JP4847929B2 - 燃料電池システムにおけるコンタクタ故障検出方法及びその装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの両反応ガスにより発電する燃料電池と、この燃料電池から電気が供給される負荷との間に設けられ、前記燃料電池に対して前記負荷を接続又は遮断するコンタクタの故障を検出する燃料電池システムにおけるコンタクタ故障検出方法及びその装置に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

燃料電池システムにおいては、燃料電池とこの燃料電池から電気が供給される負荷との間に、開閉するスイッチであるコンタクタが設けられる（特許文献１）。また、この種の燃料電池システムにおいては、燃料電池の起動時及び停止時に、ＣＰＵ、エアコンプレッサ、ポンプ、バルブ、ヒータ等の補機負荷に対して電気を供給する補助電源が備えられている。

燃料電池システムを車両に適用する場合、燃料電池と並列に補助電源である蓄電装置（エネルギストレージ）を搭載してモータを駆動する構成が提案されている。これは、駆動力に応じて燃料電池システムを可変運転する際に、燃料電池システムの応答性をカバーするためと、起動時等に燃料電池システムのエアコンプレッサ等の補機負荷に電力を供給するためと、車両減速時のモータ回生エネルギで蓄電装置を充電しそのエネルギを加速時等のアシストとに利用することにより燃料電池車両の効率を向上させるため等である。

ところで、車両推進用のモータ等、燃料電池に比較的に大きな負荷が接続される場合、燃料電池と、この燃料電池から電気が供給される負荷との間に設けられ、燃料電池に対して負荷を接続又は遮断するコンタクタの可動接点と固定接点とが溶着する、いわゆる閉故障を起こす場合があるが、燃料電池と負荷との間に設けられるコンタクタの溶着等による閉故障の検出技術についての公知技術は知られていない。

一方、電気自動車やハイブリッド自動車では、車両推進用のモータと、このモータへ電力を供給するバッテリを有しているが、このバッテリとモータとの間に設けられたコンタクタの溶着を検出する技術が提案されている（特許文献２、特許文献３）。

この特許文献２、３では、図１１に示すように、バッテリ１のＰ側（＋側）と負荷コンデンサ２との間に設けられたＰ（＋）側のメインコンタクタ３に並列に抵抗器５と制御コンタクタ６との直列回路であるプリチャージ回路が接続され、さらに、コンデンサ２に並列に電圧計７が接続された構成とされている。

この場合、メインコンタクタ３、４及び制御コンタクタ６の投入タイミングを制御するとともに、各タイミングにおいて電圧計７により測定される電圧によりメインコンタクタ３、４の溶着を検出するように構成されている。

この溶着検出技術によれば、プリチャージ回路の制御コンタクタ６を投入した後、メインコンタクタ３、４を投入するようにしているので、Ｎ側（−側）のメインコンタクタ４が溶着していても、プリチャージ回路の作用下に負荷電流が徐々に流れることになるので突入電流が流れず、図示していないヒューズが溶断することがなく、かつメインコンタクタ３、４に損傷を与えないとされている。

特開平２−５１８６８号公報 特開２０００−１３４７０７号公報 特開２００５−２４５０４９号公報

しかしながら、特許文献２、３に係る技術を燃料電池に適用して実施するためには、燃料電池が高電圧を発生するので、相当に大型で高耐圧性を有する抵抗器５と高耐圧性を有する制御コンタクタ６からなるプリチャージ回路が必須の構成要件となり、高耐圧部品により空間が占有（配置容積）される他、部品コスト及び配線コストが上昇するという問題がある。

しかも、燃料電池はバッテリと異なり、発電開始に伴い出力電圧が徐々に上昇するので、上記特許文献２、３に係る技術では、燃料電池のコンタクタの溶着を検出することができない。

その上、例えば、図１２を参照して説明すると、プリチャージ回路がなくて燃料電池１４の出力電圧が高い場合に、Ｎ側コンタクタ１０が溶着していると、Ｐ側コンタクタ９のＯＮ時にＰ側コンタクタ９並びにコンデンサ５２に対して大きな突入電流が流れてしまうという問題がある。また、燃料電池１４の出力電圧がゼロ値である場合に、Ｎ側コンタクタ１０が溶着していてもＰ側コンタクタ９のＯＮ時には電流が流れず、コンタクタ９、１０の溶着を正確に検出することができないという問題がある。

