燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池系统。


背景技术：

2.以往，例如已知有在燃料电池启动时从蓄电装置向空气泵供给电力的燃料电池系统(例如参照专利文献1(日本特开2017-228377号公报)及专利文献2(日本特开2009-224036号公报))。


技术实现要素：

3.发明要解决的课题
4.此外，在上述的以往技术的燃料电池系统中，通过具备对燃料电池的输出电压进行控制的电力变换电路来应对接受电力供给的驱动马达等负载的高输出化，并且希望抑制结构的复杂化的同时确保燃料电池的正确的启动，并同时提高燃料电池的运转时的电力效率。然而，当向燃料电池供给氧化剂气体的空气泵的启动及驱动继续时所需的电力的供给路径不适当时，会发生结构所需的费用升高并且不能提高运转效率这样的问题。
5.本发明的目的在于，提供能够抑制结构所需的费用升高的同时提高运转效率的燃料电池系统。
6.用于解决课题的方案
7.本发明的燃料电池系统具有以下的结构。
8.(1)本发明的一方案的燃料电池系统具备：燃料电池堆；氧化剂气体供给装置，其向所述燃料电池堆供给氧化剂气体；电力控制装置，其具备第一电路部和第二电路部，该第一电路部与所述燃料电池堆的输出端子连接，并且对来自所述燃料电池堆的输入进行升压的电力变换，该第二电路部对来自所述燃料电池堆的输入进行升压及对向所述氧化剂气体供给装置的输出进行降压这两个方向的电力变换。
9.(2)在上述(1)的方案的燃料电池系统的基础上，也可以是，所述电力控制装置具备针对所述升压的电力变换而被输入电力的输入部、针对所述升压的电力变换而输出电力并且针对所述降压的电力变换而被输入电力的输入输出部、以及针对所述降压的电力变换而输出电力的输出部，所述第一电路部具备与所述输入输出部的负极端子连接的第一开关元件及第一续流二极管、在所述第一开关元件与所述输入输出部的正极端子之间从所述第一开关元件朝向所述输入输出部的正极端子而顺向连接的二极管、以及在所述第一开关元件及所述二极管与所述输入部的正极端子之间连接的第一电抗器，所述第二电路部具备与所述输入输出部的负极端子连接的第二开关元件及第二续流二极管、与所述输入输出部的正极端子连接的第三开关元件及第三续流二极管、以及在所述第二开关元件及所述第三开关元件与所述输入部的正极端子之间连接的第二电抗器。
10.(3)在上述(2)的方案的燃料电池系统的基础上，也可以是，所述电力控制装置具备在所述输入部的正极端子与所述输出部的正极端子之间从所述输入部的正极端子朝向
所述输出部的正极端子而顺向连接的第二二极管。
11.(4)在上述(2)或(3)的方案的燃料电池系统的基础上，也可以是，根据所述降压所需的电力量而设置所述第三开关元件。
12.发明效果
13.根据(1)的方案，具备第一电路部及第二电路部，由此对来自燃料电池堆的输入进行升压的电力变换的电力控制装置的一部分(即第二电路部)对向与燃料电池堆的输出端子直接连接的氧化剂气体供给装置的输出进行降压的电力变换。由此，在燃料电池系统启动时，能够通过由电力控制装置的一部分进行的降压的电力变换所得到的电力来起动氧化剂气体供给装置，能够抑制装置的结构所需的费用升高的同时进行正确的起动。在燃料电池系统启动后，能够通过由燃料电池堆的发电得到的电力来使氧化剂气体供给装置的驱动继续，例如与始终将蓄电装置的电力向氧化剂气体供给装置供给的情况等相比，能够提高燃料电池系统的运转效率。
14.根据(2)的方案，在第一电路部和第二电路部中不同的点在于，与输入输出部的正极端子连接的开关元件(与第二电路部的第三开关元件相当)的有无，由此能够抑制装置的结构所需的费用升高的同时利用电力控制装置的一部分(即第二电路部)来进行升压及降压这两个方向的电力变换。
15.根据(3)的方案，通过具备第二二极管，能够防止电流从输出部经由输入部向燃料电池堆流动。
16.根据(4)的方案，能够抑制电力控制装置的结构变得过度复杂，抑制结构所需的费用的增大。
附图说明
17.图1是示意性地表示搭载有本发明的实施方式的燃料电池系统的车辆的结构的图。
18.图2是表示本发明的实施方式的燃料电池系统的结构的图。
19.图3是表示本发明的实施方式的变形例的燃料电池系统的电力控制部的降压方向的电力与高位侧的开关元件的相数之间的对应关系的一例的图。
