燃料電池システム
【課題】昇圧コンバータにおいて最適な構成の可飽和特性を備える共振用リアクトルを有する燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】このような燃料電池システムに用いられる可飽和特性を備える共振用リアクトルとしてのコイルＬａは、磁性体によって形成されるコア５のセンターコア１８に巻線２０を巻きつけて形成されるものであって、センターコア１８には非磁性体によって形成されるギャップ３１，３２，３３が形成され、ギャップ３１，３２，３３と巻線２０との間には磁性体によって形成されるコア領域１８１ａ，１８１ｂ，１８２ａ，１８２ｂ，１８３ａ，１８３ｂが設けられている。
【解決手段】このような燃料電池システムに用いられる可飽和特性を備える共振用リアクトルとしてのコイルＬａは、磁性体によって形成されるコア５のセンターコア１８に巻線２０を巻きつけて形成されるものであって、センターコア１８には非磁性体によって形成されるギャップ３１，３２，３３が形成され、ギャップ３１，３２，３３と巻線２０との間には磁性体によって形成されるコア領域１８１ａ，１８１ｂ，１８２ａ，１８２ｂ，１８３ａ，１８３ｂが設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料ガスの供給量を制御して負荷の要求に応じた電力を出力可能であるが、燃料電池の出力電圧が負荷の要求する電圧に一致しない場合がある。そこで、燃料電池の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで変換することにより、燃料電池の出力電圧と負荷の要求する電圧とを一致させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子スイッチ、ダイオード、及びインダクタンスを基本素子とし、電子スイッチのスイッチング動作によって電圧を変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子スイッチのスイッチング動作によりリップルが生ずるため、これを吸収するスナバ回路を備える。スナバ回路は、リップルをコンデンサで吸収する。このコンデンサに蓄えられた電荷が有効活用されないとＤＣ／ＤＣコンバータのエネルギー変換効率が低下するため、このコンデンサに蓄えられた電荷を回生させたりして有効活用する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、ソフトスイッチングさせることでスイッチング損失を低減可能であることが知られているが、これを燃料電池の昇圧に用いるとソフトスイッチングのために蓄えられた電力が燃料電池に入力される虞があり、適用が困難である。そこで、燃料電池の出力電圧をソフトスイッチングで昇圧可能にする燃料電池システムとして、下記特許文献３に記載の技術が提案されている。
【０００５】
上記特許文献３に記載されている燃料電池システムは、昇圧コンバータを備えており、その昇圧コンバータは、第一スイッチ（スイッチ素子とダイオードによって構成される）と第一コイルとを有し、第一スイッチが第一コイルに対してスイッチング動作することにより生ずる第一コイルの逆起電力で燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、第一スイッチの両極間の電位差を蓄電量で調整するコンデンサを有し、スイッチング動作時にコンデンサの蓄電量を調整することで第一スイッチのスイッチング損失を減らすものであって、第二スイッチ（スイッチ素子とダイオードによって構成される）と第二コイルを含む副昇圧部と、を有しているものである。
【０００６】
ところで、このような昇圧コンバータにおいて、第一スイッチと第二スイッチとを共にターンオフすると、第二スイッチを構成するダイオードに逆電流が瞬間的に流れ、瞬間的に止まり、この減少によってサージ電圧が発生する。この現象に対応するため本発明者らは、副昇圧部にダイオードを追加し、カソードを第二スイッチと第二コイルとの間に接続して実験を行ったが、やはりサージ電圧が発生し追加したダイオードが耐圧破壊してしまう現象が発生した。
【０００７】
このような現象に対しては、可飽和リアクトルとしての第三コイルを追加することが有用であると考えられ、またその追加する可飽和リアクトルの役割を共振リアクトルとしての第二コイルに担わせることが考えられる。このように、共振リアクトルに可飽和リアクトル特性を担わせた技術も提案されている（例えば、下記特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２１７６２５号公報
【特許文献２】特開２００５−１４３２５９号公報
【特許文献３】特開２００９−１６５２４６号公報
【特許文献４】特開２００３−０１８８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記特許文献４には、共振用リアクトルについて次のように記載されている。具体的には、共振用リアクトルは、巻線がリッツ線（より線）であり、コアがトロイダル形状を有している。共振用リアクトルのコアは、外径および内径がフライバックトランスのコアと同等であり、厚みがフライバックトランスのコアと同等または小さく形成されている。また、共振用リアクトルのコアの磁化特性は、共振用リアクトルに流れる電流が所定の範囲内にあるときコアは不飽和であり、この領域ではほぼ一定のインダクタンス値を有し、所定の範囲を超える領域ではコアが飽和してインダクタンス値が減少するものと記載されている。
【００１０】
このように上記特許文献４には、可飽和特性を備える共振用リアクトルについて機能的な記載はあるものの、構成を明示する記載がなく、燃料電池システムの昇圧コンバータにおいてどのような可飽和リアクトルが適しているかは不明である。
【００１１】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、昇圧コンバータにおいて最適な構成の可飽和特性を備える共振用リアクトルを有する燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、直流電源である燃料電池、及び前記燃料電池の出力電圧を昇圧して負荷へ給電する昇圧コンバータを備える燃料電池システムであって、前記昇圧コンバータは、第一スイッチと第一コイルとを有し、前記第一スイッチが前記第一コイルに対してスイッチング動作することにより生ずる前記第一コイルの逆起電力で前記燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記第一スイッチの両極間の電位差を蓄電量で調整するコンデンサを有し、前記スイッチング動作時に前記コンデンサの蓄電量を調整することで前記第一スイッチのスイッチング損失を減らす副昇圧部と、を有し、前記副昇圧部は、第二スイッチと第二コイルとを有しており、前記第二コイルは、磁性体によって形成されるコアの少なくとも一部に巻線を巻きつけて形成されるものであって、前記コアの前記巻線が巻きつけられている部分には非磁性体によって形成されるギャップが形成され、前記ギャップと前記巻線との間には磁性体によって形成されるコア領域が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、昇圧コンバータにおいて副昇圧部の共振リアクトルとして機能する第二コイルを、磁性体によって形成されるコアの少なくとも一部に巻線を巻きつけ、更に巻線が巻きつけられている部分のコアにギャップを設け、そのギャップと巻線との間にコア領域を設けることで形成しているので、可飽和特性を有する可飽和リアクトルとして機能させることができる。より具体的には、ギャップが形成されている部分に隣接させて磁性体によって形成されるコア領域を形成することで、そのコア領域が磁気抵抗の小さい経路となり、低電流側でインダクタンス値を高くすることができる。そのコア領域はギャップに隣接していることで、他のコア部分とは異なり磁気が通る経路としては容量が少ないため、高電流側ではコア領域が飽和しギャップが全て形成されている場合と同様にインダクタンス値を低くすることができる。従って、第一スイッチと第二スイッチとを共にターンオフした場合に、サージ電圧を抑制するリアクトルとして機能することができ、副昇圧部を構成する他の素子の耐圧破壊を防止することができる。更に本発明では、巻線が巻きつけられているコアの部分にギャップを形成しているので、巻線に電流が流れることによる磁束閉じ込め効果を利用し、外部への磁束の漏れを防止することができる。具体的には、ギャップは非磁性材料によって構成され、磁気抵抗が空気と略等しくなり、ギャップが形成されている部分では磁束が外に漏れだそうとする。そこで、本発明では巻線に電流が流れることによる磁束閉じ込め効果を活用して外部への磁束の漏れを防止している。更に、ギャップと巻線との間には磁性体によって形成されるコア領域を設けているので、このコア領域による磁束閉じ込め効果によって、巻線への磁束漏れも低減することができ、渦電流の発生による損失も低減することができる。
【００１４】
また本発明では、前記コア領域は、前記ギャップを囲むように前記巻線との間に設けられていることも好ましい。この好ましい態様では、コア領域によってギャップを囲繞しているので、コア領域による磁束閉じ込め効果をより発揮させることができ、巻線における渦電流の発生による損失をより効果的に低減することができる。
