JP6322925B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の電圧を制御する燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池とコンバータとの間に逆流防止ダイオードを接続し、燃料電池とバッテリとの間に接続したコンバータを制御して駆動モータ等の負荷に電力を供給する燃料電池システムが開示されている。このような燃料電池システムでは、システム停止時に燃料電池と駆動モータ等を完全に切り離すことが望ましく、コンバータと燃料電池との接続を機械的に遮断する接点式の切替器を、逆流防止ダイオードよりも燃料電池側に設け、システム停止時にはこの切替器を遮断している。

特開２００７−１５９３１５号公報

現在開発中の燃料電池システムでは、燃料のアノードガス及びカソードガスの供給を開始する前に、コンバータで燃料電池側の電圧を昇圧してから接点式の切替器を接続状態に切り替える。そして切替器を接続状態にした後、燃料電池に対してアノードガス及びカソードガスのガス供給を開始して燃料電池を起動するようにしている。

切替器を接続状態にした後に燃料電池へのガス供給を開始する理由は、切替器を接続状態にする前から燃料電池へのガス供給を開始すると燃料電池の電圧が上昇し、切替器を接続する時点では燃料電池の電圧がコンバータの電圧よりも高くなることが懸念されるからである。この状態で切替器を接続状態に切り替えると切替器の接点においてアーク放電が発生する。この対策として、燃料電池の電圧を上昇させないように、切替器が接続されるタイミングまで燃料電池へのガス供給を待っているのである。

しかしながら、このような起動処理では、コンバータで昇圧を開始してから切替器が接続状態に切り替えられるまでの間、燃料電池へのガス供給を待たなければならず、燃料電池の電圧の立ち上がりが遅くなり、システムの起動に要する時間が長くなってしまうという問題がある。

本発明は、簡易な回路構成で接点式の切替器のアーク放電を回避しつつ、迅速に燃料電池を起動する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池システムのある態様は、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムである。この燃料電池システムは、前記燃料電池側の電圧とバッテリ側の電圧の少なくとも一方を昇圧するコンバータと、前記燃料電池を起動するときに、前記コンバータと前記燃料電池とを遮断状態から接続状態に切り替える接点式の切替器とを含む。そして燃料電池システムは、前記コンバータから前記燃料電池へ流れる電流を阻止するとともに、前記コンバータと前記燃料電池との接続を遮断する半導体式のスイッチ素子を含むことを特徴とする。

この態様によれば、燃料電池システムには、コンバータと燃料電池との間に半導体式のスイッチ素子が設けられ、このスイッチ素子は、コンバータから燃料電池へ流れる電流を阻止するとともに、コンバータと燃料電池との接続を遮断する。

これにより、例えば燃料電池システムを起動してから直ぐに接点式の切替器を接続状態に切り替えても、スイッチ素子によって切替器に流れる電流を事前に遮断しておけるので、切替器の接続時にアーク放電が発生することを回避できる。

そして切替器が接続状態のときにスイッチ素子を接続状態に切り替えても、切替器が接続状態であるため切替器の接点でアーク放電が発生せず、またスイッチ素子は半導体素子であるためスイッチ素子自体でもアーク放電が発生することはない。

故に、アーク放電を発生させることなく、起動してから直ぐに切替器を接続状態に切り替えることが可能となり、燃料電池へのガス供給を速やかに実施することができる。

したがって、簡易な回路構成でアーク放電を回避しつつ、迅速に燃料電池を起動することができる。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムを示す構成図である。 図２は、一般的な起動処理に関するタイミングチャートである。 図３は、本実施形態における起動処理に関するタイミングチャートである。 図４は、逆阻止型スイッチ素子の制御方法を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

燃料電池システム１は、例えば、３相交流の駆動モータ６で車両を駆動する電気自動車に搭載される電源システムである。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、強電バッテリ３と、ＰＭ（Power Management）回路４と、補機モータ５と、コントローラ７と、を備える。また、燃料電池システム１は、スタック遮断器２１と、バッテリ遮断器３１と、補機インバータ５１と、駆動インバータ６１と、ガス給排装置２００と、セル電圧測定装置３００と、を備える。

燃料電池スタック２は、補機モータ５及び駆動モータ６の電源である。燃料電池スタック２は、補機モータ及び駆動モータ６などの負荷に応じて発電する。燃料電池スタック２は、複数枚の電池セルの燃料電池を積層したものである。