この発明は、上記の課題を考慮してなされたものであって、燃料電池と、この燃料電池から電気が供給される負荷との間に設けられ、前記燃料電池に対して前記負荷を接続又は遮断するコンタクタの故障を正確に検出することを可能とする燃料電池システムにおけるコンタクタ故障検出方法及びその装置を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法は、燃料電池と、この燃料電池に対してダイオード及びコンタクタを介して並列に接続される蓄電装置とコンデンサとを備える燃料電池システムにおける前記コンタクタの故障を、前記燃料電池システムのシステム起動時に検出する方法であって、前記システム起動時に前記燃料電池に反応ガスを供給する前に、前記コンデンサの端子間電圧が、前記燃料電池に十分な反応ガスを供給した状態における前記燃料電池の開放電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）よりも低い所定電圧になるまで、前記蓄電装置により前記コンデンサを充電し、前記所定電圧で保持するステップと、前記燃料電池に前記反応ガスの供給を開始するステップと、前記反応ガスの供給に伴い上昇する前記燃料電池の出力電圧が、前記コンデンサに保持された前記所定電圧を上回る変化の有無により前記コンタクタの故障を検出するステップと、を有することを特徴とする。

この発明に係る燃料電池システムのコンタクタ故障検出装置は、燃料電池と、この燃料電池に対してダイオード及びコンタクタを介して並列に接続される蓄電装置とコンデンサとを備える燃料電池システムにおける前記コンタクタの故障を、制御装置が前記燃料電池システムのシステム起動時に検出する装置であって、
前記制御装置は、前記システム起動時であって前記燃料電池に反応ガスを供給する前に、前記コンデンサの端子間電圧が、前記燃料電池に十分な反応ガスを供給した状態における前記燃料電池の開放電圧よりも低い所定電圧になるまで、前記蓄電装置により前記コンデンサを充電させ、前記所定電圧で保持し、前記燃料電池に前記反応ガスの供給を開始し、前記反応ガスの供給に伴い上昇する前記燃料電池の出力電圧が、前記コンデンサに保持された前記所定電圧を上回る変化の有無により前記コンタクタの故障を検出することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池システムのシステム起動時に、反応ガスの供給に伴い上昇する燃料電池の出力電圧が、負荷側のコンデンサの端子間所定電圧を上回ることにより発生する所定の電気的変化の有無によりコンタクタの故障を検出するようにしているので、コンタクタの故障を正確に検出することができる。プリチャージ回路を必要としない。

この場合、蓄電装置によりコンデンサを充電するとき、蓄電装置からＤＣ／ＤＣコンバータを介して充電するように構成することができる。

ここで、前記コンタクタの故障を検出するステップにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータにより燃料電池からの取り出し電流を制限するように制御することで、仮に前記コンタクタが閉じたままの故障状態にあった場合、燃料電池を保護することができる。

なお、前記変化の有無により前記コンタクタの故障を検出するステップでは、前記燃料電池の出力電圧が、前記コンデンサで保持されている前記所定電圧より低い状態から高い状態に変化したときには正常と判定し、この変化がない場合には故障と判定することができる。

また、前記コンタクタの故障を検出するステップの次に、前記コンタクタの接続指令を発生するステップをさらに備え、前記コンタクタの接続指令を発生する前に、前記燃料電池の出力電流のゼロ値から正値への変化がなければ正常、変化があれば故障と判定することができる。

前記コンタクタの故障を検出するステップの次に、前記コンタクタの接続指令を発生するステップをさらに備え、前記コンタクタの接続指令を発生する前に、前記燃料電池の出力電力のゼロ値から正値への変化がなければ正常、変化があれば故障と判定することができる。

この発明によれば、燃料電池に対して負荷を接続又は遮断するコンタクタの故障を正確に検出することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１５を備える燃料電池車両１３の概略構成図である。

この燃料電池車両１３は、基本的には、燃料電池（ＦＣ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）１４と、この燃料電池１４の出力を補助するとともに、この燃料電池１４にＤＣ／ＤＣコンバータ４４を通じて接続されるアシスト用の蓄電装置１６と、燃料電池１４及び蓄電装置１６の電力によりモータ電力駆動ユニット（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）４６を通じて駆動される負荷である走行駆動用のモータ１８と、燃料電池１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給システム４２と、燃料電池１４に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサ３６とから構成される。