20.图4是表示本发明的实施方式的变形例的燃料电池系统的电力控制部的降压方向的电力与高位侧的开关元件的相数之间的对应关系的另一例的图。
21.图5是表示本发明的实施方式的变形例的燃料电池系统的结构的图。
22.附图标记说明：
23.1...车辆、10，10a...燃料电池系统、11...燃料电池堆、13...空气泵(氧化剂气体供给装置)、15，15a...电力控制部(电力控制装置)、21...输入部、22...输入输出部、23...输出部、24...二极管(第二二极管)、31...第一电路部、32...第二电路部、33...第一桥接电路、33a...二极管、33b...晶体管(第一开关元件)、33c...续流二极管(第一续流二极管)、34...第一复合型电抗器(第一电抗器)、34a...线圈(第一电抗器)、35...第二桥接电路、35a...晶体管(第三开关元件)、35b...晶体管(第二开关元件)、35c...二极管(第三续流二极管)、35d...二极管(第二续流二极管)、36...第二复合型电抗器(第二电抗器)、36a...线圈(第二电抗器)。
具体实施方式
24.以下，参照附图来说明具备本发明的实施方式的燃料电池系统10的车辆1。
25.图1是示意性地表示搭载有实施方式的燃料电池系统10的车辆1的结构的图。图2是表示实施方式的燃料电池系统10的结构的图。
26.实施方式的燃料电池系统10搭载于例如以燃料电池为动力源的燃料电池车辆等车辆1。
27.车辆1例如具备蓄电池3、蓄电池控制部5、动力控制部7、行驶驱动用的马达9。
28.蓄电池3例如是作为车辆1的动力源的高压的蓄电池。蓄电池3具备蓄电池壳体和收容于蓄电池壳体内的多个蓄电池模块。蓄电池模块具备串联连接的多个蓄电池单体。
29.蓄电池控制部5例如是具备进行升压及降压这两个方向的电力变换的dc-dc转换器等的电力变换装置。
30.动力控制部7例如是具备进行直流与交流之间的电力变换的逆变器等的电力变换装置。动力控制部7例如控制马达9的运力运行及再生。动力控制部7在马达9运力运行时，将从蓄电池控制部5或燃料电池系统10输入的直流电力变换为三相交流电力并向马达9供给，由此产生旋转驱动力。动力控制部7在马达9再生时，将从马达9输入的三相交流电力变换为直流电力并向蓄电池3供给，由此能够对蓄电池3进行充电。
31.燃料电池系统10具备燃料电池堆(fc)11、空气泵(a/p)13、电力控制部15、电子控制单元(ecu)17及栅极驱动单元(g/d)19。
32.燃料电池堆(fc)11例如是固体高分子型燃料电池。例如，固体高分子型燃料电池具备层叠的多个燃料电池单体和将多个燃料电池单体的层叠体夹入的一对端板。燃料电池单体具备电解质电极构造体和将电解质电极构造体夹入的一对分隔件。电解质电极构造体具备固体高分子电解质膜和将固体高分子电解质膜夹入的燃料极及氧极。固体高分子电解质膜具备阳离子交换膜等。燃料极(阳极)具备阳极催化剂及气体扩散层等。氧极(阴极)具备阴极催化剂及气体扩散层等。
33.燃料电池堆11通过从燃料箱(省略图示)向阳极供给的燃料气体与从空气泵13向阴极供给的包含氧的空气等氧化剂气体之间的催化剂反应来发电。
34.燃料电池堆11的输出端子与电力控制部15的输入部21连接。
35.空气泵13向燃料电池堆11的阴极供给作为氧化剂气体的空气。空气泵13与电力控制部15的输出部23连接。空气泵13在燃料电池系统10启动时等燃料电池堆11的发电停止时通过从经由电力控制部15而连接的蓄电池3供给的电力来驱动。
36.空气泵13与燃料电池堆11的输出端子连接。空气泵13在燃料电池系统10运转时等燃料电池堆11发电时通过从燃料电池堆11供给的电力来驱动。
37.电力控制部15是具备进行升压及降压这两个方向的电力变换的dc-dc转换器等的电力变换装置。电力控制部15具备与燃料电池堆11的输出端子连接的输入部21、与蓄电池控制部5及动力控制部7连接的输入输出部22、以及与空气泵13连接的输出部23。输入部21具备正极端子(p1)21p及负极端子(n1)21n。输入输出部22具备正极端子(p2)22p及负极端子(n2)22n。输出部23具备正极端子(p3)23p及负极端子(n3)23n。
38.电力控制部15例如在输入部21的正极端子(p1)21p与输出部23的正极端子(p3)23p之间，具备从正极端子(p1)21p朝向正极端子(p3)23p而顺向连接的二极管24。例如，输
