燃料電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供一種即使在異常時也能夠極力驅動的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)（11）具備：燃料電池（12），通過燃料氣體與氧化氣體的電化學反應而進行發(fā)電；蓄電池（21），進行電力的蓄電或電力的供給；以及驅動電動機（13），接受電力的供給而進行驅動，該燃料電池系統(tǒng)具備：燃料電池供給路徑（A），設于燃料電池（12）與驅動電動機（13）之間；蓄電池電力供給路徑（B），從蓄電池（21）延伸而與燃料電池電力供給路徑（A）連接；以及斷路裝置（15），設置得比燃料電池電力供給路徑（A）與蓄電池電力供給路徑（B）之間的連接點（C）靠燃料電池（12）側。
【專利說明】燃料電池系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及具備燃料電池的燃料電池系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]例如，在混合動力車輛、電動車輛中，從搭載于車輛的電池向電動機的電力供給經(jīng)由升壓轉換器電路、逆變器電路等進行。在具備這種電動機的車輛中，已知有在電源路徑上設有由斷路元件構成的斷路裝置的結構，在超過斷路電流值的電流流過時將電流切斷(例如參照專利文獻I)。
[0003]專利文獻1:日本特開2007-68336號公報
【發(fā)明內容】
[0004]然而，以通過反應氣體(燃料氣體及氧化氣體)的電化學反應而進行發(fā)電的燃料電池為能源的燃料電池系統(tǒng)中，通常都具備燃料電池及蓄電池這兩個電力供給源。在這種燃料電池系統(tǒng)中，若斷路裝置配置于逆變器電路與電動機之間，則在燃料電池或蓄電池發(fā)生異常而通過斷路裝置將電路切斷時，處于無法向電動機供電的狀態(tài)，難以自行向退避場所移動。
[0005]本發(fā)明鑒于上述情況而作出，目的在于提供一種即使在異常時也能夠極力驅動的燃料電池系統(tǒng)。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)具備:
[0007]燃料電池，通過燃料氣體與氧化氣體的電化學反應而進行發(fā)電；
[0008]蓄電池，進行電力的蓄電或電力的供給；以及
[0009]驅動源，接受電力的供給而進行驅動，
[0010]上述燃料電池系統(tǒng)還具備:
[0011]燃料電池電力供給路徑，設于上述燃料電池與上述驅動源之間；
[0012]蓄電池電力供給路徑，從上述蓄電池延伸而與上述燃料電池供給路徑連接；以及
[0013]斷路裝置，設置得比上述燃料電池電力供給路徑與上述蓄電池電力供給路徑之間的連接點靠上述燃料電池側或上述蓄電池側。
[0014]根據(jù)上述結構的燃料電池系統(tǒng)，當因系統(tǒng)異常使斷路裝置工作而將電路切斷時，不再從燃料電池或蓄電池向驅動源供給電力。然而，即使在這種情況下，也能夠將來自蓄電池及燃料電池中的任一方的電力向驅動源供給，在車輛等搭載有燃料電池系統(tǒng)的情況下，能夠驅動驅動源而自行向退避場所等移動。
[0015]另外，在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，
[0016]上述斷路裝置在過載時或短路時工作而將電路切斷。
[0017]另外，在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，
[0018]設有使上述燃料電池的發(fā)電電力升壓的第一轉換器和使上述蓄電池的放電電力升壓的第二轉換器中的至少一方，[0019]在上述第一轉換器設于上述燃料電池電力供給路徑時，上述斷路裝置設于上述第一轉換器的后段。
[0020]另外，在本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)中，也可以是，
[0021]設有使上述燃料電池的發(fā)電電力升壓的第一轉換器和使上述蓄電池的放電電力升壓的第二轉換器中的至少一方，
[0022]在上述第一轉換器設于上述燃料電池電力供給路徑時，上述斷路裝置設于上述第一轉換器的前段。