燃料電池１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。

燃料電池１４には、燃料ガス供給システム４２から燃料ガス、例えば水素（Ｈ₂）ガスを供給するための水素供給口２０と、燃料電池１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口２２と、エアコンプレッサ３６から酸化剤ガス、例えば酸素（Ｏ₂）を含む空気（エア）を供給するための空気供給口２４と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池１４から排出するための空気排出口２６とが設けられている。

エアコンプレッサ３６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ用モータと一体となった装置（補機）であり、エアコンプレッサ３６は、燃料電池１４の通常発電運転中には、燃料電池１４に発生する高圧電圧（図１中、燃料電池電圧Ｖｆｃ）により駆動される。

燃料電池１４の出力端子（正側端子）２９、（負側端子）３０間には、燃料電池電圧Ｖｆｃを測定する電圧計１０２が接続されている。

また、燃料電池１４の出力端子２９、３０間に現れる燃料電池電圧Ｖｆｃは、燃料電池電流Ｉｆｃを測定する電流計１０４、ダイオード１０８、閉状態のコンタクタ（ＦＣコンタクタ）１０６ｐ、１０６ｎを介し、ＰＤＵ４６を通じてモータ１８に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４に供給され、さらにエアコンプレッサ３６に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４４と蓄電装置１６との間に設けられるコンタクタ１１０ｐ、１１０ｎのうち、正側（Ｐ側）のコンタクタ１１０ｐの固定接点と可動接点との間には、突入電流防止用・トリクル充電用の抵抗器１１２とスイッチ１１４との直列回路が並列に接続される。

なお、ＰＤＵ４６の入力側には、コンタクタ１０６ｐ、１０６ｎが閉状態とされていて、燃料電池１４の出力がＰＤＵ４６に接続されているとき、燃料電池１４の燃料電池電圧Ｖｆｃをより安定した電圧である端子間電圧（負荷電圧）ＶｌｄとしてＰＤＵ４６に供給するためのコンデンサ５２が接続されている。コンデンサ５２の端子間電圧Ｖｌｄを測定するための電圧計１２０が、２点鎖線で囲んでいる負荷側ライン５０間に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、両方向動作可能なコンバータであり、端子間電圧Ｖｌｄ（燃料電池１４側の燃料電池電圧Ｖｆｃ又はモータ１８の回生時におけるＰＤＵ４６側の電圧）を降圧させて蓄電装置１６に供給するダウンコンバート機能を有するとともに、蓄電装置電圧Ｖｂを昇圧させてＰＤＵ４６に供給するアップコンバート機能を有する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、燃料電池システム１５の起動時、燃料電池１４に反応ガスが供給される前に、コンデンサ５２の端子間電圧Ｖｌｄを後述する所定電圧Ｖ２まで充電する機能を有する。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、後述するように、燃料電池１４から過剰な燃料電池電流Ｉｆｃが取り出されないように必要に応じて制限する電流制限機能を有する。

燃料電池システム１５及びこの燃料電池システム１５を搭載する燃料電池車両１３には、燃料電池車両１３の始動・遮断スイッチであるイグニッションスイッチ８０が接続される制御装置（ＣＰＵ）７０が設けられ、この制御装置７０により、燃料電池システム１５の全ての動作が制御される。

制御装置７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマ、その他インタフェースを含むコンピュータにより構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能実現手段としても動作する。この実施形態において、制御装置７０は、図２に示すように、コンタクタ１０６ｐ、１０６ｎを閉状態とする閉指令を送出するコンタクタ閉指令送出手段７１と、コンタクタ１０６ｐ、１０６ｎが閉状態であるとき、コンタクタ１０６ｐに開指令を送出するコンタクタ開指令送出手段７２と、燃料ガス圧力・流量・セル電圧・温度などにより取り出しが制限される燃料電池電流Ｉｆｃの制限値である燃料電池電流制限値Ｉｆｃｌｉｍの算出手段（燃料電池電流制限値算出手段）７４と、タイマ（計時手段）７６と、十分な反応ガスが供給されている状態における燃料電池１４の開放電圧ＯＣＶよりも低い所定電圧Ｖ２までコンデンサ５２を充電する充電指令をＤＣ／ＤＣコンバータ４４に送出する起動時第１充電指令手段７８と、前記所定電圧Ｖ２より高い目標電圧Ｖｔａｒｇｅｔまでコンデンサ５２を充電する充電指令をＤＣ／ＤＣコンバータ４４に送出する起動時第２充電指令手段８１、及び閉故障検出手段８２等として機能する。

