JP2010225418A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力供給経路に設けられたリレーの溶着を検知する。
【解決手段】燃料電池システム１の制御部４は、システム終了時において、電流センサＡによって検出される電流が０になった後に、リレー３５Ａ、３５Ｂを制御して電力供給経路を所定期間遮断させ、電力供給経路が遮断するように制御されている間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１への指令電圧を所定の溶着判定用電圧まで低下させ、この指令電圧の低下に応じて、電流センサＡによって検出される電流が増加したか否かを判定し、電流が増加した場合に、リレー３５Ａ、３５Ｂが溶着していると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

下記特許文献１には、燃料電池から駆動モータへの電力供給経路にリレーを設けた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、システムを終了するときにガス漏れの検知をしており、ガス漏れが検知されない場合には、リレーをＯＦＦ状態にして駆動モータへの電力の供給を停止させる一方、ガス漏れが検知された場合には、リレーをＯＮ状態に維持したまま燃料電池への燃料ガスの供給を停止することで、リレー切り換え時の火花を回避して燃料ガスへの着火を防止している。

特開２００３−１５７８７０号公報

ところで、上述した従来の燃料電池システムにおいて、電力供給経路に設けたリレーが溶着してしまうと、例えば過電流が発生したとき等に電力供給経路を遮断することができなくなるため、燃料電池に電流が流れ込み、燃料電池のスタックが機能しなくなるおそれがある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、電力供給経路に設けられたリレーの溶着を検知可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、複数の単セルが積層してなるセル積層体を有し、当該セル積層体に供給される酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池から供給される電力を消費する電力消費装置と、前記燃料電池から前記電力消費装置に電力を供給する経路を接続または遮断するリレーと、前記経路のうち前記リレーよりも前記電力消費装置側に設けられ、前記経路を流れる電流を検出する電流検出部と、システム終了時において、前記電流検出部によって検出される前記電流が０になった後に、前記リレーを制御して前記経路を所定期間遮断させるリレー制御手段と、リレー制御手段によって前記経路が遮断されるように制御されている間に、前記燃料電池の出力電圧を所定の溶着判定用電圧まで低下させる電圧制御手段と、前記電圧制御手段による前記燃料電池の出力電圧の低下に応じて、前記電流検出部によって検出される前記電流が増加したか否かを判定する電流判定手段と、前記電流判定手段によって前記電流が増加したと判定された場合に、前記リレーが溶着していると判定する溶着判定手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、システムを終了させる際に、電流が流れなくなってからリレーを制御して電力供給経路を所定期間遮断するように制御することができるため、リレーが溶着する要因を低減させることができる。また、電力供給経路を遮断するように制御している間に燃料電池の出力電圧を溶着判定用電圧まで低下させ、この出力電圧の低下に応じて電力供給経路を流れる電流が検出された場合に、電力供給経路を遮断しているはずのリレーが溶着していると判定することができる。つまり、リレーが溶着することによって流れ得る電流を検出することでリレーの溶着を確実に検知することが可能となる。

本発明によれば、電力供給経路に設けられたリレーの溶着を検知することができる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 実施形態におけるリレー溶着判定処理の流れを説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを、燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。なお、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

まず、図１を参照して、実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、システムの電力を充放電する電力系３と、システム全体を統括制御する制御部４とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層してなるスタック（セル積層体）を有する。各単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２には、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶが設けられている。

電力系３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１と、二次電池であるバッテリ３２と、トラクションインバータ３３と、トラクションモータ３４（電力消費装置）と、図示しない各種の補機インバータとを有する。燃料電池２からトラクションモータ３４に電力を供給する経路（電力供給経路）には、電力供給経路を接続または遮断するリレー３５と、トラクションモータ３４側から燃料電池２への電流の流入を防止するダイオード３６と、電力供給経路を流れる電流を検出する電流センサＡと、が設けられている。リレー３５は、燃料電池２の正極側をトラクションモータ３４側に接続する第１のリレー３５Ａと、燃料電池２の負極側をトラクションモータ３４側に接続する第２のリレー３５Ｂとを有する。ダイオード３６および電流センサＡは、電力供給経路のうち第１のリレー３５Ａよりもトラクションモータ３４側に設けられている。なお、ダイオード３６および電流センサＡを、電力供給経路のうち第２のリレー３５Ｂよりもトラクションモータ３４側に設けることとしてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ３２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ３３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ３４から入力された直流電圧を調整してバッテリ３２に出力する機能と、を有する。

