΔＰをバッテリ２０で吸収できないと判断した場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失を増大させことで（いいかえれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０で）余剰電力ΔＰを吸収したが、余剰電力ΔＰをバッテリ２０で吸収できる場合（すなわち、バッテリ２０の充電量が制限されていない場合）であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０で余剰電力ΔＰを吸収するようにしても良い。もちろん、一部の余剰電力ΔＰ１（＝ΔＰ−ΔＰ２）をバッテリ２０で吸収し、残りの余剰電力ΔＰ２（＝ΔＰ−ΔＰ１）をＤＣ／ＤＣコンバータ３０で吸収しても良い。
【００３５】
＜変形例２＞
上述した本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０で余剰電力ΔＰを吸収するようにしたが、スイッチング素子を備えたインバータ（電子機器）６０にも適用可能である。具体的には、インバータ６０を構成するスイッチング素子のスイッチング周波数を高く設定し、インバータ６０のエネルギー損失を増大させることで（いいかれば、インバータ６０で）余剰電力ΔＰを吸収しても良い。もちろん、インバータ６０に限る趣旨ではなく、燃料電池システム１００を構成するスイッチング素子を備えたあらゆる電子機器に適用可能である。
【００３６】
＜変形例３＞
図４は、変形例３に係るＤＣ／ＤＣコンバータ３０とバッテリ２０の近傍の要部拡大図である。
図４に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ３０とバッテリ２０との間には、補機類５０に並列に１４ＶＤＣ／ＤＣコンバータ３１が接続されている。１４ＶＤＣ／ＣＤコンバータ３０には、補機（電子機器）５１が接続されている。ここで、上記高電位回避制御処理中に余剰電力ΔＰが生じた場合には、例えば補機５１の駆動電圧を１２Ｖから１４Ｖに変更することで、補機５１で消費される電力を増大させ、これにより余剰電力ΔＰを吸収するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数とエネルギー損失の関係を例示した図である。
【図３】高電位回避制御処理を示すフローチャートである。
【図４】変形例３に係るＤＣ／ＤＣコンバータとバッテリの近傍の要部拡大図である。
【図５】燃料電池のＩ-Ｖ特性及びＩ-Ｐ特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・電源システム、１０・・・制御装置、１１・・・内部メモリ、２０・・・バッテリ、３０・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ、３１・・・１４ＶＤＣ／ＤＣコンバータ、４０・・・燃料電池、５０・・・補機類、５１・・・補機、６０・・・インバータ、７０・・・燃料ガス供給源、８０・・・酸化ガス供給源、９２・・・電圧センサ、９３・・・電流センサ、１００・・・燃料電池システム。
【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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