上述したように、制御装置７０には、燃料電池車両１３及び燃料電池システム１５の起動信号（始動信号）及び停止要求信号を出力するイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ；ＩＧＮ）８０が接続されている。

燃料電池システム１５の通常発電運転時には、制御装置７０により、コンタクタ１０６ｐ、１０６ｎ及びコンタクタ１１０ｐ、１１０ｎが閉状態にされ、燃料電池１４のカソード電極にエアコンプレッサ３６から空気（酸素）が供給される一方、アノード電極に燃料ガス供給システム４２から水素ガスが供給されると、アノード電極側で水素がイオン化され、水素イオンが固体高分子電解質膜を介してカソード電極の方に移動する。この間に発生した電子が外部回路に燃料電池電流（発電電流）Ｉｆｃして取り出される。

このようにして、供給される両反応ガスにより燃料電池１４が発電する通常発電運転時に、燃料電池１４から取り出された発電電力Ｉｆｃ×Ｖｆｃは、ダイオード１０８、コンタクタ１０６ｐ、１０６ｎ介し、コンデンサ５２、ＰＤＵ４６を通じてモータ１８に供給されるとともにエアコンプレッサ３６（のエアコンプレッサ用駆動モータ）に供給され、余裕がある場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４、コンタクタ１１０ｐ、１１０ｎを通じて蓄電装置１６に供給され蓄電装置１６が充電される。

上述したように、蓄電装置１６は、制御装置７０の制御下に、主に、燃料電池１４の燃料電池電圧ＶｆｃをＤＣ／ＤＣコンバータ４４で降圧した電圧により充電される。そして、燃料電池１４の起動時や発電停止時に、蓄電装置１６に蓄えられた電力が必要に応じてエアコンプレッサ３６に供給されるとともに、次回の氷点下等の低温下起動時に燃料電池１４を暖める図示しないヒータに供給されるように制御され、燃料電池１４の出力を補助（アシスト）する。なお、燃料電池車両１３の減速時に駆動輪からモータ１８に駆動力が伝達されると、モータ１８は発電機として機能し、いわゆる回生制動力を発生する。これにより、車体の運動エネルギを電気エネルギとして回収することができ、モータ１８側からＰＤＵ４６、及びＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介しても蓄電装置１６に電気エネルギが回生（蓄電）される。

基本的には、以上のように構成され、かつ動作する燃料電池システム１５及びこの燃料電池システム１５を搭載する燃料電池車両１３のコンタクタ１０６ｐ、１０６ｎの閉故障の検出技術について以下に説明する。

図１、図２、図３のフローチャート並びに図４（正常時）、図５（閉故障時）のタイムチャートを参照して説明する。なお、フローチャートは、時点ｔ３以降の処理を示している。

燃料電池システム１５のシステム停止状態（ＤＣ−ＤＣコンバータ４４：ＯＦＦ、エアコンプレッサ３６：ＯＦＦ、コンタクタ１０６ｐ、１０６ｎ：ＯＦＦ、コンタクタ１１０ｐ、１１０ｎ：ＯＮでバッテリ接続状態）の時点ｔ１においてイグニッションスイッチ８０がＯＦＦ状態からＯＮ状態にされたこと、すなわちシステムの起動を制御装置７０が検出する。

この時点ｔ１で、制御装置（起動時第１充電指令手段）７０は、コンデンサ５２の端子間電圧Ｖｌｄが、燃料電池１４に十分な反応ガスを供給した状態における燃料電池１４の開放電圧ＯＣＶ（例えば、ＯＣＶ＝４００［Ｖ］）よりも低い所定電圧Ｖ２（例えば、Ｖ２＝２００［Ｖ］）となるよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４に指令を与える。

この指令によりＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、フィードバック制御を行いながら、蓄電装置１６の電力によりコンデンサ５２の端子間電圧Ｖｌｄを所定電圧Ｖ２まで上昇させて保持する（時点ｔ１〜ｔ２）。