【００１５】
また本発明では、前記ギャップは、複数のギャップ部分によって構成されており、それぞれのギャップ部分は、前記巻線との間に設けられている前記コア領域によって囲まれていることも好ましい。この好ましい態様では、ギャップを複数のギャップ部分に分割することで、一つのギャップ部分におけるギャップ長さを短くし、磁束漏れを低減することができる。更に、それぞれのギャップ部分をコア領域によって囲んでいるので、コア領域による磁束閉じ込め効果との相乗効果によって、巻線における渦電流の発生による損失をより効果的に低減することができる。
【００１６】
また本発明では、前記ギャップが、前記コアに空洞を形成することで設けられていることも好ましい。上述したように、ギャップはコア領域に囲繞されているので、ギャップを空洞にしても特段の補強手段を要することなく形成することができる。そのため、ギャップを形成するためにセラミックスといった部材を用いる必要が無くなり、低コスト化を図りつつ巻線における渦電流の発生による損失をより効果的に低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、昇圧コンバータにおいて最適な構成の可飽和特性を備える共振用リアクトルを有する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態である昇圧コンバータが用いられる燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムに用いられる昇圧コンバータの回路構成を示す図である。
【図３】図２に示す昇圧コンバータに用いられる可飽和特性を有する共振リアクトルの特性を示す図である。
【図４】図２に示す昇圧コンバータに用いられる可飽和特性を有する共振リアクトルの外観を示す斜視図である。
【図５】図２に示す可飽和特性を有する共振リアクトルの中央近傍の縦断面を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２０】
最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＣＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＣＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができる。
【００２１】
燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣと、酸化ガス供給系ＡＳＳと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、電力系ＥＳと、冷却系ＣＳと、コントローラＥＣとを備えている。燃料電池ＦＣは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電するものである。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。電力系ＥＳは、電力の充放電を制御するための系である。冷却系ＣＳは、燃料電池ＦＣを冷却するための系である。コントローラＥＣ（制御部）は、燃料電池システムＦＣＳ全体を統括制御するコントローラである。
【００２２】
燃料電池ＦＣは、多数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００２３】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ （２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ （３）
【００２４】
酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガス流路ＡＳ３と酸化オフガス流路ＡＳ４とを有している。酸化ガス流路ＡＳ３は、燃料電池ＦＣのカソードに供給される酸化ガスが流れる流路である。酸化オフガス流路ＡＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスが流れる流路である。
【００２５】
酸化ガス流路ＡＳ３には、エアコンプレッサＡＳ２と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。エアコンプレッサＡＳ２は、フィルタＡＳ１を介して大気中から酸化ガスを取り込むためのコンプレッサである。加湿器ＡＳ５は、エアコンプレッサＡＳ２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器である。
【００２６】
酸化オフガス流路ＡＳ４には、圧力センサＳ６と、背圧調整弁Ａ３と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。背圧調整弁Ａ３は、酸化ガス供給圧を調整するための弁である。加湿器ＡＳ５は、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するためのものとして設けられている。
【００２７】
燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガス供給源ＦＳ１と、燃料ガス流路ＦＳ３と、循環流路ＦＳ４と、循環ポンプＦＳ５と、排気排水流路ＦＳ６とを有している。燃料ガス流路ＦＳ３は、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料電池ＦＣのアノードに供給される燃料ガスが流れる流路である。循環流路ＦＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に帰還させるための流路である。循環ポンプＦＳ５は、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に圧送するポンプである。排気排水流路ＦＳ６は、循環流路ＦＳ４に分岐接続される流路である。
【００２８】
燃料ガス供給源ＦＳ１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料ガス流路ＦＳ３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタＦＳ２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池ＦＣに供給される。
【００２９】
燃料ガス流路ＦＳ３には、遮断弁Ｈ１と、レギュレータＨ２と、インジェクタＦＳ２と、遮断弁Ｈ３と、圧力センサＳ４とが設けられている。遮断弁Ｈ１は、燃料ガス供給源ＦＳ１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。レギュレータＨ２は、燃料ガスの圧力を調整するものである。インジェクタＦＳ２は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給量を制御するものである。遮断弁Ｈ３は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給を遮断するための弁である。
【００３０】
レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタＦＳ２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタＦＳ２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。
【００３１】
インジェクタＦＳ２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタＦＳ２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に格納保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
【００３２】
インジェクタＦＳ２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントローラＥＣから出力される制御信号によってインジェクタＦＳ２のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御することが可能なように構成されている。インジェクタＦＳ２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタＦＳ２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
【００３３】
循環流路ＦＳ４には、遮断弁Ｈ４が設けられ、排気排水流路ＦＳ６が接続されている。排気排水流路ＦＳ６には、排気排水弁Ｈ５が設けられている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラＥＣからの指令によって作動することにより、循環流路ＦＳ４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
【００３４】