入部21的负极端子(n1)21n、输入输出部22的负极端子(n2)22n及输出部23的负极端子(n3)23n经由共用的母线等而互相连接。
39.电力控制部15具备：进行升压的电力变换的第一电路部31；进行升压及降压这两个方向的电力变换的第二电路部32；平滑电容器c。
40.第一电路部31例如具备第一桥接电路33和第一复合型电抗器34。
41.第一桥接电路33例如具备通过两相而桥连接的多个开关元件及整流元件。例如，开关元件是mosfet(metal oxide semi-conductor field effect transistor)等晶体管。例如，整流元件为二极管。第一桥接电路33的各相例如具备：高侧臂(high side arm)的二极管33a；低侧臂(low side arm)的晶体管33b及续流二极管33c。
42.高侧臂的二极管33a的阴极与输入输出部22的正极端子(p2)22p连接。低侧臂的晶体管33b的发射极与输入输出部22的负极端子(n2)22n连接。高侧臂的二极管33a的阳极与低侧臂的晶体管33b的集电极连接。低侧臂的续流二极管33c在晶体管33b的集电极-发射极间从发射极朝向集电极而顺向连接。
43.第一复合型电抗器34具备例如互为相反极性地磁耦合的两相的线圈34a。各相的线圈34a的第一端部与输入部21的正极端子(p1)21p连接。各相的线圈34a的第二端部与第一桥接电路33的各相的高侧臂的二极管33a的阳极和低侧臂的晶体管33b的集电极连接。
44.第一电路部31基于从栅极驱动单元19向各相的晶体管33b的栅极输入的开关指令即栅极信号，来使各晶体管33b在接通(导通)/断开(截止)之间切换。第一电路部31将起因于燃料电池堆11的发电而从输入部21输入的电力升压，并从输入输出部22输出升压后的电力。第一电路部31在各晶体管33b接通(导通)时通过第一复合型电抗器34的直流励磁来蓄积磁能。第一电路部31通过在各晶体管33b断开(截止)时由第一复合型电抗器34的磁能产生的感应电压和施加于输入部21的电压叠加，来使输入输出部22产生比输入部21高的电压。
45.第二电路部32例如具备第二桥接电路35和第二复合型电抗器36。
46.第二桥接电路35具备例如通过两相桥连接的多个开关元件及整流元件。例如，开关元件是mosfet(metal oxide semi-conductor field effect transistor)等晶体管。例如，整流元件为二极管。第二桥接电路35的各相例如具备成对的高侧臂及低侧臂的晶体管35a、35b及续流二极管35c、35d。
47.高侧臂的晶体管35a的集电极与输入输出部22的正极端子(p2)22p连接。低侧臂的晶体管35b的发射极与输入输出部22的负极端子(n2)22n连接。高侧臂的晶体管35a的发射极与低侧臂的晶体管33b的集电极连接。高侧臂及低侧臂的各续流二极管35c、35d在各晶体管35a、35b的集电极-发射极间从发射极朝向集电极而顺向连接。
48.第二复合型电抗器36具备例如互为相反极性地磁耦合的两相的线圈36a。各相的线圈36a的第一端部与输出部23的正极端子(p3)23p连接。各相的线圈36a的第二端部与第二桥接电路35的各相的高侧臂的晶体管35a的阳极和低侧臂的晶体管35b的集电极连接。
49.例如，第二电路部32的结构相当于对第一电路部31的结构追加高侧臂的开关元件而得到的结构。
50.第二电路部32基于从栅极驱动单元19向各相的各晶体管35a、35b的栅极输入的开关指令即栅极信号，来使各晶体管35a、35b在接通(导通)与断开(截止)之间切换。
51.第二电路部32在升压时与第一电路部31同样，使起因于燃料电池堆11的发电而从输入部21输入的电力升压，并从输入输出部22输出升压后的电力。第二电路部32在高侧臂的各晶体管35a的断开(截止)及低侧臂的各晶体管35b接通(导通)时通过第二复合型电抗器36的直流励磁来蓄积磁能。第二电路部32通过在高侧臂的各晶体管35a的接通(导通)及低侧臂的各晶体管33b的断开(截止)时由第二复合型电抗器36的磁能产生的感应电压与施加于输入部21的电压的叠加，来使输入输出部22产生比输入部21高的电压。
