JP2009022153A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング損失を低減して、エネルギ効率をさらに向上できる燃料電池車両を提供すること。
【解決手段】燃料電池車両１は、直流電力を発電する燃料電池１０と、スイッチング素子を含みかつ燃料電池１０で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ１２２、５０１と、インバータ１２２、５０１から燃料電池１０に向かって電流が流れるのを防止するダイオード１３と、ダイオード１３のカソード側の電圧を調整する昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１と、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１を制御して燃料電池１０から出力される電流を制御する電圧制御部２０３と、燃料電池１０への空気の供給を停止することで燃料電池１０のアイドリングを停止するアイドリング停止判別部２０１と、を備える。電圧制御部２０３は、アイドリング停止判別部２０１の実行により燃料電池１０の電圧が低下するに従って、ダイオード１３のカソード側の電圧を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。詳しくは、スイッチング損失を低減して、エネルギ効率を向上できる燃料電池車両に関する。

近年、自動車の動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜と、で構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

以上のような燃料電池システムを備えた燃料電池車両では、燃料電池で発電した直流電力をインバータで交流電力に変換して、モータや補機に供給する。燃料電池とインバータとの間には、インバータから燃料電池に電流が流れるのを防止するために、燃料電池からインバータに向かう方向を順方向として、ダイオードが設けられる。

この燃料電池車両では、アイドリング停止時に、走行時と比べて、モータや補機で必要な電力量が減少する。そこで、アイドリング停止時には、インバータの電圧を燃料電池の電圧より高くする燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この燃料電池システムによれば、インバータの電圧を燃料電池の電圧より高くすることで、燃料電池からインバータを介してモータや補機に電流が流れるのを防止して、エネルギ効率を向上できる。
特開２００５−１９７０３０号公報

しかしながら、以上の燃料電池車両では、アイドリング停止時に、燃料電池の負荷が減少するため、この燃料電池の電圧が高くなる。そのため、上述のように、燃料電池からインバータを介してモータや補機に電流が流れるのを防止するためには、インバータの電圧を燃料電池の開放電圧以上に設定しなくてはならず、インバータが備えるスイッチング素子でのスイッチング損失が増大し、エネルギ効率を十分に向上できない場合があった。よって、スイッチング損失を低減して、エネルギ効率をさらに向上できる燃料電池車両が要請されている。

本発明は、スイッチング損失を低減して、エネルギ効率をさらに向上できる燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池車両（例えば、後述の燃料電池車両１）は、水素および空気の反応により直流電力を発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、スイッチング素子を含みかつ前記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換器（例えば、後述のインバータ５０１）と、を備える燃料電池車両であって、前記燃料電池と前記電力変換器との間に設けられ、前記電力変換器から前記燃料電池に向かって電流が流れるのを防止する整流器（例えば、後述のダイオード１３）と、前記整流器と前記電力変換器との間の電圧を調整する電圧調整装置（例えば、後述の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１）と、前記電圧調整装置を制御して、前記燃料電池から出力される電流を制御する燃料電池電流制御手段（例えば、後述の電圧制御部２０３）と、前記燃料電池への空気の供給を停止することで、前記燃料電池のアイドリング発電を停止するアイドリング停止手段（例えば、後述のアイドリング停止判別部２０１）と、を備え、前記燃料電池電流制御手段は、前記アイドリング停止手段が実行されると、前記整流器と前記電力変換器との間の電圧を低下させることを特徴とする。

ここで、燃料電池のアイドリング発電を停止させる場合とは、燃料電池車両のアイドリング停止時や、燃料電池から出力される電流を蓄電装置に蓄電しておき、この蓄電装置から供給される電力により走行するバッテリ走行時などを含む。
この発明によれば、アイドリング停止時やバッテリ走行時など、燃料電池のアイドリング発電を停止させる場合、アイドリング停止手段により、燃料電池への空気の供給を停止する。すると、燃料電池の発電量が低下して、燃料電池の電圧が低下するため、この燃料電池の電圧の低下に伴って、整流器と電力変換器との間の電圧を低下させる。これにより、電力変換器の電圧が低下するので、電力変換器や電圧調整装置が備えるスイッチング素子でのスイッチング損失を低減して、燃料電池車両のエネルギ効率をさらに向上できる。