排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路ＡＳ４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプＦＳ５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池ＦＣに循環供給する。
【００３５】
電力系ＥＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１と、バッテリＥＳ２と、トラクションインバータＥＳ３と、トラクションモータＥＳ４と、補機類ＥＳ５と、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６とを備えている。燃料電池システムＦＣＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１とトラクションインバータＥＳ３とが並列に燃料電池ＦＣに接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１とトラクションインバータＥＳ３とはＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を構成している。
【００３６】
ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６は、燃料電池ＦＣの出力電圧を昇圧してトラクションインバータＥＳ３及びトラクションモータＥＳ４に向けて出力する機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は、バッテリＥＳ２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータＥＳ３に出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータＥＳ４が回収した回生電力を降圧してバッテリＥＳ２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１のこれらの機能により、バッテリＥＳ２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１による電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。燃料電池ＦＣには、電圧センサＳ１と電流センサＳ２とが取り付けられている。電圧センサＳ１は、燃料電池ＦＣの出力端子電圧をＦＣ昇圧コンバータＥＳ６が昇圧した電圧を検出するためのセンサである。電流センサＳ２は、燃料電池ＦＣの出力電流を検出するためのセンサである。また、昇圧コンバータＥＳ６とトラクションインバータＥＳ３との間には温度センサＳ７が取り付けられている。
【００３７】
バッテリＥＳ２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリＥＳ２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリＥＳ２には、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのＳＯＣセンサＳ３が取り付けられている。
【００３８】
トラクションインバータＥＳ３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータである。トラクションインバータＥＳ３は、コントローラＥＣからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又はバッテリＥＳ２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータＥＳ４の回転トルクを制御する。トラクションモータＥＳ４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００３９】
補機類ＥＳ５は、燃料電池システムＦＣＳ内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）、これらのモータを駆動するためのインバータ類、及び各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
【００４０】
冷却系ＣＳは、ラジエータＣＳ１と、冷却液ポンプＣＳ２と、冷却液往路ＣＳ３と、冷却液復路ＣＳ４とを有している。ラジエータＣＳ１は、燃料電池ＦＣを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。冷却液ポンプＣＳ２は、冷却液を燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１との間で循環させるためのポンプである。冷却液往路ＣＳ３は、ラジエータＣＳ１と燃料電池ＦＣとを繋ぐ流路であって、冷却液ポンプＣＳ２が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、冷却液はラジエータＣＳ１から燃料電池ＦＣへと冷却液往路ＣＳ３を通って流れる。冷却液復路ＣＳ４は、燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１とを繋ぐ流路であって、水温センサＳ５が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、燃料電池ＦＣを冷却した冷却液はラジエータＣＳ１へと還流する。
【００４１】
コントローラＥＣ（制御部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＣＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラＥＣは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＣＳの運転を開始する。その後、コントローラＥＣは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。
【００４２】
ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００４３】
そして、コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣとバッテリＥＳ２とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ＡＳＳ及び燃料ガス供給系ＦＳＳを制御する。また、コントローラＥＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１に指示信号を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１によるコンバータ制御を実行させ、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラＥＣは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータＥＳ３に出力し、トラクションモータＥＳ４の出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラＥＣは、冷却系ＣＳを制御して燃料電池ＦＣが適切な温度になるように制御する。
【００４４】
ここで、図２に基づいて、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６の電気回路の特徴について説明する。図２は、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６を中心として、燃料電池システムＦＣＳの電気的構成を示す図であるが、説明を簡便にするためにバッテリＥＳ２やバッテリ昇圧コンバータとしてのＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１等の記載は省略している。
【００４５】
ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータとしての昇圧動作を行うための主昇圧回路ＬＮ１と、ソフトスイッチング動作を行うための副昇圧回路ＬＮ２とで構成されている。
【００４６】
主昇圧回路ＬＮ１は、スイッチ素子Ｓ１（第一スイッチ）とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１（第一コイル）に蓄えられたエネルギーをトラクションモータＥＳ４側（トラクションインバータＥＳ３側）にダイオードＤ３を介して解放することで燃料電池ＦＣの出力電圧を昇圧する。具体的には、コイルＬ１の一端が燃料電池ＦＣの高電位側の端子に接続される。そして、スイッチ素子Ｓ１の一端の極が、コイルＬ１の他端に接続されるとともに、そのスイッチ素子Ｓ１の他端の極が、燃料電池ＦＣの低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ６のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、更に、コンデンサＣ３が、ダイオードＤ５のアノード端子とスイッチ素子Ｓ１の他端との間に接続されている。尚、この主昇圧回路ＬＮ１において、コンデンサＣ３は、昇圧電圧の平滑コンデンサとして機能する。尚、主昇圧回路ＬＮ１には、燃料電池ＦＣ側に平滑コンデンサＣ１も設けられ、これにより燃料電池ＦＣの出力電流のリップルを低減することが可能となる。この平滑コンデンサＣ３にかかる電圧は、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６の出口電圧となる。また、燃料電池ＦＣの電源電圧は、平滑コンデンサＣ１にかかる電圧であって、且つＦＣ昇圧コンバータＥＳ６の入口電圧となる。