[0023]本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)也可以是，具備:
[0024]燃料電池，通過燃料氣體與氧化氣體的電化學反應而進行發(fā)電；以及
[0025]驅動源，接受電力的供給而進行驅動，
[0026]上述燃料電池系統(tǒng)具備:
[0027]燃料電池電力供給路徑，設于上述燃料電池與上述驅動源之間；以及
[0028]斷路裝置，設于上述燃料電池電力供給路徑，
[0029]上述斷路裝置在過載時或短路時工作而將電路切斷。
[0030]發(fā)明效果
[0031]根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)，即使在異常時也能夠極力驅動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明的實施方式的燃料電池系統(tǒng)的概略電路圖。
[0033]圖2是設于燃料電池系統(tǒng)的斷路裝置的側視圖。
[0034]圖3是說明斷路裝置的動作的側視圖。
[0035]圖4是說明斷路裝置的動作的側視圖。
[0036]圖5是表示熔斷式的熔絲的熔斷特性的曲線圖。
[0037]圖6是表示電磁式的斷路裝置的動作特性的曲線圖。
[0038]圖7是第一變形例的燃料電池系統(tǒng)的概略電路圖。
[0039]圖8是第二變形例的燃料電池系統(tǒng)的概略電路圖。
[0040]圖9是第三變形例的燃料電池系統(tǒng)的概略電路圖。
[0041]圖10是第四變形例的燃料電池系統(tǒng)的概略電路圖。
[0042]附圖標記說明
[0043]11燃料電池系統(tǒng)
[0044]12燃料電池
[0045]13驅動電動機(驅動源)
[0046]15斷路裝置
[0047]21蓄電池
[0048]A燃料電池電力供給路徑
[0049]B蓄電池電力供給路徑
[0050]C連接點
【具體實施方式】[0051]以下，參照附圖，說明本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實施方式。在本實施方式中，說明將本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)用作為燃料電池車輛(FCHV ;Fuel Cell Hybrid Vehicle)的車載發(fā)電系統(tǒng)的情況。
[0052]參照圖1，說明本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結構。圖1是概略性地表示實施方式中的燃料電池系統(tǒng)的構成圖。
[0053]如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)11具備通過作為反應氣體的氧化氣體與燃料氣體的電化學反應而產(chǎn)生電力的燃料電池12。
[0054]燃料電池12例如是高分子電解質型燃料電池，形成將多個單電池層疊而成的疊層結構。單電池形成如下結構:在由離子交換膜構成的電解質的一面上具有空氣極，在另一面上具有燃料極，而且，具有從兩側夾持空氣極及燃料極的一對隔板。在這種情況下，向一個隔板的氫氣流路供給氫氣，向另一個隔板的氧化氣體流路供給作為氧化氣體的空氣，這些反應氣體進行化學反應，從而產(chǎn)生電力。
[0055]該燃料電池12與用于使車輛行駛的驅動電動機13連接，并向驅動電動機13供給電力。
[0056]在從該燃料電池12向驅動電動機13供電的燃料電池電力供給路徑A上，從燃料電池12側依次連接有FC升壓轉換器(第一轉換器)14、斷路裝置15、繼電器16及驅動逆變器17。另外，斷路裝置15及繼電器16的配置可以顛倒。
[0057]這樣一來，在燃料電池系統(tǒng)11中，由燃料電池12發(fā)電產(chǎn)生的電力通過FC升壓轉換器14而進行升壓，經(jīng)由驅動逆變器17而向驅動電動機13供電。
[0058]驅動電動機13例如為三相交流電動機，與驅動電動機13連接的驅動逆變器17將直流電流轉換成三相交流，并向驅動電動機13供給。
[0059]另外，燃料電池系統(tǒng)11具備向驅動電動機13供給電力的蓄電池21。在從該蓄電池21向驅動電動機13供電的蓄電池電力供給路徑B上，從蓄電池21側依次連接有繼電器22及蓄電池升壓轉換器(第二轉換器)23。