燃料電池は、電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とを外部から供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応（発電反応）は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ+ ＋４ｅ- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この電極反応（１）及び（２）によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

燃料電池を自動車の動力源として使用する場合には、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、駆動モータ６を駆動するのに必要な電力が大きくなるため、数百枚の燃料電池を積層させる必要がある。

燃料電池スタック２に積層された燃料電池のそれぞれは互いに直列に接続されているため、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が、燃料電池スタック２の出力電圧となる。燃料電池スタック２は、スタック遮断器２１を介して駆動インバータ６１及びＰＭ回路４の電圧端子４ａのそれぞれに接続される。

スタック遮断器２１は、燃料電池スタック２を駆動インバータ６１及びＰＭ回路４から機械的に遮断する接点式の切替器である。スタック遮断器２１によって、緊急停止時などにおいて、燃料電池スタック２を、駆動インバータ６１及びＰＭ回路４から完全に切り離すことができるようになる。スタック遮断器２１は、コントローラ７によって制御される。

スタック遮断器２１は、燃料電池スタック２の起動時に、コントローラ７によって燃料電池スタック２を、駆動インバータ６１及びＰＭ回路４に接続する。すなわち、スタック遮断器２１は、燃料電池スタック２を起動するときに、燃料電池スタック２とＰＭ回路４との間を遮断状態から接続状態に切り替える。

スタック遮断器２１は、燃料電池スタック２の正極端子（＋）をＰＭ回路４の正極側の電圧端子４ａに接続するとともに、燃料電池スタック２の負極端子（−）をＰＭ回路４の負極側の電圧端子４ａに接続する。

強電バッテリ３は、バッテリ遮断器３１を介して補機インバータ５１及びＰＭ回路４に接続される。強電バッテリ３は、例えば３００Ｖ（ボルト）のリチウムイオンバッテリである。強電バッテリ３は、ＰＭ回路４によって駆動モータ６で生成される回生電力を蓄える。強電バッテリ３は、バッテリ遮断器３１によって補機インバータ５１及びＰＭ回路４の電圧端子４ｂのそれぞれに接続される。

バッテリ遮断器３１は、強電バッテリ３を補機インバータ５１及びＰＭ回路４から機械的に遮断する接点式の切替器である。バッテリ遮断器３１は、コントローラ７によって制御される。バッテリ遮断器３１は、例えば、燃料電池システム１の停止時に、強電バッテリ３を補機インバータ５１及びＰＭ回路４から遮断し、起動時に強電バッテリ３を、補機インバータ５１及びＰＭ回路４に接続する。

バッテリ遮断器３１は、強電バッテリ３の正極端子（＋）をＰＭ回路４の正極側の電圧端子４ｂに接続するとともに、強電バッテリ３の負極端子（−）をＰＭ回路４の負極側の電圧端子４ｂに接続する。

ＰＭ回路４は、燃料電池スタック２側の電圧と強電バッテリ３側の電圧とのうち少なくとも一方を昇圧するコンバータである。ＰＭ回路４は、いわゆる双方向昇降圧回路である。

ＰＭ回路４は、リアクトル４１と、スタック側キャパシタ４２と、バッテリ側キャパシタ４３と、スイッチング素子４４ａ〜４４ｄと、を備える。スイッチング素子４４ａ〜４４ｄのそれぞれは、ダイオードが並列に接続されている。ダイオードについては、スイッチング素子４４ａ〜４４ｄに電流が流れる向きとダイオードの順方向とが逆向きになるように配置される。

スイッチング素子４４ａ〜４４ｄは、コントローラ７によってオンオフ制御される。スイッチング素子４４ａ〜４４ｄのオンオフ制御によって、スタック側キャパシタ４２に生じる電圧を昇降圧させる。また、スイッチング素子４４ａ〜４４ｄのオンオフ制御によって、バッテリ側キャパシタ４３の電圧を昇降圧させることも可能である。

補機モータ５は、ＰＭ回路４の電圧端子４ｂとバッテリ遮断器３１との間に並列に接続される。本実施形態では補機モータ５は、燃料電池スタック２にカソードガスを供給するコンプレッサ２１２を駆動する。

補機インバータ５１は、ＰＭ回路４によって燃料電池スタック２から供給される直流電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧を補機モータ５に供給する。