【００４７】
次に、副昇圧回路ＬＮ２には、先ずスイッチ素子Ｓ１に並列に接続された、ダイオードＤ２と、それに直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第一直列接続体が含まれる。この第一直列接続体では、ダイオードＤ２のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、そのアノード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。更に、スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池ＦＣの低電位側の端子に接続されている。更に、副昇圧回路ＬＮ２には、誘導素子であるコイルＬ２（第二コイル）と、ダイオードＤ１と、スイッチ素子Ｓ２（第二スイッチ）及びダイオードＤ５で構成されるスイッチング回路とが直列に接続された第二直列接続体が含まれる。この第二直列接続体では、スイッチ素子Ｓ２の一端が、第一直列接続体のダイオードＤ２とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続される。更に、ダイオードＤ１のカソード端子が、コイルＬ２の一端に接続されるとともに、そのアノード端子が、スイッチ素子Ｓ２の他端の極に接続される。また、コイルＬ２の他端は、コイルＬ１の一端側に接続される。また、副昇圧回路ＬＮ２には、ダイオードＤ６が設けられており、そのアノード端子が第二直列接続体のコイルＬ２とダイオードＤ１との接続部位に接続され、そのカソード端子が燃料電池ＦＣの低電位側の端子に接続されている。
【００４８】
このように構成されるＦＣ昇圧コンバータＥＳ６は、スイッチ素子Ｓ１のスイッチングデューティ比を調整することで、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６による昇圧比、即ちＦＣ昇圧コンバータＥＳ６に入力される燃料電池ＦＣの出力電圧に対する、トラクションインバータＥＳ３にかけられるＦＣ昇圧コンバータＥＳ６の出力電圧の比が制御される。また、このスイッチ素子Ｓ１のスイッチング動作において副昇圧回路ＬＮ２のスイッチ素子Ｓ２のスイッチング動作を介在させることで、いわゆるソフトスイッチングが実現され、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６でのスイッチングロスを大きく低減させることが可能となる。
【００４９】
続いて、コイルＬ２として用いられる可飽和特性を有する共振リアクトルについて説明する。図３は、そのような可飽和特性を有する共振リアクトルのインダクタンス特性を示す図である。図３に示すように、低電流域では３０μＨのインダクタンス値を有し、高電流域では０．９μＨのインダクタンス値を有するように構成する。一般的には、低電流域で３０μＨのインダクタンス値を有するコイルと、高電流域で０．９μＨのインダクタンス値を有するコイルとを直列に配置するけれども、本実施形態では共振リアクトルに可飽和特性を持たせることで、一つのコイルによって実現するものである。
【００５０】
コイルＬ２として用いられるコイルであって、可飽和特性を有する共振リアクトルとしてのコイルＬａの構成を図４に示す。図４に示すように、コイルＬａは、磁性材料によって構成されるコア５と銅線を卷回することで形成される巻線２０とによって構成されている。コア５は、上コア１０と下コア１２とを備えている。上コア１０及び下コア１２は、それぞれ直方体形状を成すように板状に形成されている。上コア１０の一辺近傍と、この一辺に対向する下コア１２の一辺近傍を繋ぐようにサイドコア１４が設けられている。また、上コア１０の一辺とは反対側の他辺近傍と、この他辺に対向する下コア１２の他辺近傍を繋ぐようにサイドコア１６が設けられている。従って、サイドコア１４とサイドコア１６とは互いに対向するように立設されている。
【００５１】
サイドコア１４とサイドコア１６との間にはセンターコア１８が設けられている。センターコア１８は、上コア１０の中央近傍と下コア１２の中央近傍とを繋ぐように立設されている。巻線２０は、センターコア１８に巻きつけられている。
【００５２】
続いて、センターコア１８の中央近傍の縦断面を図５に示し、図５を参照しながら説明を続ける。図５に示すように、センターコア１８には、ギャップ部分３１，３２，３３が形成されており、全体としてギャップを形成している。ギャップ部分３１，３２，３３は、それぞれ非磁性体によって形成されている。具体的には、セラミックス材料によって形成されていてもよく、空洞となっていてもよい。セラミックス材料によってギャップ部分３１，３２，３３を形成すれば、寸法精度を高く保つことができる。また、空洞によってギャップ部分３１，３２，３３を形成しても、本実施形態の場合は後述するようにコア領域によってギャップ部分３１，３２，３３が挟まれているので、同様に寸法精度を高く保つことができる。
【００５３】
ギャップ部分３１は、磁性体によって構成されるコア領域１８１ａとコア領域１８１ｂとによって両端を挟まれている。ギャップ部分３２も、磁性体によって構成されるコア領域１８２ａとコア領域１８２ｂとによって両端を挟まれている。ギャップ部分３３も、磁性体によって構成されるコア領域１８３ａとコア領域１８３ｂとによって両端を挟まれている。従って、ギャップ部分３１，３２，３３からの磁束漏れを、コア領域１８１ａ，１８１ｂ，１８２ａ，１８２ｂ，１８３ａ，１８３ｂによって閉じ込めることができる。
【００５４】
コア領域１８１ａとコア領域１８１ｂとは、ギャップ部分３１を挟むように独立して設けられてもよいけれども、ギャップ部分３１を囲むように連続して設けられていても好ましいものである。ギャップ部分３１を囲むように連続してコア領域１８１ａとコア領域１８１ｂとを設ければ、ギャップ部分３１からの磁束漏れをより効果的に抑制することができる。また、ギャップ部分３２に対するコア領域１８２ａ，１８２ｂも、ギャップ部分３３に対するコア領域１８３ａ，１８３ｂも同様である。
【符号の説明】
【００５５】
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＥＣ：コントローラ
ＦＣ：燃料電池
ＦＳＳ：燃料ガス供給系
ＦＳ１：燃料ガス供給源
ＦＳ２：インジェクタ
ＦＳ３：燃料ガス流路
ＦＳ４：循環流路
ＦＳ５：循環ポンプ
ＦＳ６：排気排水流路
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＡＳＳ：酸化ガス供給系
ＡＳ１：フィルタ
ＡＳ２：エアコンプレッサ
ＡＳ３：酸化ガス流路
ＡＳ４：酸化オフガス流路
ＡＳ５：加湿器
Ａ３：背圧調整弁
ＣＳ：冷却系
ＣＳ１：ラジエータ
ＣＳ２：冷却液ポンプ
ＣＳ３：冷却液往路
ＣＳ４：冷却液復路
ＥＳ：電力系
ＥＳ１：コンバータ
ＥＳ２：バッテリ
ＥＳ３：トラクションインバータ
ＥＳ４：トラクションモータ
ＥＳ５：補機類
ＥＳ６：ＦＣ昇圧コンバータ
Ｓ１：電圧センサ
Ｓ２：電流センサ
Ｓ３：ＳＯＣセンサ
Ｓ４：圧力センサ
Ｓ５：水温センサ
Ｓ６：圧力センサ
Ｓ７：温度センサ
ＩＧ：起動信号
ＶＣ：車速信号
ＡＣＣ：アクセル開度信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料ガスの供給量を制御して負荷の要求に応じた電力を出力可能であるが、燃料電池の出力電圧が負荷の要求する電圧に一致しない場合がある。そこで、燃料電池の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで変換することにより、燃料電池の出力電圧と負荷の要求する電圧とを一致させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子スイッチ、ダイオード、及びインダクタンスを基本素子とし、電子スイッチのスイッチング動作によって電圧を変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電子スイッチのスイッチング動作によりリップルが生ずるため、これを吸収するスナバ回路を備える。スナバ回路は、リップルをコンデンサで吸収する。このコンデンサに蓄えられた電荷が有効活用されないとＤＣ／ＤＣコンバータのエネルギー変換効率が低下するため、このコンデンサに蓄えられた電荷を回生させたりして有効活用する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、ソフトスイッチングさせることでスイッチング損失を低減可能であることが知られているが、これを燃料電池の昇圧に用いるとソフトスイッチングのために蓄えられた電力が燃料電池に入力される虞があり、適用が困難である。そこで、燃料電池の出力電圧をソフトスイッチングで昇圧可能にする燃料電池システムとして、下記特許文献３に記載の技術が提案されている。