時点ｔ２において、制御装置７０はエアコンプレッサ３６をＯＮ状態に駆動するとともに、燃料ガス供給システム４２の管路を開放し、両反応ガスを燃料電池１４に供給開始する｛図４及び図５中、車両状態：ＦＣ（燃料電池１４）発電準備開始｝。これにより時点ｔ２以降、燃料電池１４の出力電圧である燃料電池電圧Ｖｆｃが上昇を開始する。

次いで、時点ｔ３において、ステップＳ１〜Ｓ７（時点ｔ３〜ｔ６）の処理に係る故障検知モードを開始する。この時点ｔ３において、制御装置（コンタクタ閉指令送出手段）７０は、Ｎ側コンタクタ１０６ｎをＯＦＦ状態からＯＮ状態とする指令を出力する｛ステップＳ１、図４及び図５中、車両状態：ＦＣ（とコンデンサ５２との）接続の開始｝。また、時点ｔ３にて予め定めた故障検知モードの処理時間である所定時間Ｔｓ（Ｔｓ＝ｔ３〜ｔ６）の計時をタイマ７６により開始させる。

Ｐ側コンタクタ１０６ｐが溶着等による閉故障を発生していないとき、故障検知モード中において、図４に示すように、時点ｔ２以降、燃料電池電圧Ｖｆｃが徐々に上昇し、ある時点ｔ４で燃料電池電圧Ｖｆｃの値が、既充電（時点ｔ１〜ｔ２）のコンデンサ５２の端子間所定電圧Ｖ２を上回る電圧値となる。この場合、ステップＳ２において、燃料電池１４を損傷しない燃料電池１４から取り出せる燃料電池制限値Ｉｆｃｌｉｍｉｔが、燃料ガス圧力・流量・セル電圧・温度などから例えばマップ検索により算出される。しかし、実際上、この時点ｔ４では、未だＰ側コンタクタ１０６ｐが開放となっているので、燃料電池電流Ｉｆｃは燃料電池１４から流れ出さずステップＳ３における燃料電池電流Ｉｆｃを燃料電池制限値Ｉｆｃｌｉｍｉｔに制限する制御処理は実施されない。

ステップＳ４（時点ｔ６）において、故障検知モードの処理時間である所定時間Ｔｓが経過したと判断されると、ステップＳ５（時点ｔ６）で、燃料電池電圧Ｖｆｃの値が所定電圧Ｖ２を上回る値となっているかどうかが判断される（Ｖ２＜Ｖｆｃ）。

Ｖ２＜Ｖｆｃとなっているとき、すなわち正常であるときには、Ｐ側コンタクタ１０６ｐは開放状態にあると判断されるので、ステップＳ６における故障判定において、Ｐ側コンタクタ１０６ｐは、閉故障を発生していないと判断され、次いで、ステップＳ８（時点ｔ６）において、現在、エアコンプレッサ３６等で消費されている負荷側電流（ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を通じて制御装置７０が電流値を把握できる。）に対応する目標負荷電圧Ｖｌｄｔａｒｇｅｔを算出し、ステップＳ９（時点ｔ６）において、制御装置（起動時第２充電指令手段８１）７０は、負荷電圧Ｖｌｄが目標負荷電圧Ｖｌｄｔａｒｇｅｔ（Ｖｌｄ＝Ｖｌｄｔａｒｇｅｔ）となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ４４の出力電圧である負荷電圧Ｖｌｄを制御する。

次いで、ステップＳ１０（時点ｔ７）において、制御装置（コンタクタ閉指令送出手段７１）７０は、Ｐ側コンタクタ１０６ｐの閉指令を送出する。

これによって、時点ｔ７においてＰ側コンタクタ１０６ｐが閉状態とされ、燃料電池１４と負荷側ライン５０とが接続される。時点ｔ７以降において、燃料電池電流Ｉｆｃが流れ出すようになるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、負荷側ライン５０への電流供給を停止する。エアコンプレッサ３６用の電力（電流×電圧）が、燃料電池１４から供給されるようになる。