駆動インバータ６１は、スタック遮断器２１とＰＭ回路４の電圧端子４ａとの間に並列に接続される。駆動インバータ６１は、ＰＭ回路４によって燃料電池スタック２から供給される電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧を駆動モータ６に供給する。

ガス給排装置２００は、燃料電池スタック２にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック２から排出されるアノードオフガスをカソードオフガスで希釈して排出する装置である。

ガス給排装置２００は、カソードガス供給通路２１１と、コンプレッサ２１２と、排出通路２１３と、調圧弁２１４と、アノードガス供給通路２２１と、高圧タンク２２２と、調圧弁２２３と、排出通路２２４と、パージ弁２２５と、を備える。

カソードガス供給通路２１１は、燃料電池スタック２に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１１は、一端が外気と連通し、他端が燃料電池スタック２のカソードガス入口孔に接続される。

コンプレッサ２１２は、カソードガス供給通路２１１に設けられる。コンプレッサ２１２は、カソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１１に取り込み、その空気を燃料電池スタック２に供給する。

排出通路２１３は、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。排出通路２１３の一端は燃料電池スタック２のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口端となっている。排出通路２１３には、調圧弁２１４が設けられている。

アノードガス供給通路２２１は、高圧タンク２２２からアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路である。アノードガス供給通路２２１の一端は高圧タンク２２２に接続され、他端が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔に接続される。高圧タンク２２２にはアノードガスが高圧状態に保って貯蔵されている。

調圧弁２２３は、アノードガス供給通路２２１に設けられる。調圧弁２２３は、高圧タンク２２２から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２に供給する。調圧弁２２３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ７によって制御される。

排出通路２２４は、燃料電池スタック２から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。排出通路２２４の一端は燃料電池スタック２のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガスの排出通路２１３と合流する。

排出通路２２４には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、燃料電池スタック２内のカソードガス流路からアノードガス流路にクロスリークしてきた不純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。不純物ガスは、空気に含まれる窒素や、発電に伴う水蒸気などである。

パージ弁２２５よりも上流の排出通路２２４にはバッファタンクが形成され、燃料電池スタック２から流れてきたアノードオフガスがバッファタンクで一旦蓄えられる。そしてアノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンクで凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。

パージ弁２２５は、排出通路２２４に設けられる。パージ弁２２５は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ７によって制御される。パージ弁２２５の開度を調節することで、バッファタンクから排出されるアノードオフガスの流量を調節し、バッファタンクのアノードガス濃度を一定以下に保つことができる。

電圧測定装置３００は、燃料電池スタック２に積層された各電池セルのセル電圧を測定する。電圧測定装置３００には、各電池セルの正極端子に接続された複数の電圧線がそれぞれ接続されている。電圧測定装置３００は、各電池セルのセル電圧と、各電池セルの総和の総電圧とを測定し、これらの測定結果をコントローラ７に供給する。

このようにガス給排装置２００は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池スタック２に供給して燃料電池スタック２を発電させる。

コントローラ７は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ７には、燃料電池システム１の状態を検出する各種センサから信号が入力される。各種センサとしては、始動キーのオンオフ切替えに基づいて燃料電池システム１の始動要求及び停止要求を検出するキーセンサ７１、燃料電池スタック２から取り出される出力電流を検出する電流センサ７２や、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ７３などがある。

コントローラ７は、燃料電池スタック２に接続される補機モータ５や駆動モータ６などの負荷に基づいて、燃料電池スタック２から取り出す電流の目標値（以下「目標電流」という。）を演算する。

例えば、コントローラ７は、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、駆動モータ６の駆動に必要な要求電力は大きくなるので、大きな値の目標電流を算出する。

コントローラ７は、目標電流に基づいてアノードガス圧力及びカソードガス圧力の目標値を演算し、その演算結果に基づいてガス給排装置２００を制御する。これと共にコントローラ７は、燃料電池スタック２の基準特性を参照して目標電流に対応する目標電圧を特定し、スタック側キャパシタ４２の電圧が目標電圧となるようにＰＷＭ（pulse width modulation）信号を生成してスイッチング素子４４ａ〜４４ｄに供給する。このようにコントローラ７によって燃料電池スタック２の運転が実施される。そしてコントローラ７は、燃料電池システム１に対する停止要求を受け付けると、燃料電池スタック２の運転を停止する。