【０００５】
上記特許文献３に記載されている燃料電池システムは、昇圧コンバータを備えており、その昇圧コンバータは、第一スイッチ（スイッチ素子とダイオードによって構成される）と第一コイルとを有し、第一スイッチが第一コイルに対してスイッチング動作することにより生ずる第一コイルの逆起電力で燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、第一スイッチの両極間の電位差を蓄電量で調整するコンデンサを有し、スイッチング動作時にコンデンサの蓄電量を調整することで第一スイッチのスイッチング損失を減らすものであって、第二スイッチ（スイッチ素子とダイオードによって構成される）と第二コイルを含む副昇圧部と、を有しているものである。
【０００６】
ところで、このような昇圧コンバータにおいて、第一スイッチと第二スイッチとを共にターンオフすると、第二スイッチを構成するダイオードに逆電流が瞬間的に流れ、瞬間的に止まり、この減少によってサージ電圧が発生する。この現象に対応するため本発明者らは、副昇圧部にダイオードを追加し、カソードを第二スイッチと第二コイルとの間に接続して実験を行ったが、やはりサージ電圧が発生し追加したダイオードが耐圧破壊してしまう現象が発生した。
【０００７】
このような現象に対しては、可飽和リアクトルとしての第三コイルを追加することが有用であると考えられ、またその追加する可飽和リアクトルの役割を共振リアクトルとしての第二コイルに担わせることが考えられる。このように、共振リアクトルに可飽和リアクトル特性を担わせた技術も提案されている（例えば、下記特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２１７６２５号公報
【特許文献２】特開２００５−１４３２５９号公報
【特許文献３】特開２００９−１６５２４６号公報
【特許文献４】特開２００３−０１８８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記特許文献４には、共振用リアクトルについて次のように記載されている。具体的には、共振用リアクトルは、巻線がリッツ線（より線）であり、コアがトロイダル形状を有している。共振用リアクトルのコアは、外径および内径がフライバックトランスのコアと同等であり、厚みがフライバックトランスのコアと同等または小さく形成されている。また、共振用リアクトルのコアの磁化特性は、共振用リアクトルに流れる電流が所定の範囲内にあるときコアは不飽和であり、この領域ではほぼ一定のインダクタンス値を有し、所定の範囲を超える領域ではコアが飽和してインダクタンス値が減少するものと記載されている。
【００１０】
このように上記特許文献４には、可飽和特性を備える共振用リアクトルについて機能的な記載はあるものの、構成を明示する記載がなく、燃料電池システムの昇圧コンバータにおいてどのような可飽和リアクトルが適しているかは不明である。
【００１１】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、昇圧コンバータにおいて最適な構成の可飽和特性を備える共振用リアクトルを有する燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、直流電源である燃料電池、及び前記燃料電池の出力電圧を昇圧して負荷へ給電する昇圧コンバータを備える燃料電池システムであって、前記昇圧コンバータは、第一スイッチと第一コイルとを有し、前記第一スイッチが前記第一コイルに対してスイッチング動作することにより生ずる前記第一コイルの逆起電力で前記燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記第一スイッチの両極間の電位差を蓄電量で調整するコンデンサを有し、前記スイッチング動作時に前記コンデンサの蓄電量を調整することで前記第一スイッチのスイッチング損失を減らす副昇圧部と、を有し、前記副昇圧部は、第二スイッチと第二コイルとを有しており、前記第二コイルは、磁性体によって形成されるコアの少なくとも一部に巻線を巻きつけて形成されるものであって、前記コアの前記巻線が巻きつけられている部分には非磁性体によって形成されるギャップが形成され、前記ギャップと前記巻線との間には磁性体によって形成されるコア領域が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、昇圧コンバータにおいて副昇圧部の共振リアクトルとして機能する第二コイルを、磁性体によって形成されるコアの少なくとも一部に巻線を巻きつけ、更に巻線が巻きつけられている部分のコアにギャップを設け、そのギャップと巻線との間にコア領域を設けることで形成しているので、可飽和特性を有する可飽和リアクトルとして機能させることができる。より具体的には、ギャップが形成されている部分に隣接させて磁性体によって形成されるコア領域を形成することで、そのコア領域が磁気抵抗の小さい経路となり、低電流側でインダクタンス値を高くすることができる。そのコア領域はギャップに隣接していることで、他のコア部分とは異なり磁気が通る経路としては容量が少ないため、高電流側ではコア領域が飽和しギャップが全て形成されている場合と同様にインダクタンス値を低くすることができる。従って、第一スイッチと第二スイッチとを共にターンオフした場合に、サージ電圧を抑制するリアクトルとして機能することができ、副昇圧部を構成する他の素子の耐圧破壊を防止することができる。更に本発明では、巻線が巻きつけられているコアの部分にギャップを形成しているので、巻線に電流が流れることによる磁束閉じ込め効果を利用し、外部への磁束の漏れを防止することができる。具体的には、ギャップは非磁性材料によって構成され、磁気抵抗が空気と略等しくなり、ギャップが形成されている部分では磁束が外に漏れだそうとする。そこで、本発明では巻線に電流が流れることによる磁束閉じ込め効果を活用して外部への磁束の漏れを防止している。更に、ギャップと巻線との間には磁性体によって形成されるコア領域を設けているので、このコア領域による磁束閉じ込め効果によって、巻線への磁束漏れも低減することができ、渦電流の発生による損失も低減することができる。
【００１４】
また本発明では、前記コア領域は、前記ギャップを囲むように前記巻線との間に設けられていることも好ましい。この好ましい態様では、コア領域によってギャップを囲繞しているので、コア領域による磁束閉じ込め効果をより発揮させることができ、巻線における渦電流の発生による損失をより効果的に低減することができる。
【００１５】
また本発明では、前記ギャップは、複数のギャップ部分によって構成されており、それぞれのギャップ部分は、前記巻線との間に設けられている前記コア領域によって囲まれていることも好ましい。この好ましい態様では、ギャップを複数のギャップ部分に分割することで、一つのギャップ部分におけるギャップ長さを短くし、磁束漏れを低減することができる。更に、それぞれのギャップ部分をコア領域によって囲んでいるので、コア領域による磁束閉じ込め効果との相乗効果によって、巻線における渦電流の発生による損失をより効果的に低減することができる。
【００１６】
また本発明では、前記ギャップが、前記コアに空洞を形成することで設けられていることも好ましい。上述したように、ギャップはコア領域に囲繞されているので、ギャップを空洞にしても特段の補強手段を要することなく形成することができる。そのため、ギャップを形成するためにセラミックスといった部材を用いる必要が無くなり、低コスト化を図りつつ巻線における渦電流の発生による損失をより効果的に低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、昇圧コンバータにおいて最適な構成の可飽和特性を備える共振用リアクトルを有する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態である昇圧コンバータが用いられる燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムに用いられる昇圧コンバータの回路構成を示す図である。
【図３】図２に示す昇圧コンバータに用いられる可飽和特性を有する共振リアクトルの特性を示す図である。
【図４】図２に示す昇圧コンバータに用いられる可飽和特性を有する共振リアクトルの外観を示す斜視図である。
【図５】図２に示す可飽和特性を有する共振リアクトルの中央近傍の縦断面を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２０】
最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＣＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＣＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができる。
【００２１】
燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池ＦＣと、酸化ガス供給系ＡＳＳと、燃料ガス供給系ＦＳＳと、電力系ＥＳと、冷却系ＣＳと、コントローラＥＣとを備えている。燃料電池ＦＣは、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電するものである。酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガスとしての空気を燃料電池ＦＣに供給するための系である。燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。電力系ＥＳは、電力の充放電を制御するための系である。冷却系ＣＳは、燃料電池ＦＣを冷却するための系である。コントローラＥＣ（制御部）は、燃料電池システムＦＣＳ全体を統括制御するコントローラである。
【００２２】
燃料電池ＦＣは、多数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００２３】
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ （２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ （３）
【００２４】
酸化ガス供給系ＡＳＳは、酸化ガス流路ＡＳ３と酸化オフガス流路ＡＳ４とを有している。酸化ガス流路ＡＳ３は、燃料電池ＦＣのカソードに供給される酸化ガスが流れる流路である。酸化オフガス流路ＡＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される酸化オフガスが流れる流路である。
【００２５】
酸化ガス流路ＡＳ３には、エアコンプレッサＡＳ２と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。エアコンプレッサＡＳ２は、フィルタＡＳ１を介して大気中から酸化ガスを取り込むためのコンプレッサである。加湿器ＡＳ５は、エアコンプレッサＡＳ２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器である。
【００２６】
酸化オフガス流路ＡＳ４には、圧力センサＳ６と、背圧調整弁Ａ３と、加湿器ＡＳ５とが設けられている。背圧調整弁Ａ３は、酸化ガス供給圧を調整するための弁である。加湿器ＡＳ５は、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するためのものとして設けられている。
【００２７】
燃料ガス供給系ＦＳＳは、燃料ガス供給源ＦＳ１と、燃料ガス流路ＦＳ３と、循環流路ＦＳ４と、循環ポンプＦＳ５と、排気排水流路ＦＳ６とを有している。燃料ガス流路ＦＳ３は、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料電池ＦＣのアノードに供給される燃料ガスが流れる流路である。循環流路ＦＳ４は、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に帰還させるための流路である。循環ポンプＦＳ５は、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガスを燃料ガス流路ＦＳ３に圧送するポンプである。排気排水流路ＦＳ６は、循環流路ＦＳ４に分岐接続される流路である。
【００２８】
燃料ガス供給源ＦＳ１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源ＦＳ１から燃料ガス流路ＦＳ３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタＦＳ２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池ＦＣに供給される。
【００２９】
燃料ガス流路ＦＳ３には、遮断弁Ｈ１と、レギュレータＨ２と、インジェクタＦＳ２と、遮断弁Ｈ３と、圧力センサＳ４とが設けられている。遮断弁Ｈ１は、燃料ガス供給源ＦＳ１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための弁である。レギュレータＨ２は、燃料ガスの圧力を調整するものである。インジェクタＦＳ２は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給量を制御するものである。遮断弁Ｈ３は、燃料電池ＦＣへの燃料ガス供給を遮断するための弁である。
【００３０】
レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタＦＳ２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタＦＳ２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。
【００３１】
インジェクタＦＳ２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタＦＳ２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に格納保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
【００３２】
インジェクタＦＳ２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、コントローラＥＣから出力される制御信号によってインジェクタＦＳ２のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御することが可能なように構成されている。インジェクタＦＳ２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタＦＳ２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
【００３３】
循環流路ＦＳ４には、遮断弁Ｈ４が設けられ、排気排水流路ＦＳ６が接続されている。排気排水流路ＦＳ６には、排気排水弁Ｈ５が設けられている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラＥＣからの指令によって作動することにより、循環流路ＦＳ４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出するための弁である。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環流路ＦＳ４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
【００３４】
排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス流路ＡＳ４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプＦＳ５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池ＦＣに循環供給する。
【００３５】
電力系ＥＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１と、バッテリＥＳ２と、トラクションインバータＥＳ３と、トラクションモータＥＳ４と、補機類ＥＳ５と、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６とを備えている。燃料電池システムＦＣＳは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１とトラクションインバータＥＳ３とが並列に燃料電池ＦＣに接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１とトラクションインバータＥＳ３とはＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を構成している。
【００３６】
ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６は、燃料電池ＦＣの出力電圧を昇圧してトラクションインバータＥＳ３及びトラクションモータＥＳ４に向けて出力する機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１は、バッテリＥＳ２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータＥＳ３に出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータＥＳ４が回収した回生電力を降圧してバッテリＥＳ２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１のこれらの機能により、バッテリＥＳ２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１による電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。燃料電池ＦＣには、電圧センサＳ１と電流センサＳ２とが取り付けられている。電圧センサＳ１は、燃料電池ＦＣの出力端子電圧をＦＣ昇圧コンバータＥＳ６が昇圧した電圧を検出するためのセンサである。電流センサＳ２は、燃料電池ＦＣの出力電流を検出するためのセンサである。また、昇圧コンバータＥＳ６とトラクションインバータＥＳ３との間には温度センサＳ７が取り付けられている。