時点ｔ８以降では、モータ１８も駆動され、燃料電池１４が通常発電状態（図４及び図５中、ＦＣ発電）とされる。

一方、ステップＳ２〜Ｓ４を繰り返し実行中の所定時間Ｔｓの間、既に、Ｐ側コンタクタ１０６ｐが閉故障（溶着）していた場合、時点ｔ４において、燃料電池電圧Ｖｆｃがコンデンサ５２に設定されていた端子間所定電圧Ｖ２を上回る値となったとき、燃料電池１４からの取り出し可能な燃料電池電流Ｉｆｃは、上述した燃料電池電流制限値Ｉｆｃｌｉｍｉｔ（図５参照）に制限する必要があるので、図５の時点ｔ４〜ｔ６に示すように、燃料電池電圧Ｖｆｃが上昇しても燃料電池電流制限値Ｉｆｃｌｉｍｉｔを上回らないようにその分ＤＣ／ＤＣコンバータ４４により負荷側電圧であるコンデンサ５２の端子間電圧Ｖｌｄを燃料電池電圧Ｖｆｃの上昇に合わせて上昇させることで燃料電池１４から過剰な燃料電池電流Ｉｆｃの取り出しを制限する。

この場合、図５の時点ｔ６のステップＳ５の制御装置（閉故障検出手段８２）７０による判断において、燃料電池電圧Ｖｆｃは、端子間電圧である負荷電圧Ｖｌｄと同値になっているので、ステップＳ５の判断（Ｖｌｄ＜Ｖｆｃ）は成立せず、ステップＳ７において、Ｐ側コンタクタ１０６ｐは閉故障を発生していると判断される。

このとき、制御装置７０は、図示しないスピーカからの音声により及び（又は）図示しない表示装置上の表示によりＰ側コンタクタ１０６ｐに閉故障が発生していることを警告乃至通知する。

なお、Ｐ側コンタクタ１０６ｐが閉故障を発生している場合においても、ステップＳ８〜Ｓ１０において、燃料電池１４は通常発電モードとされる。

以上のように上述した実施例によれば、反応ガスにより発電する燃料電池１４と、この燃料電池１４に対してダイオード１０８及びコンタクタ１０６ｐ、１０６ｎを介して並列に接続される蓄電装置１６とコンデンサ５２とを備える燃料電池システム１５におけるコンタクタ１０６ｐの故障を燃料電池システム１５のシステム起動時に検出する際、コンデンサ５２の端子間電圧Ｖｌｄが、燃料電池１４に十分な反応ガスを供給した状態における燃料電池１４の開放電圧ＯＣＶよりも低い所定電圧Ｖ２になるまで、蓄電装置１６によりＤＣ／ＤＣコンバータ４４を通じてコンデンサ５２を充電する（時点ｔ１〜ｔ２）。次いで、燃料電池１４に反応ガスを供給する（時点ｔ２）。反応ガスの供給に伴い上昇する燃料電池１４の出力電圧Ｖｆｃが、コンデンサ５２の端子間所定電圧Ｖ２を上回ることにより発生する予定の電気的変化の有無によりコンタクタ１０６ｐの故障を検出する。

このように、燃料電池システム１５のシステム起動時に、反応ガスの供給に伴い上昇する燃料電池１４の出力電圧Ｖｆｃが、負荷側のコンデンサ５２の端子間所定電圧Ｖ２を上回ることにより発生する予定の電気的変化の有無によりコンタクタ１０６ｐの閉故障を検出するようにしているので、コンタクタ１０６ｐの閉故障を正確に検出することができる。従来技術のように、プリチャージ回路を必要としない。

この場合、図４の時点ｔ１〜ｔ２に示すように、蓄電装置１６によりコンデンサ５２を充電するとき、蓄電装置１６からＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介して充電するようにすることができる。

ここで、コンタクタ１０６ｐが閉じたままの故障状態（閉故障状態）であるとき、図５の時点ｔ５〜ｔ６に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４により燃料電池１４からの取り出し電流である燃料電池電流Ｉｆｃを制限するように制御しているので燃料電池１４を保護することができる。

なお、上記した電気的変化として、燃料電池１４の出力電圧である燃料電池電圧Ｖｆｃが、コンデンサ５２の端子間所定電圧Ｖ２より低い状態から高い状態に変化したときに正常と判定し（図４の時点ｔ３〜ｔ５の間）、この変化がない場合には故障と判定することができる。

また、上記した電気的変化として、コンタクタ１０６ｐの接続指令を発生する（時点ｔ７）前に、燃料電池１４の出力電流である燃料電池電流Ｉｆｃのゼロ値から正値への変化がなければ正常、変化があれば故障と判定することができる。

さらに、上記した電気的変化として、コンタクタ１０６ｐの接続指令を発生する（時点ｔ７）前に、燃料電池１４の出力電力のゼロ値から正値への変化がなければ正常、変化があれば故障と判定することができる。