また、コントローラ７は、燃料電池システム１に対する始動要求を受け付けると、燃料電池スタック２の起動処理を実行し、ＰＭ回路４を制御して燃料電池スタック２の発電電力を補機モータ５に供給する。ここで一般的な燃料電池システム１の起動処理方法について簡単に説明する。

図２は、一般的な燃料電池システム１の起動処理を示すタイミングチャートである。

まず、時刻ｔ０よりも前に停止要求によって燃料電池スタック２の運転が停止される。停止処理では、ガス給排装置２００によるアノードガス及びカソードガスの供給が停止され、スタック遮断器２１及びバッテリ遮断器３１のそれぞれが接続状態から遮断状態に切り替えられる。これにより、スタック側キャパシタ４２の電圧が０Ｖまで低下する。

時刻ｔ０において燃料電池システム１が起動されると、強電バッテリ３の起動処理が行われる。強電バッテリ３の起動処理では、強電バッテリ３が正常であることを確認するために、例えば、強電バッテリ３の電圧や温度などの状態が所定の閾値を超えているか否かが判断される。そして、強電バッテリ３の状態が所定の閾値を超えていると判断されたときにバッテリ遮断器３１が遮断状態から接続状態に切り替えられる。

時刻ｔ１では、ＰＭ回路４においてスイッチング素子４４ａ〜４４ｄのオンオフ制御が実行されることにより、図２（ａ）に示すように、スタック側キャパシタ４２の電圧が、強電バッテリ３の電圧によって上限電圧値まで昇圧される。上限電圧値は、駆動インバータ６１の耐圧限界値によって定められる。

スタック側キャパシタ４２の電圧を上限電圧値に設定することによって、燃料電池スタック２の電圧が上限電圧値に制限されるので、駆動インバータ６１を過大電圧から保護することができる。また、スタック側キャパシタ４２の電圧を上限電圧値まで上昇させることで、燃料電池スタック２からスタック遮断器２１を介してＰＭ回路４へ流れる電流を抑制し、スタック遮断器２１の接続時にアーク放電が発生することを防止する。

時刻ｔ２では、スタック側キャパシタ４２の電圧が上限電圧値まで上昇すると、図２（ｂ）に示すように、スタック遮断器２１の設定が遮断状態から接続状態に切り替えられる。

そして図２（ｃ）に示すように、スタック遮断器２１が遮断状態から接続状態に切り替えられるまで待機した後、時刻ｔ３においてガス給排装置２００の調圧弁２２３を開くことにより、アノードガスが燃料電池スタック２に供給される。

燃料電池スタック２へのアノードガスの供給に伴って、燃料電池スタック２で上述の電極反応（１）及び（２）が起こり、図２（ｄ）に示すように、燃料電池スタック２の電圧が上昇する。上昇した電圧は、過渡的にスタック側キャパシタ４２の電圧よりも上昇してから上限電圧値に制限される。これにより、駆動インバータ６１が過大電圧から保護される。

その後アノードガスの供給圧力の上昇によって、図２（ｅ）に示すように、燃料電池スタック２から取り出される電流がＰＭ回路４を介して補機インバータ５１に出力される。

時刻ｔ４では、図２（ｃ）に示すようにアノードガスの供給圧力が目標値まで上昇し、これに伴い燃料電池スタック２の出力電流は、補機モータ５の駆動に必要な電流値まで上昇する。このようにして燃料電池スタック２に対するアノードガスの供給が完了する。

このように、燃料電池システム１の一般的な起動処理では、燃料電池スタック２にアノードガスを供給する前に、ＰＭ回路４のスタック側キャパシタ４２の電圧を上限電圧値まで上昇させる。その後時刻ｔ２でスタック遮断器２１を接続状態に切り替え、時刻ｔ３でアノードガスのガス供給を開始して燃料電池スタック２を起動するようにしている。

スタック遮断器２１を接続状態にした後にガス供給を開始する理由は、スタック遮断器２１を接続状態にする前からガス供給を開始すると、スタック遮断器２１の接続時には燃料電池スタック２の電圧がＰＭ回路４の電圧よりも上昇していることが懸念されるからである。