【００３７】
バッテリＥＳ２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリＥＳ２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリＥＳ２には、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのＳＯＣセンサＳ３が取り付けられている。
【００３８】
トラクションインバータＥＳ３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータである。トラクションインバータＥＳ３は、コントローラＥＣからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又はバッテリＥＳ２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータＥＳ４の回転トルクを制御する。トラクションモータＥＳ４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００３９】
補機類ＥＳ５は、燃料電池システムＦＣＳ内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）、これらのモータを駆動するためのインバータ類、及び各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
【００４０】
冷却系ＣＳは、ラジエータＣＳ１と、冷却液ポンプＣＳ２と、冷却液往路ＣＳ３と、冷却液復路ＣＳ４とを有している。ラジエータＣＳ１は、燃料電池ＦＣを冷却するための冷却液を放熱して冷却するものである。冷却液ポンプＣＳ２は、冷却液を燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１との間で循環させるためのポンプである。冷却液往路ＣＳ３は、ラジエータＣＳ１と燃料電池ＦＣとを繋ぐ流路であって、冷却液ポンプＣＳ２が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、冷却液はラジエータＣＳ１から燃料電池ＦＣへと冷却液往路ＣＳ３を通って流れる。冷却液復路ＣＳ４は、燃料電池ＦＣとラジエータＣＳ１とを繋ぐ流路であって、水温センサＳ５が設けられている。冷却液ポンプＣＳ２が駆動することで、燃料電池ＦＣを冷却した冷却液はラジエータＣＳ１へと還流する。
【００４１】
コントローラＥＣ（制御部）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システムＦＣＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラＥＣは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＣＳの運転を開始する。その後、コントローラＥＣは、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＣＳ全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。
【００４２】
ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００４３】
そして、コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣとバッテリＥＳ２とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラＥＣは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系ＡＳＳ及び燃料ガス供給系ＦＳＳを制御する。また、コントローラＥＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１に指示信号を出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１によるコンバータ制御を実行させ、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラＥＣは、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータＥＳ３に出力し、トラクションモータＥＳ４の出力トルク、及び回転数を制御する。更に、コントローラＥＣは、冷却系ＣＳを制御して燃料電池ＦＣが適切な温度になるように制御する。
【００４４】
ここで、図２に基づいて、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６の電気回路の特徴について説明する。図２は、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６を中心として、燃料電池システムＦＣＳの電気的構成を示す図であるが、説明を簡便にするためにバッテリＥＳ２やバッテリ昇圧コンバータとしてのＤＣ／ＤＣコンバータＥＳ１等の記載は省略している。
【００４５】
ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータとしての昇圧動作を行うための主昇圧回路ＬＮ１と、ソフトスイッチング動作を行うための副昇圧回路ＬＮ２とで構成されている。
【００４６】
主昇圧回路ＬＮ１は、スイッチ素子Ｓ１（第一スイッチ）とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１（第一コイル）に蓄えられたエネルギーをトラクションモータＥＳ４側（トラクションインバータＥＳ３側）にダイオードＤ３を介して解放することで燃料電池ＦＣの出力電圧を昇圧する。具体的には、コイルＬ１の一端が燃料電池ＦＣの高電位側の端子に接続される。そして、スイッチ素子Ｓ１の一端の極が、コイルＬ１の他端に接続されるとともに、そのスイッチ素子Ｓ１の他端の極が、燃料電池ＦＣの低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ６のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、更に、コンデンサＣ３が、ダイオードＤ５のアノード端子とスイッチ素子Ｓ１の他端との間に接続されている。尚、この主昇圧回路ＬＮ１において、コンデンサＣ３は、昇圧電圧の平滑コンデンサとして機能する。尚、主昇圧回路ＬＮ１には、燃料電池ＦＣ側に平滑コンデンサＣ１も設けられ、これにより燃料電池ＦＣの出力電流のリップルを低減することが可能となる。この平滑コンデンサＣ３にかかる電圧は、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６の出口電圧となる。また、燃料電池ＦＣの電源電圧は、平滑コンデンサＣ１にかかる電圧であって、且つＦＣ昇圧コンバータＥＳ６の入口電圧となる。
【００４７】
次に、副昇圧回路ＬＮ２には、先ずスイッチ素子Ｓ１に並列に接続された、ダイオードＤ２と、それに直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第一直列接続体が含まれる。この第一直列接続体では、ダイオードＤ２のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、そのアノード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。更に、スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池ＦＣの低電位側の端子に接続されている。更に、副昇圧回路ＬＮ２には、誘導素子であるコイルＬ２（第二コイル）と、ダイオードＤ１と、スイッチ素子Ｓ２（第二スイッチ）及びダイオードＤ５で構成されるスイッチング回路とが直列に接続された第二直列接続体が含まれる。この第二直列接続体では、スイッチ素子Ｓ２の一端が、第一直列接続体のダイオードＤ２とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続される。更に、ダイオードＤ１のカソード端子が、コイルＬ２の一端に接続されるとともに、そのアノード端子が、スイッチ素子Ｓ２の他端の極に接続される。また、コイルＬ２の他端は、コイルＬ１の一端側に接続される。また、副昇圧回路ＬＮ２には、ダイオードＤ６が設けられており、そのアノード端子が第二直列接続体のコイルＬ２とダイオードＤ１との接続部位に接続され、そのカソード端子が燃料電池ＦＣの低電位側の端子に接続されている。
【００４８】
このように構成されるＦＣ昇圧コンバータＥＳ６は、スイッチ素子Ｓ１のスイッチングデューティ比を調整することで、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６による昇圧比、即ちＦＣ昇圧コンバータＥＳ６に入力される燃料電池ＦＣの出力電圧に対する、トラクションインバータＥＳ３にかけられるＦＣ昇圧コンバータＥＳ６の出力電圧の比が制御される。また、このスイッチ素子Ｓ１のスイッチング動作において副昇圧回路ＬＮ２のスイッチ素子Ｓ２のスイッチング動作を介在させることで、いわゆるソフトスイッチングが実現され、ＦＣ昇圧コンバータＥＳ６でのスイッチングロスを大きく低減させることが可能となる。