この場合、前記燃料電池電流制御手段は、前記アイドリング停止手段が実行される場合、前記整流器と前記電力変換器との間の電圧を前記燃料電池の電圧より低くすることにより、前記燃料電池から電流を引いて、前記燃料電池の電圧の低下を促進することが好ましい。

この発明によれば、燃料電池電流制御手段により、アイドリング停止手段が実行される場合、整流器と電力変換器との間の電圧を燃料電池の電圧より低くすることにより、燃料電池から電流を引いて、燃料電池の電圧の低下を促進する。このため、燃料電池の電圧を早期に低下させることができるので、電力変換器の電圧も早期に低下させることができ、電力変換器や電圧調整装置が備えるスイッチング素子でのスイッチング損失をより低減して、燃料電池車両のエネルギ効率をより向上できる。

この場合、前記電力変換器には、車両を駆動するモータ（例えば、後述のモータ５０）が接続され、前記燃料電池には、当該モータが接続された電力変換器と、前記燃料電池から出力される電流を蓄電する蓄電装置（例えば、後述のエネスト３０）と、が並列に接続されることが好ましい。

この発明によれば、燃料電池から出力される電流を蓄電する蓄電装置を設けたので、燃料電池で発電した電力を有効活用できる。

この場合、前記燃料電池電流制御手段は、前記燃料電池のアイドリング発電停止時に残存する水素および空気による発電電流を前記蓄電装置に蓄電することが好ましい。

燃料電池のアイドリング発電を停止すると、この燃料電池は、残存する水素および空気により発電する。
そこで、この発明によれば、燃料電池の残存する水素および空気による発電電流を蓄電装置に蓄電したので、燃料電池で発電した電力を有効活用できる。

この場合、前記電圧調整装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、前記蓄電装置は、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、前記電力変換器と並列に前記燃料電池に接続され、前記燃料電池電流制御手段は、前記燃料電池の残存する水素および空気による発電電流を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子（例えば、後述の第２トランジスタ５２）の接続状態を維持して、電圧調整を行わずに前記蓄電装置に蓄電することが好ましい。

この発明によれば、燃料電池の残存する水素および空気による発電電流を蓄電装置に蓄電する際に、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子の接続状態を維持したので、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング損失が生じるのを防止できる。

この場合、前記整流器と前記電力変換器との間には、前記燃料電池車両の駆動に必要な補機（例えば、後述のエアポンプ１２および電装補機４０）が接続されることが好ましい。

補機の中には交流電力で駆動するものが含まれており、そのため、補機には、スイッチング素子を含みかつ燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換する補機用電力変換器が設けられる。
この発明によれば、整流器と電力変換器との間に補機を接続したので、整流器と電力変換器との間の電圧を低下させることで、上述の電力変換器の電圧と同様に、補機用電力変換器の電圧も低下させることができ、補機用電力変換器が備えるスイッチング素子でのスイッチング損失を低減して、燃料電池車両のエネルギ効率をさらに向上できる。

この場合、前記燃料電池電流制御手段は、前記整流器と前記電力変換器との間の電圧の下限値を、前記電力変換器、前記電圧調整装置、および前記補機のうち少なくとも一つの最低動作電圧以上とすることが好ましい。

この発明によれば、燃料電池電流制御手段により、整流器と電力変換器との間の電圧の下限値を、電力変換器または電圧調整装置の最低動作電圧以上とする。これにより、整流器と電力変換器との間の電圧を低下させた場合でも、電力変換器または電圧調整装置については、最低動作電圧を確保できることになり、不具合が発生するのを防止できる。

本発明によれば、アイドリング停止時やバッテリ走行時など、燃料電池のアイドリングを停止させる場合、アイドリング停止手段により、燃料電池への空気の供給を停止する。すると、燃料電池の電圧が低下するため、この燃料電池の電圧の低下に伴って、整流器と電力変換器との間の電圧を低下させる。これにより、電力変換器の電圧が低下するので、電力変換器や電圧調整装置が備えるスイッチング素子でのスイッチング損失を低減して、燃料電池車両のエネルギ効率をさらに向上できる。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両１のブロック図である。