バッテリ３２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ３３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ３４に供給する。トラクションモータ３４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。

制御部４は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ３４等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ３４の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサや燃料ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置および懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明およびオーディオ等が含まれる。

制御部４は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリには、例えば、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭとが含まれる。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電流センサＡ等の各種センサが接続されているとともに、電力消費装置等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、後述するリレー溶着判定処理等を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

制御部４は、例えば、リレー溶着判定処理を実行する。制御部４は、機能的には、例えば、リレー制御部（リレー制御手段）と、電圧制御部（電圧制御手段）と、電流判定部（電流判定手段）と、溶着判定部（溶着判定手段）とを有する。以下に、リレー溶着判定処理を実行する各機能について説明する。

リレー制御部は、イグニッションスイッチのＯＦＦ操作が行われ、電流センサＡによって検出される電流が０になった後に、第１のリレー３５ＡをＯＦＦ状態にして電力供給経路を所定期間遮断させる。リレー制御部は、第１のリレー３５ＡをＯＦＦ状態にしてから所定期間経過後に第１のリレー３５ＡをＯＮ状態に戻すとともに第２のリレー３５ＢをＯＦＦ状態にして電力供給経路を所定期間遮断させる。リレー制御部は、第２のリレー３５ＢをＯＦＦ状態にしてから所定期間経過後に第２のリレー３５ＢをＯＮ状態に戻す。電力供給経路を遮断する際の所定期間は、例えば、リレー３５をＯＮ状態にしてＤＣ／ＤＣコンバータ３１への指令電圧を変動させた場合に、この変動に応じて燃料電池２の出力電圧が変動することを確認可能な時間を含む期間であればよい。

電圧制御部は、リレー制御部によって電力供給経路が遮断するように制御されている間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１への指令電圧を所定の溶着判定用電圧まで低下させてから元の電圧まで上昇させる。溶着判定用電圧としては、例えば、リレーの溶着を判定するときに燃料電池２の出力電圧が推移すると想定される電圧よりも低い電圧に設定することができる。

電流判定部は、電圧制御部による指令電圧の低下に応じて、電流センサＡによって検出される電流が増加したか否かを判定する。すなわち、電流判定部は、電圧制御部による指令電圧の低下に応じて、電力供給経路を流れる電流が検出されるか否かを判定する。

溶着判定部は、電流判定部によって電流が増加したと判定された場合に、その判定時にリレー制御部によってＯＦＦ状態にされているはずのリレー３５が溶着していると判定する。

ここで、本実施形態における燃料電池システム１では、燃料電池２の劣化を抑制するために、システム終了時に高電位回避処理を実行する。高電位回避処理とは、燃料電池２の出力電圧を予め定めた高電位回避電圧以下に強制的に制限する処理をいう。したがって、イグニッションスイッチのＯＦＦ操作が行われてから燃料電池２の出力電圧が高電位回避電圧よりも低下するまでの間は、燃料電池２から電流が出力されることになる。高電位回避電圧としては、例えば、燃料電池２のスタックの触媒がイオン化して溶出するおそれがある高電位状態を回避することができる電圧を設定することができる。

このように、システム終了時に高電位回避処理を実行すると、燃料電池２の出力電圧が高電位回避電圧よりも低下するまでは、燃料電池２から電流が出力されることとなる。燃料電池２から電流が出力されているときに第１のリレー３５Ａや第２の３５ＢをＯＮ／ＯＦＦすると、リレー３５Ａ、３５Ｂが溶着するおそれがある。したがって、システム終了時に燃料電池２の出力電流が０になってから上述したリレー溶着判定処理を実行することで、リレーが溶着する要因を低減させることができる。

一方、システム終了時に燃料電池２の出力電流が０になった後は、燃料電池２の出力電圧が徐々に低下していくこととなる。燃料電池２の出力電圧が、上述した溶着判定用電圧以下に低下してしまうと、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１への指令電圧を溶着判定用電圧まで低下させてから元の電圧まで上昇させたとしても、燃料電池２の出力電圧が指令電圧に応じて変動することができなくなる。したがって、燃料電池２の出力電圧が溶着判定用電圧よりも大きいときに、リレー溶着判定処理を実行する必要がある。

制御部４は、リレー３５が溶着していると判定した場合に、運転者にその旨を警告する。警告する方法としては、例えば、警告灯を点灯することや、警報音を出力すること等が該当する。