52.第二电路部32在降压时，将从输入输出部22输入的电力降压，并将降压后的电力从输出部23向空气泵13输出。第二电路部32在高侧臂的各晶体管35a接通(导通)及低侧臂的各晶体管33b断开(截止)时通过第二复合型电抗器36的直流励磁来蓄积磁能。第二电路部32通过在高侧臂的各晶体管35a的断开(截止)及低侧臂的各晶体管35b的接通(导通)时由第二复合型电抗器36的磁能产生的感应电压的降压，来使输出部23产生比输入输出部22低的电压。
53.电子控制单元17控制燃料电池系统10的动作。例如，电子控制单元17是通过由cpu(central processing unit)等处理器执行规定的程序来发挥功能的软件功能部。软件功能部是具备cpu等处理器、保存程序的rom(read only memory)、暂时存储数据的ram(random access memory)及计时器等电子电路的ecu(electronic control unit)。需要说明的是，电子控制单元17的至少一部分也可以是lsi(large scale integration)等集成电路。
54.例如，电子控制单元17在燃料电池系统10启动时及发电继续时等生成向栅极驱动单元19输入的控制信号。控制信号是表示驱动电力控制部15的各开关元件进行接通(导通)/断开(截止)的时机的信号。
55.例如，电子控制单元17对于电力控制部15的第一电路部31及第二电路部32，分别通过所谓的两相的交错来驱动各桥接电路33、35的各开关元件。电子控制单元17在升压时及降压时，分别使各桥接电路33、35的两相中的第一相的开关元件的开关控制的1周期与两相中的第二相的开关元件的开关控制的1周期相互错开半周期。
56.栅极驱动单元19基于从电子控制单元17领取的控制信号，来生成用于实际驱动电力控制部15的各开关元件进行接通(导通)/断开(截止)的栅极信号。例如，栅极驱动单元19执行控制信号的放大及电位移位等，生成栅极信号。例如，栅极驱动单元19生成与电力控制部15的升压时的升压电压指令或电力控制部15的降压时的降压电压指令相应的占空比的栅极信号。占空比例如是各开关元件的接通时间的比率。
57.电子控制单元17在燃料电池系统10启动时起动空气泵13而从空气泵13向燃料电池堆11的阴极开始空气的供给的情况下，执行电力控制部15的降压的电力变换。电力控制部15使输入到输入输出部22的电力降压，并从输出部23向空气泵13输出降压后的电力。输入到输入输出部22的电力是例如从蓄电池3经由蓄电池控制部5而输出的电力或通过马达9的再生而从动力控制部7输出的电力等。
58.电子控制单元17在燃料电池系统10启动后燃料电池堆11的发电继续的情况下，执行电力控制部15的升压的电力变换。电力控制部15使从燃料电池堆11输入到输入部21的电力升压，并从输入输出部22输出升压后的电力。在该情况下，从燃料电池堆11直接供给空气泵13的驱动所需的电力。从电力控制部15的输入输出部22输出的电力经由蓄电池控制部5
向蓄电池3供给或经由动力控制部7向马达9供给。
59.如上所述，实施方式的燃料电池系统10具备除了针对来自燃料电池堆11的输入进行升压以外还针对向与燃料电池堆11的输出端子连接的空气泵13的输出进行降压的电力变换的第二电路部32。由此，在燃料电池系统10启动时，能够利用通过由电力控制部15的一部分(即第二电路部32)进行的降压的电力变换得到的电力来起动空气泵13，能够抑制装置的结构所需的费用升高的同时进行正确的起动。在燃料电池系统10启动后，能够利用通过燃料电池堆11的发电得到的电力来继续驱动空气泵13，例如，与始终将蓄电池3的电力向空气泵13供给的情况等相比，能够提高燃料电池系统10的运转效率。
60.在电力控制部15的第一电路部31和第二电路部32中不同的点在于，高侧臂的开关元件(相当于第二电路部32的晶体管35a)的有无，由此能够抑制装置的结构所需的费用升高的同时利用电力控制部15的一部分(即第二电路部32)来进行升压及降压这两个方向的电力变换。电力控制部15在输入部21的正极端子21p与输出部23的正极端子23p之间具备从输入部21的正极端子21p朝向输出部23的正极端子23p而顺向连接的二极管24，由此能够防止电流从输出部23经由输入部21向燃料电池堆11流动。
61.(变形例)
62.以下，说明实施方式的变形例。需要说明的是，关于与上述的实施方式相同的部分，标注同一附图标记而省略或简化说明。
63.在上述的实施方式中，第一电路部31及第二电路部32分别具备两相的桥接电路(第一桥接电路33及第二桥接电路35)，但不限定于此。电力控制部15也可以作为第一电路部31及第二电路部32的整体而具备多相的桥接电路。