燃料電池車両１は、水素ガスおよび空気が供給されると電気化学反応により電力を発電する燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスを供給する燃料タンク１１と、燃料電池１０に空気を供給する補機としてのエアポンプ１２と、燃料電池１０に供給する水素ガスおよび空気の量を制御する制御部２０と、燃料電池１０から出力される電流を蓄電する蓄電装置としてのエネスト３０と、燃料電池１０やエネスト３０から供給される電力により駆動するモータ５０と、を備える。

燃料電池１０には、整流器としてのダイオード１３のアノード側が接続され、ダイオード１３のカソード側には、電力変換器としてのインバータ５０１を介して、上述のモータ５０が接続される。つまり、燃料電池１０とインバータ５０１との間には、ダイオード１３が設けられる。
また、ダイオード１３のカソード側には、電圧調整装置としての昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１を介して、エネスト３０が接続される。つまり、燃料電池１０には、ダイオード１３を介して、インバータ５０１とエネスト３０とが並列に接続される。

さらに、ダイオード１３のカソード側には、電力変換器としてのインバータ１２２を介して、エアポンプ１２が接続されるほか、電装補機４０が接続される。つまり、ダイオード１３と昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１との間には、燃料電池車両１の駆動に必要な補機が接続される。

燃料電池１０は、水素ガスおよび空気が供給されると、電気化学反応により直流電力を発電する。
ダイオード１３は、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１、電装補機４０、およびインバータ１２２、５０１から燃料電池１０に向かって電流が流れるのを防止する。

エネスト３０は、燃料電池１０から出力される電流を蓄電するとともに、直流電力として出力する。
昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１は、制御部２０から送信される制御信号に基づいて、エネスト３０から出力される直流電力を昇圧して、ダイオード１３のカソード側に供給したり、ダイオード１３を介して燃料電池１０から供給される直流電力を降圧して、エネスト３０に供給したりする。

図２は、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１の回路図である。
昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１は、第１トランジスタ５１、第２トランジスタ５２、第１ダイオード５３、第２ダイオード５４、リアクタ５５、第１抵抗５６、第２抵抗５７、第１平滑コンデンサ５８、および第２平滑コンデンサ５９を備える。
この昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１には、正極側端子Ｐ５、Ｐ７および負極側端子Ｐ６、Ｐ８が設けられている。

リアクタ５５の一端側は、正極側端子Ｐ５に接続されている。
第１トランジスタ５１および第２トランジスタ５２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Mode Transistor）で構成される。第１トランジスタ５１のコレクタは、リアクタ５５の他端側に接続され、エミッタは、負極側端子Ｐ６、Ｐ８に接続され、ゲートは、図示しない制御回路に接続される。第２トランジスタ５２のコレクタは、正極側端子Ｐ７に接続され、エミッタは、リアクタ５５の他端側に接続され、ゲートは、図示しない制御回路に接続される。

また、第１トランジスタ５１のエミッタ・コレクタ間には、エミッタからコレクタに向かって順方向に第１ダイオード５３が接続され、第２トランジスタ５２のエミッタ・コレクタ間には、エミッタからコレクタに向かって順方向に第２ダイオード５４が接続される。

第１抵抗５６および第１平滑コンデンサ５８の一端側は、正極側端子Ｐ５に接続され、他端側は、負極側端子Ｐ６に接続される。
第２抵抗５７および第２平滑コンデンサ５９の一端側は、正極側端子Ｐ７に接続され、他端側は、負極側端子Ｐ８に接続される。

この昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１は、以下のように動作する。
すなわち、まず、第１トランジスタ５１および第２トランジスタ５２をオフ状態とし、正極側端子Ｐ５に直流電力を供給すると、この直流電力に応じた電圧が第１平滑コンデンサ５８に印加され、第１平滑コンデンサ５８の充電が開始される。

次に、第１平滑コンデンサ５８の充電が完了した後、第１トランジスタ５１をオンすると、正極側端子Ｐ５からリアクタ５５および第１トランジスタ５１を介して負極側端子Ｐ６に電流が流れる。この電流により、リアクタ５５は励磁され、磁気エネルギが蓄積される。

次に、第１トランジスタ５１をオフすると、リアクタ５５に、蓄積された磁気エネルギにより逆起電力が発生する。この逆起電力は、第１平滑コンデンサ５８の電圧に重畳され、正極側端子Ｐ７から出力される。