上述した実施例によれば、燃料電池１４と、この燃料電池１４から電気が供給される負荷としてのモータ１８との間に設けられる正側のコンタクタ１０６ｐの閉故障を正確に検出することができる。

なお、燃料電池１４の正負ラインは、グランド電位より浮いているので（接地されていないので）、制御装置７０は、時点ｔ３でＰ側コンタクタ１０６ｐをＯＦＦ状態からＯＮ状態とし、時点ｔ７でＮ側コンタクタ１０６ｎをＯＦＦ状態からＯＮ状態とする指令を送出することで、同様の手順で負側のコンタクタ１０６ｎの閉故障を検出することができる。例えば、今回のシステム起動時に、正側のコンタクタ１０６ｐの閉故障を検出し、次回のシステム起動時に負側のコンタクタ１０６ｎの閉故障を検出するように変更することもできる。

また、燃料電池１４の正負ラインがグランド電位より浮いているので、ダイオード１０８は、図６の燃料電池システム１５Ａを備える燃料電池車両１３Ａに示すように、正側ラインではなく、負側ラインに挿入してあっても同様にコンタクタ１０６ｎ、１０６ｐの故障検出を行うことができる。

さらには、図７の燃料電池システム１５Ｂを備える燃料電池車両１３Ｂに示すように、負側のコンタクタ１０６ｎが存在しない場合においても、図８のフローチャート（図３のフローチャートのステップＳ１の処理がないフロー）及び図９、図１０のタイムチャート（図４、図５のタイムチャート中、Ｎ側ＦＣコンタクタ１０６ｎのＯＮ、ＯＦＦ状態遷移図がないチャート）に示すように、同一の手順によりＰ側コンタクタ１０６ｐの閉故障を検出することができる。

上述した図１例（図６例）と図７例の場合の相違を含めて、図１例（図６例）及び図７例の動作・効果についてまとめて説明すると、図１（図６）例では、燃料電池システム１５、１５Ａにおいて、起動時に、燃料電池１４の燃料電池電圧Ｖｆｃが、燃料電池１４に十分な反応ガスを供給した状態における燃料電池１４の開放電圧ＯＣＶに達するより前に、コンタクタ１０６ｐ、１０６ｎの片側のみを先に投入する。

以降、図１（図６）例の燃料電池システム１５、１５Ａ及び図７例の燃料電池システム１５Ｂともに、コンタクタ１０６ｐ下流側の端子間電圧（負荷電圧）Ｖｌｄを燃料電池１４の開放電圧ＯＣＶより低く設定しておく。その後、（燃料電池電圧Ｖｆｃが上昇したときに）コンタクタ１０６ｐの１次側電圧（燃料電池電圧Ｖｆｃ）、コンタクタ１０６ｐの２次側電圧（端子間電圧Ｖｌｄ）、コンタクタ１０６ｐに流れる燃料電池電流Ｉｆｃ（又は電力）のうち少なくとも１つの量を用いて、コンタクタ１０６ｐに閉故障が発生しているかどうかを判定する。

その際、コンタクタ１０６ｐの下流の電圧（端子間電圧Ｖｌｄ）を、ＤＣ／ＤＣコンバータ４４により調整する。

すなわち、この調整のときに、燃料電池１４から出力される電流（燃料電池電流Ｉｆｃ）あるいは電力を制限する必要がある場合は、燃料電池電流Ｉｆｃが燃料電池１４を損傷しないで燃料電池１４から取り出せる燃料電池制限値Ｉｆｃｌｉｍｉｔ以下となるようにコンタクタ１０６ｐの２次側電圧である端子間電圧ＶｌｄをＤＣ／ＤＣコンバータ４４により制御する。コンタクタ１０６ｐに閉故障が発生していた場合に、燃料電池電流Ｉｆｃが制限値以上に取り出されてしまい損傷する可能性を防止するためである。

以上の動作により、従来技術の項で説明したようなプリチャージ回路を持たない構成において、突入電流を発生させることなく閉故障を検出することができる。また、閉故障検出中に、燃料電池１４から負荷側の回路に流れる電流量を制御（制限）することができる。しかも、閉故障を発生していた場合にも燃料電池１４を痛めないという効果を達成する。