[0060]該蓄電池21的蓄電池電力供給路徑B連接于燃料電池12的燃料電池電力供給路徑A上的繼電器16與驅動逆變器17之間，經(jīng)由燃料電池電力供給路徑A與蓄電池電力供給路徑B之間的連接點C而能夠將來自蓄電池21的電力向驅動電動機13供給。
[0061]由此，斷路裝置15配置得比燃料電池電力供給路徑A與蓄電池電力供給路徑B之間的連接點C靠燃料電池12偵U。
[0062]另外，在蓄電池電力供給路徑B上的蓄電池21與繼電器22之間設有熔絲24。
[0063]蓄電池升壓轉換器23是直流電壓轉換器，具有調整從蓄電池21輸入的直流電壓而向驅動電動機13側輸出(使蓄電池21的放電電力升壓而輸出)的功能和調整從燃料電池12或驅動電動機13輸入的直流電壓而向蓄電池21輸出的功能。通過這種蓄電池升壓轉換器23的功能，實現(xiàn)了蓄電池21的充放電。而且，通過蓄電池升壓轉換器23，控制了燃料電池12的輸出電壓。
[0064]蓄電池21基于來自未圖示的控制部的控制信號，能夠對剩余電力進行充電或輔助性地供給電力。
[0065]而且，燃料電池系統(tǒng)11具備輔機用逆變器25，該輔機用逆變器25連接于蓄電池電力供給路徑B上的蓄電池升壓轉換器23與連接點C之間。在輔機用逆變器25上連接有空氣壓縮機26、氫泵27及冷卻水泵28等輔機，這些輔機能夠通過由輔機用逆變器25供電而被驅動。
[0066]接下來，對設于燃料電池電力供給路徑A的斷路裝置15進行說明。
[0067]如圖2所示，斷路裝置15具備側面觀察形成為L字形的框架30，該框架30具有鐵片支撐部31和柱塞支撐部32。在框架30的鐵片支撐部31上支撐有能夠擺動的可動鐵片33，該可動鐵片33具有接點部34和磁化部35。并且，在該可動鐵片33的接點部34與框架30的鐵片支撐部31接觸的狀態(tài)下，從燃料電池12向驅動電動機13供電的燃料電池電力供給路徑A的電路閉合。
[0068]在框架30的柱塞支撐部32支撐有柱塞機構36。柱塞機構36具備形成為有底圓筒狀的保持筒41，在該保持筒41內收容有形成為圓柱狀的能夠滑動的柱塞42。而且，保持筒41在其開口部側設有電磁極部件43，通過該電磁極部件43將保持筒41的開口部封閉。而且，在保持筒41內，在柱塞42與電磁極部件43之間設有螺旋彈簧44，通過該螺旋彈簧44的彈力而向保持筒41的底部側對柱塞42進行施力。在柱塞42上形成有向螺旋彈簧44側突出的支撐銷部46，該支撐銷部46插入于螺旋彈簧44內。而且，在該柱塞機構36設有線圈47以覆蓋保持筒41的周圍，從燃料電池12向驅動電動機13供電的電流在該線圈47中流動。
[0069]在具備上述斷路裝置15的燃料電池系統(tǒng)11中，當因某些異常發(fā)生短路而使燃料電池電力供給路徑A中流有較大的短路電流時，在燃料電池電力供給路徑A中，在斷路裝置15的線圈47中也流有較大電流。這樣一來，如圖3所示，在斷路裝置15的柱塞機構36中，通過線圈47而產(chǎn)生大的磁力，在該磁力的作用下，可動鐵片33的磁化部35吸附于電磁極部件43。由此，可動鐵片33轉動，該可動鐵片33的接點部34從框架30的鐵片支撐部31分離，從燃料電池12向驅動電動機13供電的燃料電池電力供給路徑A的電路斷開。由此，將供向驅動電動機13的異常的較大電流切斷。
[0070]另外，當燃料電池系統(tǒng)11因某些原因而過載時，比通常運轉時大的過電流(例如，比通常運轉時的最大電流增加了 20%的電流)在燃料電池電力供給路徑A流動，在斷路裝置15的線圈47中也流有過電流。這樣一來，如圖4所示，在斷路裝置15的柱塞機構36中，通過線圈47產(chǎn)生磁力。另外，在通過該過電流在線圈47中流動而產(chǎn)生的磁力作用下，可動鐵片33的磁化部35不會吸附于電磁極部件43。然而，當該過載狀態(tài)持續(xù)而使過電流向線圈47持續(xù)流動時，如圖4所示，通過所產(chǎn)生的磁力將柱塞42向線圈47內拉入，由此，在柱塞機構36產(chǎn)生大的磁力。這樣一來，通過該大的磁力將可動鐵片33的磁化部35吸附于電磁極部件43。由此，可動鐵片33轉動，該可動鐵片33的接點部34從框架30的鐵片支撐部31分離，從燃料電池12向驅動電動機13供電的燃料電池電力供給路徑A的電路斷開。由此，將供向驅動電動機13的過電流切斷。