すなわち、第１トランジスタ５１および第２トランジスタ５２のオン、オフを制御しつつ、正極側端子Ｐ５に直流電力を供給すると、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１は、正極側端子Ｐ５に供給された直流電力に応じた電圧を昇圧して、正極側端子Ｐ７から出力する。

図１に戻って、エアポンプ１２は、三相交流モータからなるモータ１２１を有し、制御部２０から送信される制御信号に基づいて、モータ１２１を駆動することで、燃料電池１０に空気を供給する。
モータ５０は、三相交流モータであり、交流電力により車輪（図示省略）を駆動する。

インバータ１２２、５０１は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｍｏｄｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）といったスイッチング素子を有し、燃料電池１０で発電した直流電力、または、エネスト３０から昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１を介して出力された直流電力を、交流電力に変換する。
電装補機４０は、例えば、スイッチング素子を備えるダウンバータ（図示省略）を含んで構成される。

制御部２０は、アイドリング停止手段としてのアイドリング停止判別部２０１と、目標電圧算出部２０２と、燃料電池電流制御手段としての電圧制御部２０３と、アイドリング停止解除部２０４と、を備える。

アイドリング停止判別部２０１は、燃料電池車両１がアイドリング停止時であるか否かを判別し、アイドリング停止時であると判別した場合には、エアポンプ１２から燃料電池１０への空気の供給を停止して、燃料電池１０のアイドリング発電を停止させる。具体的には、車速計測部（図示省略）で計測した燃料電池車両１の車速が所定値以下であれば、アイドリング停止時であると判別し、エアポンプ１２にモータ１２１の停止を要求する信号を送信する。

アイドリング停止解除部２０４は、車速が所定値以上である場合、アクセルが所定量以上踏下された場合、または、モータ１２１の出力が所定値以上である場合に、アイドリング発電の停止を解除する。

電圧制御部２０３は、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１を制御して、燃料電池１０から出力される電流を制御する。
具体的には、電圧制御部２０３は、アイドリング停止判別部２０１により燃料電池１０のアイドリング発電が停止すると、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１に目標電圧値を電圧指令として送信する。燃料電池１０は、アイドリング発電が停止すると、残存する水素および空気により発電するが、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１により、燃料電池１０のディスチャージを行って、燃料電池１０から出力される電流をエネスト３０に蓄電するとともに、燃料電池１０の電圧ＶＦＣを低下させ、その後、燃料電池１０から電流が流れるのを防止する。

目標電圧算出部２０２は、電圧計１４で測定した燃料電池１０の電圧ＶＦＣに基づいて、ダイオード１３と昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１との間の電圧、本実施形態ではダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の目標電圧を設定する。
すなわち、燃料電池１０のディスチャージを行う場合には、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の目標電圧を、燃料電池１０の電圧ＶＦＣよりマージンＶｍだけ低く設定する。
燃料電池１０のディスチャージが完了した場合には、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の目標電圧を、燃料電池１０の電圧ＶＦＣよりマージンＶｍだけ高く設定する。

なお、マージンＶｍは、電圧計１４の精度に基づいて設定される。
また、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の目標電圧の下限値を、機器最低動作電圧とする。ここで、機器最低動作電圧とは、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１、電装補機４０、およびインバータ１２２、５０１の最低動作電圧のうち最も高いものであり、制御部２０の記憶部（図示省略）に予め記憶されている。

以上の燃料電池車両１の動作を、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
ステップＳＴ１において、アイドリング停止時であるか否かを判別する。具体的には、アイドリング停止判別部２０１により、燃料電池車両１の車速が所定値以下であれば、アイドリング停止時であると判別して、ステップＳＴ２に移る。一方、燃料電池車両１の車速が所定値より大きければ、アイドリング停止時ではないと判別して、ステップＳＴ１を繰り返す。

ステップＳＴ２において、燃料電池１０のディスチャージが完了したか否かを判別する。具体的には、制御部２０により、燃料電池１０の電圧ＶＦＣが所定値以下であれば、燃料電池１０のディスチャージが完了したと判別して、ステップＳＴ４に移る。一方、燃料電池１０の電圧ＶＦＣが所定値より高ければ、燃料電池１０のディスチャージが完了していないと判別して、ステップＳＴ３に移る。