次に、図２に示すフローチャートを参照して、本実施形態における燃料電池システムで実行されるリレー溶着判定処理の流れについて説明する。

最初に、制御部４が、イグニッションスイッチのＯＦＦ操作を検知する（ステップＳ１０１）と、制御部４は、電流センサＡで検出された電流が０になったか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）に、制御部４は、上記ステップＳ１０２の処理を再度行う。

一方、上記ステップＳ１０２の判定で、電流センサＡで検出された電流が０であると判定された場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）に、制御部４は、第１のリレー３５ＡをＯＦＦ状態にして電力供給経路を所定期間遮断させる（ステップＳ１０３）。

続いて、制御部４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１への指令電圧を溶着判定用電圧まで低下させてから元の電圧まで上昇させる（ステップＳ１０４）。

続いて、制御部４は、電流センサＡで電流が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１０５）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０５；ＮＯ）に、制御部４は、第１のリレー３５Ａが正常であると判定する（ステップＳ１０６）。

一方、上記ステップＳ１０５の判定で、電流センサＡで電流が検出されたと判定された場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）に、制御部４は、第１のリレー３５Ａが溶着していると判定し（ステップＳ１０７）、警告灯を点灯する等して運転者にその旨を警告する（ステップＳ１０８）。

続いて、制御部４は、第１のリレー３５ＡをＯＮ状態にし、第２のリレー３５ＢをＯＦＦ状態にして電力供給経路を所定期間遮断させる（ステップＳ１０９）。

続いて、制御部４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１への指令電圧を溶着判定用電圧まで低下させてから元の電圧まで上昇させる（ステップＳ１１０）。

続いて、制御部４は、電流センサＡで電流が検出されたか否かを判定する（ステップＳ１１１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１１１；ＮＯ）に、制御部４は、第２のリレー３５Ｂが正常であると判定する（ステップＳ１１２）。

一方、上記ステップＳ１１１の判定で、電流センサＡで電流が検出されたと判定された場合（ステップＳ１１１；ＹＥＳ）に、制御部４は、第２のリレー３５Ｂが溶着していると判定し（ステップＳ１１３）、警告灯を点灯する等して運転者にその旨を警告する（ステップＳ１１４）。

続いて、制御部４は、第１のリレー３５ＡをＯＦＦ状態にして（ステップＳ１１５）リレー溶着判定処理を終了する。

上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、システムを終了させる際に、電流が流れなくなった後に、第１のリレー３５Ａまたは第２のリレー３５Ｂを制御して電力供給経路を所定期間遮断するように制御することができるため、第１のリレー３５Ａまたは第２のリレー３５Ｂが溶着する要因を低減させることができる。

また、第１のリレー３５Ａまたは第２のリレー３５Ｂのいずれか一方をＯＦＦ状態にして電力供給経路を遮断するように制御している間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１への指令電圧を溶着判定用電圧まで低下させ、この指令電圧の低下に応じて電力供給経路を流れる電流が検出された場合に、ＯＦＦ状態に制御されているはずの第１のリレー３５Ａまたは第２のリレー３５Ｂが溶着していると判定することができる。つまり、第１のリレー３５Ａまたは第２のリレー３５Ｂが溶着することによって流れ得る電流を検出することでリレーの溶着を確実に検知することが可能となる。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…電力系、４…制御部、３１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３２…バッテリ、３３…トラクションインバータ、３４…トラクションモータ、３５Ａ，３５Ｂ…リレー、３６…ダイオード、Ａ…電流センサ。

Claims (1)

1. 複数の単セルが積層してなるセル積層体を有し、当該セル積層体に供給される酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池から供給される電力を消費する電力消費装置と、
   前記燃料電池から前記電力消費装置に電力を供給する経路を接続または遮断するリレーと、
   前記経路のうち前記リレーよりも前記電力消費装置側に設けられ、前記経路を流れる電流を検出する電流検出部と、
   システム終了時において、前記電流検出部によって検出される前記電流が０になった後に、前記リレーを制御して前記経路を所定期間遮断させるリレー制御手段と、
   リレー制御手段によって前記経路が遮断されるように制御されている間に、前記燃料電池の出力電圧を所定の溶着判定用電圧まで低下させる電圧制御手段と、
   前記電圧制御手段による前記燃料電池の出力電圧の低下に応じて、前記電流検出部によって検出される前記電流が増加したか否かを判定する電流判定手段と、
   前記電流判定手段によって前記電流が増加したと判定された場合に、前記リレーが溶着していると判定する溶着判定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

Images