64.在上述的实施方式中，电力控制部15具备将两相的线圈34a一体化的第一复合型电抗器34及将两相的线圈36a一体化的第二复合型电抗器36，但不限定于此。例如，电力控制部15也可以代替第一复合型电抗器34及第二复合型电抗器36中的至少任一个，而具备针对每相独立的(即未与其他相一体化)的多个电抗器(例如2个或4个电抗器)。
65.在上述的实施方式中，进行升压的电力变换的第一电路部31的相数、以及进行升压及降压这两个方向的电力变换的第二电路部32的相数分别为两相，但不限定于此。
66.进行升压的电力变换的第一电路部31的相数、以及进行升压及降压这两个方向的电力变换的第二电路部32的相数分别为至少一相以上的适当的相数即可。
67.例如，进行升压的电力变换的第一电路部31的相数与进行升压及降压这两个方向的电力变换的第二电路部32的相数的组合也可以根据电力控制部15的降压动作所需的电力量来设定。
68.图3是表示实施方式的变形例的燃料电池系统10的电力控制部15的降压方向的电力与高位侧的开关元件的相数之间的对应关系的一例的图。
69.在图3所示的一例中，电力控制部15的相数(即第一电路部31的相数与第二电路部32的相数的合计相数)为四相，电力控制部15的升压方向的最大电力量pmax为规定电力量p4。高位侧的开关元件的相数、即进行升压及降压这两个方向的电力变换的第二电路部32的相数在降压方向所需的电力量为最大电力量pmax的1/2(p2＝pmax/2)以下的情况下为两相，在降压方向所需的电力量比最大电力量pmax的1/2(p2＝pmax/2)大并且为最大电力量pmax以下的情况下为四相。
70.图4是表示实施方式的变形例的燃料电池系统10的电力控制部15的降压方向的电力与高位侧的开关元件的相数之间的对应关系的另一例的图。
71.在图4所示的一例中，电力控制部15的相数(即第一电路部31的相数与第二电路部32的相数的合计相数)为四相，电力控制部15的升压方向的最大电力量pmax为规定电力量p4。高位侧的开关元件的相数、即进行升压及降压这两个方向的电力变换的第二电路部32的相数在降压方向所需的电力量为最大电力量pmax的1/4(p1＝pmax/4)以下的情况下为一相。高位侧的开关元件的相数在降压方向所需的电力量比最大电力量pmax的1/4(p1＝pmax/4)大并且为最大电力量pmax的1/2(p2＝pmax/2)以下的情况下为两相。第二电路部32的相数在降压方向所需的电力量比最大电力量pmax的1/2(p2＝pmax/2)大并且为最大电力量pmax的3/4(p3＝pmax
·
3/4)以下的情况下为三相。第二电路部32的相数在降压方向所需的电力量比最大电力量pmax的3/4(p3＝pmax
·
3/4)大并且为最大电力量pmax以下的情况下为四相。
72.图5是表示实施方式的变形例的燃料电池系统10a的结构的图。
73.图5所示的变形例的燃料电池系统10a对应于图4所示的一例的降压方向所需的电力量为最大电力量pmax的1/4(p1＝pmax/4)以下的情况。
74.变形例的燃料电池系统10a代替上述的实施方式的燃料电池系统10的电力控制部15而具备电力控制部15a。变形例的电力控制部15a具备三相的第一电路部31和一相的第二电路部32。
75.三相的第一电路部31具备：高侧臂的3个二极管33a；低侧臂的晶体管33b及续流二极管33c各3个；3个线圈34a。
76.一相的第二电路部32具备：高侧臂的晶体管35a及续流二极管35c各1个；低侧臂的晶体管35b及续流二极管35d各1个。
77.在上述的实施方式中，说明了燃料电池系统搭载于将燃料电池中发电得到的电力作为行驶用的电力或车载设备的动作用的电力进行使用的燃料电池车辆的例子，但不限定于此。该系统也可以搭载于二轮、三轮、四轮等的机动车、其他移动体(例如船舶、飞行体、机器人)，另外，还可以搭载于固定设置型、可移动型的燃料电池系统。
78.本发明的实施方式是作为例子而提示的实施方式，并不意在限定发明的范围。上述那些实施方式能够以其他各种形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。上述那些实施方式、其变形与包含于发明的范围、主旨同样地，包含于技术方案所记载的发明和其等同的范围内。