ステップＳＴ３において、燃料電池１０のディスチャージを行い、ステップＳＴ１に移る。
具体的には、電圧制御部２０３により、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２を、燃料電池１０の電圧ＶＦＣよりも低くする。すると、燃料電池１０から電流が引かれて、燃料電池１０で発電した直流電力が取り出されるので、燃料電池１０の電圧ＶＦＣが低下する。
なお、燃料電池１０から取り出された直流電力は、エネスト３０が満充電の状態ではなく、かつ、エネスト３０の電圧Ｖ１が燃料電池１０の電圧ＶＦＣより低い状態であれば、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１で降圧され、エネスト３０で蓄電される。

また、アイドリング停止判別部２０１により、エアポンプ１２にモータ１２１の停止を要求する制御信号を送信して、エアポンプ１２から燃料電池１０への空気の供給を停止する。すると、燃料電池１０のカソード電極側で酸欠が生じ、燃料電池１０での発電量が低下するので、燃料電池１０の電圧ＶＦＣが低下する。

以上のように、燃料電池１０のディスチャージと、燃料電池１０への空気の供給の停止と、により、燃料電池１０の電圧ＶＦＣが低下し、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２が低下する。
電圧制御部２０３は、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２を燃料電池１０の電圧ＶＦＣより低くするため、燃料電池１０の電圧ＶＦＣの低下を促進して、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の低下を促進する。

ステップＳＴ４において、制御部２０により、燃料電池１０の電圧ＶＦＣとマージンＶｍとの和が、機器最低動作電圧以上か否かを判別する。この判別がＹＥＳであれば、ステップＳＴ６に移り、ＮＯであれば、ステップＳＴ５に移る。

ステップＳＴ５において、目標電圧算出部２０２により、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の目標電圧に、機器最低動作電圧を設定し、電圧制御部２０３により、ダイオード１３のカソード側を機器最低動作電圧として、ステップＳＴ１に移る。これにより、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１、電装補機４０、およびインバータ１２２、５０１について、機器最低動作電圧が確保される。また、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２が、燃料電池１０の電圧ＶＦＣより高くなるため、燃料電池１０からダイオード１３を介して電流が流れない。

ステップＳＴ６において、目標電圧算出部２０２により、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の目標電圧に、燃料電池１０の電圧ＶＦＣとマージンＶｍとの和を設定し、電圧制御部２０３により、ダイオード１３のカソード側をこの目標電圧として、ステップＳＴ１に移る。これにより、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２が、燃料電池１０の電圧ＶＦＣより高くなるため、燃料電池１０からダイオード１３を介して電流が流れない。

図４は、燃料電池車両１のアイドリング停止時のタイミングチャートである。
時刻ｔ１において、燃料電池車両１の車速が所定値以下になると、アイドリング停止判別部２０１により、アイドリング停止時であると判別し、アイドリング停止要求信号をＬレベルからＨレベルにして、モータ１２１の停止を要求する信号をエアポンプ１２に送信する。

時刻ｔ２からｔ３の期間において、エアポンプ１２のモータ１２１の回転数が低下し、エアポンプ１２から燃料電池１０に供給する空気の量が減少する。その結果、燃料電池１０のカソード電極側が酸欠状態となり、燃料電池１０での発電量が低下するので、燃料電池１０から出力される燃料電池電流が減少する。
また、モータ１２１での消費電力が低下するので、燃料電池１０の負荷が減少する。このため、燃料電池１０の電圧ＶＦＣである燃料電池電圧が上昇し、時刻ｔ３ではＶｆｃ１となる。

ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２、すなわち機器供給電圧は、燃料電池電圧の上昇に伴って上昇し、時刻ｔ３ではＶｄ１となる。すると、電装補機４０およびインバータ１２２、５０１の電圧が高くなる。

時刻ｔ３からｔ６の期間において、引き続き、エアポンプ１２から燃料電池１０に供給する空気の量が減少し、時刻ｔ５において、燃料電池１０への空気供給量はゼロとなる。このため、燃料電池１０のカソード電極側は、さらに酸欠状態となり、燃料電池１０での発電量が低下し、燃料電池電圧が低下するとともに、燃料電池１０から出力される燃料電池電流が減少して、時刻ｔ４ではＩｆｃとなる。
また、燃料電池１０のディスチャージにより、燃料電池１０から電流が引かれて、燃料電池１０で発電した直流電力が取り出され、燃料電池電圧の低下が促進される。