[0071]這樣一來，在燃料電池系統(tǒng)11處于過載狀態(tài)的情況下，能抑制因不會導致燃料電池系統(tǒng)11產(chǎn)生問題的臨時性的過載而引起的燃料電池電力供給路徑A的切斷；在過載持續(xù)一定時間以上的異常狀態(tài)時，才將燃料電池電力供給路徑A切斷。
[0072]當斷路裝置15工作而將燃料電池電力供給路徑A切斷時，不再從燃料電池12向驅動電動機13供給電力。
[0073]然而，即使在這種情況下，在本實施方式的燃料電池系統(tǒng)11中，也能夠將來自蓄電池21的電力從蓄電池電力供給路徑B向驅動電動機13供給。
[0074]由此，在搭載有該燃料電池系統(tǒng)11的車輛中，通過接受來自蓄電池21的電力供給來驅動驅動電動機13，從而能夠自行向退避場所等移動。
[0075]在此，也考慮到取代電磁式的斷路裝置15而是設置熔斷式的熔絲這一情況。然而，在具備大容量的蓄電池21的燃料電池系統(tǒng)11中，當考慮比常溫高的氛圍溫度等車載環(huán)境時，需要大容量的熔絲，因而導致熔絲的大型化而占空間。
[0076]圖5是表示熔斷式的熔絲的熔斷特性的圖。如圖5所示，熔斷式的熔絲中，到熔斷為止的時間相對于電流的關系為平滑的曲線。因此，在具有這種熔斷特性的熔絲中，在大型且大容量的熔絲(圖5中Ha所示的熔絲)中，即使動作所需的電流流過，直到熔絲熔斷而將電路切斷為止也需要花費相當長的時間。而且，若為了縮短直到熔絲熔斷而將電路切斷為止的時間而使用小容量的熔絲(圖5中Hb所示的熔絲)，則即使是以額定電流通電時的發(fā)熱，熔絲也可能熔斷而將電路切斷。
[0077]這樣一來，熔斷式的熔絲難以實現(xiàn)如下功能:不僅需要控制金屬的物理特性，而且在以額定電流通電時的發(fā)熱時不會熔斷，而在發(fā)生短路或過載時則迅速地將電路切斷。尤其是在燃料電池系統(tǒng)11中，由于所產(chǎn)生的電流變大，因此在熔斷式的熔絲中，難以同時實現(xiàn)通電功能和切斷功能。
[0078]圖6是表示電磁式的斷路裝置的動作特性的圖。如圖6所示，電磁式的斷路裝置中，能夠將直到切斷為止的時間相對于電流的關系設為急劇變化的曲線。因此，在具有這種動作特性的斷路裝置中，無論是大容量的斷路裝置(圖6中Da所示的斷路裝置)還是容量比較小的斷路裝置(圖6中Db所示的斷路裝置)，當動作所需的電流流過時，都能瞬間將電路切斷。即，在以額定電流通電時，維持將電路閉合的狀態(tài)，在因某些異常引起的短路時或過載持續(xù)時，則能夠順暢地切斷。
[0079]并且，在本實施方式的燃料電池系統(tǒng)11中，通過具備上述的電磁式的斷路裝置15，能夠僅在燃料電池系統(tǒng)11發(fā)生短路時或處于過載狀態(tài)時將燃料電池電力供給路徑A順暢地切斷。
[0080]另外，在本實施方式的燃料電池系統(tǒng)11中，將斷路裝置15相對于燃料電池12而隔著FC升壓轉換器14配置于驅動電動機13側。在該斷路裝置15的配置部位，從燃料電池12輸出的大電流的電力由FC升壓轉換器14升壓而電流值下降。因此，作為斷路裝置15，與配置得比FC升壓轉換器14靠燃料電池12側的情況相比，能夠使用小型且低成本的小電流用的結構。
[0081]另外，若使用能夠手動切斷的斷路裝置15，則能夠省略充電用插頭(* 一 H ^ 7"7夂')，能夠實現(xiàn)結構的簡化及維護的容易化。
[0082]另外，在上述的實施方式中，例示了為了能夠將燃料電池12及蓄電池21的電壓調整成與各種規(guī)格對應的電壓而設有FC升壓轉換器14及蓄電池升壓轉換器23作為升壓轉換器的燃料電池系統(tǒng)11，但本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)也可以如圖7所示是僅具備蓄電池升壓轉換器23的燃料電池系統(tǒng)11，還可以如圖8所示是僅具備FC升壓轉換器14的燃料電池系統(tǒng)11。在這種情況下，斷路裝置15也設置得比燃料電池電力供給路徑A的與蓄電池電力供給路徑B的連接點C靠燃料電池12側。
[0083]另外，在僅具備FC升壓轉換器14的燃料電池系統(tǒng)11中，還可以是不具備繼電器22及熔絲24的構造。