この発明の一実施形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略回路ブロック図である。 ＣＰＵの機能実現手段を示す説明図である。 図１例の動作説明に供されるフローチャートである。 図１例の動作説明（正常時）に供されるタイムチャートである。 図１例の動作説明（閉故障発生時）に供されるタイムチャートである。 図１の変形例の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略回路ブロック図である。 図１の他の変形例の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略回路ブロック図である。 図７例の動作説明に供されるフローチャートである。 図７例の動作説明（正常時）に供されるタイムチャートである。 図７例の動作説明（閉故障発生時）に供されるタイムチャートである。 従来技術に係るプリチャージ回路の説明図である。 プリチャージ回路のない従来技術に係る燃料電池システムの問題点の説明図である。

符号の説明

１３、１３Ａ、１３Ｂ…燃料電池車両 １４…燃料電池
１５、１５Ａ、１５Ｂ…燃料電池システム １６…蓄電装置
４４…ＤＣ／ＤＣコンバータ ５２…コンデンサ
７０…制御装置 １０６ｐ、１０６ｎ…コンタクタ

Claims (7)

1. 燃料電池と、この燃料電池に対してダイオード及びコンタクタを介して並列に接続される蓄電装置とコンデンサとを備える燃料電池システムにおける前記コンタクタの故障を、前記燃料電池システムのシステム起動時に検出する方法であって、
   前記システム起動時に前記燃料電池に反応ガスを供給する前に、前記コンデンサの端子間電圧が、前記燃料電池に十分な反応ガスを供給した状態における前記燃料電池の開放電圧よりも低い所定電圧になるまで、前記蓄電装置により前記コンデンサを充電し、前記所定電圧で保持するステップと、
   前記燃料電池に前記反応ガスの供給を開始するステップと、
   前記反応ガスの供給に伴い上昇する前記燃料電池の出力電圧が、前記コンデンサに保持された前記所定電圧を上回る変化の有無により前記コンタクタの故障を検出するステップと、
   を有することを特徴とする燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法。
2. 請求項１記載の燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法において、
   前記コンデンサと前記蓄電装置との間にＤＣ／ＤＣコンバータが接続され、前記蓄電装置により前記コンデンサを充電するステップでは、前記蓄電装置から前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して充電する
   ことを特徴とする燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法。
3. 請求項２記載の燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法において、
   前記コンタクタの故障を検出するステップにおいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記燃料電池からの取り出し電流を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法。
4. 請求項１記載の燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法において、
   前記変化の有無により前記コンタクタの故障を検出するステップでは、前記燃料電池の出力電圧が、前記コンデンサで保持されている前記所定電圧より低い状態から高い状態に変化したときには正常と判定し、この変化がない場合には故障と判定する
   ことを特徴とする燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法。
5. 請求項１記載の燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法において、
   前記コンタクタの故障を検出するステップの次に、前記コンタクタの接続指令を発生するステップをさらに備え、前記コンタクタの接続指令を発生する前に、前記燃料電池の出力電流のゼロ値から正値への変化がなければ正常、変化があれば故障と判定する
   ことを特徴とする燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法。
6. 請求項１記載の燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法において、
   前記コンタクタの故障を検出するステップの次に、前記コンタクタの接続指令を発生するステップをさらに備え、前記コンタクタの接続指令を発生する前に、前記燃料電池の出力電力のゼロ値から正値への変化がなければ正常、変化があれば故障と判定する
   ことを特徴とする燃料電池システムのコンタクタ故障検出方法。
7. 燃料電池と、この燃料電池に対してダイオード及びコンタクタを介して並列に接続される蓄電装置とコンデンサとを備える燃料電池システムにおける前記コンタクタの故障を、制御装置が前記燃料電池システムのシステム起動時に検出する装置であって、
   前記制御装置は、
   前記システム起動時に前記燃料電池に反応ガスを供給する前に、前記コンデンサの端子間電圧が、前記燃料電池に十分な反応ガスを供給した状態における前記燃料電池の開放電圧よりも低い所定電圧になるまで、前記蓄電装置により前記コンデンサを充電させ、前記所定電圧で保持し、
   前記燃料電池に前記反応ガスの供給を開始し、
   前記反応ガスの供給に伴い上昇する前記燃料電池の出力電圧が、前記コンデンサに保持された前記所定電圧を上回る変化の有無により前記コンタクタの故障を検出する
   ことを特徴とする燃料電池システムのコンタクタ故障検出装置。

Images