以上のように、燃料電池１０への空気の供給の停止と、燃料電池１０のディスチャージと、により、燃料電池電圧が低下して、時刻ｔ６ではＶｆｃ２となる。
機器供給電圧は、燃料電池電圧の低下に伴って低下し、その結果、電装補機４０およびインバータ１２２、５０１の電圧が低下するので、スイッチング素子でのスイッチング損失が減少し、時刻ｔ３からｔ６の期間では、機器駆動効率が向上する。

時刻ｔ６において、ディスチャージが完了したので、機器供給電圧は、燃料電池電圧Ｖｆｃ２よりマージンＶｍだけ高いＶｄ２となる。すると、燃料電池電流がゼロとなるとともに、電装補機４０およびインバータ１２２、５０１の電圧が高くなる。

時刻ｔ６からｔ７の期間において、燃料電池電圧は、自然放電により次第に低下して、時刻ｔ７ではＶｆｃ３となる。また、燃料電池電圧の低下に伴って、機器供給電圧も低下し、時刻ｔ７ではＶｄ３となる。すると、電装補機４０およびインバータ１２２、５０１の電圧が低くなるので、スイッチング素子でのスイッチング損失が減少し、時刻ｔ６からｔ７の期間では、機器駆動効率が向上する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池１０のアイドリングを停止させる場合、アイドリング停止判別部２０１により、エアポンプ１２にモータ１２１の停止を要求する信号を送信して、エアポンプ１２から燃料電池１０への空気の供給を停止した。すると、燃料電池１０の発電量が低下して、燃料電池１０の電圧が低下するため、この燃料電池１０の電圧の低下に従って、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２を低下させた。これにより、電装補機４０およびインバータ１２２、５０１の電圧が低下するので、これらが備えるスイッチング素子でのスイッチング損失を低減できるうえに、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１のスイッチング素子でのスイッチング損失を低減できる。よって、燃料電池車両１のエネルギ効率をさらに向上できる。

（２）燃料電池１０のアイドリングを停止させる場合、目標電圧算出部２０２により、ダイオード１３のカソード側の電圧を燃料電池１０の電圧より低く設定し、電圧制御部２０３により、この設定した電圧までダイオード１３のカソード側の電圧を低下させた。このため、燃料電池１０から電流を引いて、燃料電池１０で発電した直流電力を取り出し、この燃料電池１０の電圧を早期に低下させることができる。その結果、電装補機４０およびインバータ１２２、５０１の電圧も早期に低下させることができるので、これらが備えるスイッチング素子でのスイッチング損失をより低減して、燃料電池車両１のエネルギ効率をより向上できる。

（３）燃料電池１０から出力される電流を蓄電するエネスト３０を設けたので、燃料電池１０のディスチャージを行う場合に、燃料電池１０から出力される電流を蓄電でき、燃料電池１０で発電した電力を有効活用できる。

（４）目標電圧算出部２０２により、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の下限値を、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１、電装補機４０、およびインバータ１２２、５０１の最低動作電圧のうち最も高いものに設定した。これにより、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１によりダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２を低下させた場合でも、電装補機４０、およびインバータ１２２、５０１の全ての最低動作電圧を確保できることになるので、想定以上に電圧が低下するのを防止して、不具合が発生するのを防止できる。

（５）マージンＶｍを、燃料電池１０の電圧ＶＦＣを測定する電圧計１４の精度に基づいて設定し、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の目標電圧を設定する際に、このマージンＶｍを用いた。すなわち、電圧計１４により測定する燃料電池１０の電圧ＶＦＣに測定誤差が含まれることを考慮して、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２の目標電圧を設定した。このため、燃料電池１０の電圧ＶＦＣに測定誤差が生じても、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２を燃料電池１０の電圧ＶＦＣより低くして、燃料電池１０のディスチャージを行うことができるとともに、ダイオード１３のカソード側の電圧Ｖ２を燃料電池１０の電圧ＶＦＣより高くして、燃料電池１０からダイオード１３を介して電流が出力されるのを防止できる。