[0084]而且，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)如圖9所示也可以是如下燃料電池系統(tǒng)11:僅具備燃料電池12作為向驅動電動機13、輔機(空氣壓縮機26、氫泵27、冷卻水泵28等)供電的電力供給源，而不具備蓄電池21、蓄電池升壓轉換器23、繼電器22及熔絲24。在這種情況下，斷路裝置15也設置得比燃料電池電力供給路徑A的與蓄電池電力供給路徑B的連接點C靠燃料電池12側。
[0085]在圖1的實施方式中，將斷路裝置15設于FC升壓轉換器14的后段(從燃料電池12向驅動電動機13的電力供給方向下游側)，換言之，以FC升壓轉換器14為基準而位于燃料電池12的相反側(驅動電動機13側)，但也可以如圖10所示，將斷路裝置15設于FC升壓轉換器14的前段(從燃料電池12向驅動電動機13的電力供給方向上游側)，換言之，以FC升壓轉換器14為基準而設于燃料電池12偵U。
[0086]另外，在上述實施方式中，將斷路裝置15設于燃料電池電力供給路徑A側，但也可以將斷路裝置15設于蓄電池電力供給路徑B側。在這種情況下，當由于蓄電池21側的輸出異?；蜻^載而斷路裝置15工作時，來自蓄電池21的電力不會向驅動電動機13供給，但是通過接收來自燃料電池12的電力供給而使驅動電動機13驅動，從而能夠自行向退避場所等移動。
[0087]另外，在上述的實施方式中，說明了將本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)搭載于燃料電池車輛這一情況，但是本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)也能夠適用于燃料電池車輛以外的各種移動體(機器人、船舶、航空器等)。而且，本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)也能夠適用于作為建筑物(住宅、大廈等)用的發(fā)電設備而使用的固定用發(fā)電系統(tǒng)。
【權利要求】
1.一種燃料電池系統(tǒng)，具備: 燃料電池，通過燃料氣體與氧化氣體的電化學反應而進行發(fā)電； 蓄電池，進行電力的蓄電或電力的供給；以及 驅動源，接受電力的供給而進行驅動， 所述燃料電池系統(tǒng)具備: 燃料電池電力供給路徑，設于所述燃料電池與所述驅動源之間； 蓄電池電力供給路徑，從所述蓄電池延伸而與所述燃料電池電力供給路徑連接；以及斷路裝置，設置得比所述燃料電池電力供給路徑與所述蓄電池電力供給路徑之間的連接點靠所述燃料電池側或所述蓄電池側。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 所述斷路裝置在過載時或短路時工作而將電路切斷。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 設有使所述燃料電池的發(fā)電電力升壓的第一轉換器和使所述蓄電池的放電電力升壓的第二轉換器中的至少一方， 在所述第一轉換器設于所述燃料電池電力供給路徑時，所述斷路裝置設于所述第一轉換器的后段。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的燃料電池系統(tǒng)，其中， 設有使所述燃料電池的發(fā)電電力升壓的第一轉換器和使所述蓄電池的放電電力升壓的第二轉換器中的至少一方， 在所述第一轉換器設于所述燃料電池電力供給路徑時，所述斷路裝置設于所述第一轉換器的前段。
5.一種燃料電池系統(tǒng)，具備: 燃料電池，通過燃料氣體與氧化氣體的電化學反應而進行發(fā)電；以及 驅動源，接受電力的供給而進行驅動， 所述燃料電池系統(tǒng)具備: 燃料電池電力供給路徑，設于所述燃料電池與所述驅動源之間；以及 斷路裝置，設于所述燃料電池電力供給路徑， 所述斷路裝置在過載時或短路時工作而將電路切斷。
【文檔編號】H01M8/04GK103503212SQ201180070609
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2011年5月2日 優(yōu)先權日:2011年5月2日
【發(fā)明者】今西啟之, 真鍋晃太 申請人:豐田自動車株式會社