【００４９】
続いて、コイルＬ２として用いられる可飽和特性を有する共振リアクトルについて説明する。図３は、そのような可飽和特性を有する共振リアクトルのインダクタンス特性を示す図である。図３に示すように、低電流域では３０μＨのインダクタンス値を有し、高電流域では０．９μＨのインダクタンス値を有するように構成する。一般的には、低電流域で３０μＨのインダクタンス値を有するコイルと、高電流域で０．９μＨのインダクタンス値を有するコイルとを直列に配置するけれども、本実施形態では共振リアクトルに可飽和特性を持たせることで、一つのコイルによって実現するものである。
【００５０】
コイルＬ２として用いられるコイルであって、可飽和特性を有する共振リアクトルとしてのコイルＬａの構成を図４に示す。図４に示すように、コイルＬａは、磁性材料によって構成されるコア５と銅線を卷回することで形成される巻線２０とによって構成されている。コア５は、上コア１０と下コア１２とを備えている。上コア１０及び下コア１２は、それぞれ直方体形状を成すように板状に形成されている。上コア１０の一辺近傍と、この一辺に対向する下コア１２の一辺近傍を繋ぐようにサイドコア１４が設けられている。また、上コア１０の一辺とは反対側の他辺近傍と、この他辺に対向する下コア１２の他辺近傍を繋ぐようにサイドコア１６が設けられている。従って、サイドコア１４とサイドコア１６とは互いに対向するように立設されている。
【００５１】
サイドコア１４とサイドコア１６との間にはセンターコア１８が設けられている。センターコア１８は、上コア１０の中央近傍と下コア１２の中央近傍とを繋ぐように立設されている。巻線２０は、センターコア１８に巻きつけられている。
【００５２】
続いて、センターコア１８の中央近傍の縦断面を図５に示し、図５を参照しながら説明を続ける。図５に示すように、センターコア１８には、ギャップ部分３１，３２，３３が形成されており、全体としてギャップを形成している。ギャップ部分３１，３２，３３は、それぞれ非磁性体によって形成されている。具体的には、セラミックス材料によって形成されていてもよく、空洞となっていてもよい。セラミックス材料によってギャップ部分３１，３２，３３を形成すれば、寸法精度を高く保つことができる。また、空洞によってギャップ部分３１，３２，３３を形成しても、本実施形態の場合は後述するようにコア領域によってギャップ部分３１，３２，３３が挟まれているので、同様に寸法精度を高く保つことができる。
【００５３】
ギャップ部分３１は、磁性体によって構成されるコア領域１８１ａとコア領域１８１ｂとによって両端を挟まれている。ギャップ部分３２も、磁性体によって構成されるコア領域１８２ａとコア領域１８２ｂとによって両端を挟まれている。ギャップ部分３３も、磁性体によって構成されるコア領域１８３ａとコア領域１８３ｂとによって両端を挟まれている。従って、ギャップ部分３１，３２，３３からの磁束漏れを、コア領域１８１ａ，１８１ｂ，１８２ａ，１８２ｂ，１８３ａ，１８３ｂによって閉じ込めることができる。
【００５４】
コア領域１８１ａとコア領域１８１ｂとは、ギャップ部分３１を挟むように独立して設けられてもよいけれども、ギャップ部分３１を囲むように連続して設けられていても好ましいものである。ギャップ部分３１を囲むように連続してコア領域１８１ａとコア領域１８１ｂとを設ければ、ギャップ部分３１からの磁束漏れをより効果的に抑制することができる。また、ギャップ部分３２に対するコア領域１８２ａ，１８２ｂも、ギャップ部分３３に対するコア領域１８３ａ，１８３ｂも同様である。
【符号の説明】
【００５５】
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＥＣ：コントローラ
ＦＣ：燃料電池
ＦＳＳ：燃料ガス供給系
ＦＳ１：燃料ガス供給源
ＦＳ２：インジェクタ
ＦＳ３：燃料ガス流路
ＦＳ４：循環流路
ＦＳ５：循環ポンプ
ＦＳ６：排気排水流路
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＡＳＳ：酸化ガス供給系
ＡＳ１：フィルタ
ＡＳ２：エアコンプレッサ
ＡＳ３：酸化ガス流路
ＡＳ４：酸化オフガス流路
ＡＳ５：加湿器
Ａ３：背圧調整弁
ＣＳ：冷却系
ＣＳ１：ラジエータ
ＣＳ２：冷却液ポンプ
ＣＳ３：冷却液往路
ＣＳ４：冷却液復路
ＥＳ：電力系
ＥＳ１：コンバータ
ＥＳ２：バッテリ
ＥＳ３：トラクションインバータ
ＥＳ４：トラクションモータ
ＥＳ５：補機類
ＥＳ６：ＦＣ昇圧コンバータ
Ｓ１：電圧センサ
Ｓ２：電流センサ
Ｓ３：ＳＯＣセンサ
Ｓ４：圧力センサ
Ｓ５：水温センサ
Ｓ６：圧力センサ
Ｓ７：温度センサ
ＩＧ：起動信号
ＶＣ：車速信号
ＡＣＣ：アクセル開度信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源である燃料電池、及び前記燃料電池の出力電圧を昇圧して負荷へ給電する昇圧コンバータを備える燃料電池システムであって、
前記昇圧コンバータは、
第一スイッチと第一コイルとを有し、前記第一スイッチが前記第一コイルに対してスイッチング動作することにより生ずる前記第一コイルの逆起電力で前記燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、
前記第一スイッチの両極間の電位差を蓄電量で調整するコンデンサを有し、前記スイッチング動作時に前記コンデンサの蓄電量を調整することで前記第一スイッチのスイッチング損失を減らす副昇圧部と、を有し、
前記副昇圧部は、第二スイッチと第二コイルとを有しており、
前記第二コイルは、磁性体によって形成されるコアの少なくとも一部に巻線を巻きつけて形成されるものであって、前記コアの前記巻線が巻きつけられている部分には非磁性体によって形成されるギャップが形成され、前記ギャップと前記巻線との間には磁性体によって形成されるコア領域が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記コア領域は、前記ギャップを囲むように前記巻線との間に設けら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】
前記ギャップは、複数のギャップ部分によって構成されており、
それぞれのギャップ部分は、前記巻線との間に設けられている前記コア領域によって囲まれてい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】
前記ギャップが、前記コアに空洞を形成することで設けられてい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１】
直流電源である燃料電池、及び前記燃料電池の出力電圧を昇圧して負荷へ給電する昇圧コンバータを備える燃料電池システムであって、
前記昇圧コンバータは、
第一スイッチと第一コイルとを有し、前記第一スイッチが前記第一コイルに対してスイッチング動作することにより生ずる前記第一コイルの逆起電力で前記燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、
前記第一スイッチの両極間の電位差を蓄電量で調整するコンデンサを有し、前記スイッチング動作時に前記コンデンサの蓄電量を調整することで前記第一スイッチのスイッチング損失を減らす副昇圧部と、を有し、
前記副昇圧部は、第二スイッチと第二コイルとを有しており、
前記第二コイルは、磁性体によって形成されるコアの少なくとも一部に巻線を巻きつけて形成されるものであって、前記コアの前記巻線が巻きつけられている部分には非磁性体によって形成されるギャップが形成され、前記ギャップと前記巻線との間には磁性体によって形成されるコア領域が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記コア領域は、前記ギャップを囲むように前記巻線との間に設けら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】
前記ギャップは、複数のギャップ部分によって構成されており、
それぞれのギャップ部分は、前記巻線との間に設けられている前記コア領域によって囲まれてい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】
前記ギャップが、前記コアに空洞を形成することで設けられてい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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１３０５９５（Ｐ２０１１−１３０５９５Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８７０９７（Ｐ２００９−２８７０９７）
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１８日（２００９．１２．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
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