（６）燃料電池１０の残存する水素および空気による発電電流をエネスト３０に蓄電したので、燃料電池１０で発電した電力を有効活用できる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。

例えば、上述の実施形態では、アイドリング停止時に、燃料電池１０のアイドリングを停止させたが、これに限らず、エネスト３０から供給される直流電力により走行するバッテリ走行時に、燃料電池１０のアイドリングを停止させてもよい。

また、燃料電池１０のディスチャージを行う場合、電圧制御部２０３により、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１を構成する第１トランジスタ５１を接続せず、第２トランジスタ５２の接続状態を維持して、電圧調整を行わずにエネスト３０に蓄電してもよい。
このようにすれば、以下のような効果がある。

（７）燃料電池１０の残存する水素および空気による発電電流をエネスト３０に蓄電する際に、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１を構成する第１トランジスタ５１を接続せず、第２トランジスタ５２の接続状態を維持したので、昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ３０１のスイッチング損失が生じるのを防止できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池車両のブロック図である。 前記燃料電池車両のＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示すブロック図である。 前記燃料電池車両の動作を説明するためのフローチャートである。 前記燃料電池車両のアイドリング停止時のタイミングチャートである。

符号の説明

１…燃料電池車両
１０…燃料電池
１１…燃料タンク
１２…エアポンプ（補機）
１３…ダイオード（整流器）
２０…制御部
３０…エネスト（蓄電装置）
４０…電装補機
５０…モータ
５２…第２トランジスタ（スイッチング素子）
１２２、５０１…インバータ（電力変換器）
２０１…アイドリング停止判別部（アイドリング停止手段）
２０２…目標電圧算出部
２０３…電圧制御部（燃料電池電流制御手段）
３０１…昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整装置）

Claims (7)

1. 水素および空気の反応により直流電力を発電する燃料電池と、スイッチング素子を含みかつ前記燃料電池で発電した直流電力を交流電力に変換する電力変換器と、を備える燃料電池車両であって、
   前記燃料電池と前記電力変換器との間に設けられ、前記電力変換器から前記燃料電池に向かって電流が流れるのを防止する整流器と、
   前記整流器と前記電力変換器との間の電圧を調整する電圧調整装置と、
   前記電圧調整装置を制御して、前記燃料電池から出力される電流を制御する燃料電池電流制御手段と、
   前記燃料電池への空気の供給を停止することで、前記燃料電池のアイドリング発電を停止するアイドリング停止手段と、を備え、
   前記燃料電池電流制御手段は、前記アイドリング停止手段が実行されると、前記整流器と前記電力変換器との間の電圧を低下させることを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両において、
   前記燃料電池電流制御手段は、前記アイドリング停止手段が実行される場合、前記整流器と前記電力変換器との間の電圧を前記燃料電池の電圧より低くすることにより、前記燃料電池から電流を引いて、前記燃料電池の電圧の低下を促進することを特徴とする燃料電池車両。
3. 請求項２に記載の燃料電池車両において、
   前記電力変換器には、車両を駆動するモータが接続され、
   前記燃料電池には、当該モータが接続された電力変換器と、前記燃料電池から出力される電流を蓄電する蓄電装置と、が並列に接続されることを特徴とする燃料電池車両。
4. 請求項３に記載の燃料電池車両において、
   前記燃料電池電流制御手段は、前記燃料電池のアイドリング発電停止時に残存する水素および空気による発電電流を前記蓄電装置に蓄電することを特徴とする燃料電池車両。
5. 請求項４に記載の燃料電池車両において、
   前記電圧調整装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
   前記蓄電装置は、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、前記電力変換器と並列に前記燃料電池に接続され、
   前記燃料電池電流制御手段は、前記燃料電池の残存する水素および空気による発電電流を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子の接続状態を維持して、電圧調整を行わずに前記蓄電装置に蓄電することを特徴とする燃料電池車両。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池車両において、
   前記整流器と前記電力変換器との間には、前記燃料電池車両の駆動に必要な補機が接続されることを特徴とする燃料電池車両。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池車両において、
   前記燃料電池電流制御手段は、前記整流器と前記電力変換器との間の電圧の下限値を、前記電力変換器または前記電圧調整装置の最低動作電圧以上とすることを特徴とする燃料電池車両。

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