燃料電池スタック２の電圧が、ＰＭ回路４のスタック側キャパシタ４２の電圧よりも高い状態でスタック遮断器２１が接続状態に切り替えられると、スタック遮断器２１の接点でアーク放電が発生してしまう。この対策として、燃料電池スタック２の電圧がスタック側キャパシタ４２の電圧よりも高くならないように、スタック遮断器２１が接続状態に切り替えられるまで、アノードガスの供給を待っているのである。

しかしながら、このような起動処理では、ＰＭ回路４でスタック側キャパシタ４２の電圧の昇圧を開始してから、スタック遮断器２１が接続状態に切り替えられるまでの間、燃料電池スタック２へのガス供給を待たなければならない。その結果、燃料電池システム１を起動してから燃料電池スタック２の電圧を立ち上げるまでの時間が遅くなり、燃料電池スタック２の起動が遅くなってしまう。

そこで本実施形態では、スタック遮断器２１でのアーク放電を回避しつつ、燃料電池スタック２を迅速に起動させるために、燃料電池スタック２とＰＭ回路４との間を接続する接続ライン２０に、逆阻止型スイッチ素子２２が設けられる。

逆阻止型スイッチ素子２２は、スタック遮断器２１とＰＭ回路４の電圧端子４ａとの間に接続される。逆阻止型スイッチ素子２２は、ＰＭ回路４及び駆動インバータ６１のいずれか一方から燃料電池スタック２へ流れる電流を阻止するとともに、ＰＭ回路４と燃料電池スタック２とを切断状態から接続状態に切り替える半導体式のスイッチ素子である。

逆阻止型スイッチ素子２２は、コントローラ７の制御信号に応じて、燃料電池スタック２からスタック遮断器２１へ流れる順方向の電流を遮断する。

さらに逆阻止型スイッチ素子２２は、逆流防止ダイオードとしての役割も果たす。例えば、強電バッテリ３から取り出された電流がＰＭ回路４を介して駆動インバータ６１に供給されるときに、逆阻止型スイッチ素子２２によってＰＭ回路４から燃料電池スタック２へ逆流する電流が阻止される。

あるいは、逆阻止型スイッチ素子２２によって、車両の制動時に駆動モータ６で回生された電流がＰＭ回路４を介して強電バッテリ３に供給されるときに、駆動インバータ６１から燃料電池スタック２へ逆流する電流が阻止される。

本実施形態では、逆阻止型スイッチ素子２２は、逆阻止ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。逆阻止型スイッチ素子２２では、接続ライン２０においてエミッタ端子がスタック遮断器２１に接続されると共にコレクタ端子がＰＭ回路４の電圧端子４ａに接続され、ゲート（制御）端子はコントローラ７に接続される。

コントローラ７は、例えば、Ｈ（Ｈｉｇｈ）レベルの制御信号を逆阻止型スイッチ素子２２のゲート端子に供給することにより、エミッタ端子とコレクタ端子との端子間の内部抵抗値を大きくして端子間を非導通状態（遮断状態）にする。コントローラ７は、Ｌ（Ｌｏｗ）レベルの制御信号をゲート端子に供給することにより、エミッタ端子とコレクタ端子との端子間の内部抵抗値を小さくして端子間を導通状態（接続状態）にする。

本実施形態ではコントローラ７は、燃料電池システム１の起動処理において、キーセンサ７１から起動要求を受けると、スタック遮断器２１を接続状態に設定し、その後に逆阻止型スイッチ素子２２を遮断状態から接続状態に切り替える。

図３は、本実施形態におけるコントローラ７による起動処理の一例を示すタイミングチャートである。

図３（ａ）は、逆阻止型スイッチ素子２２の切替状態を示す図である。図３（ｂ）は、ＰＭ回路４のスタック側キャパシタ４２の電圧の変化を示す図である。図３（ｃ）は、スタック遮断器２１の切替状態を示す図である。図３（ｄ）は、調圧弁２２３から燃料電池スタック２に供給されるアノードガスの圧力の変化を示す図である。

図３（ｅ）は、燃料電池スタック２から取り出される出力電圧の変化を示す図である。図３（ｆ）は、燃料電池スタック２の出力電流の変化を示す図である。図３（ａ）から図３（ｅ）までの各図面の横軸は、互いに共通する時間軸である。

まず、時刻ｔ１０よりも前において、停止要求によって燃料電池システム１の停止処理が行われている。

停止処理では、コントローラ７は、ガス給排装置２００を制御してアノードガス及びカソードガスの供給を停止する。具体的にはコントローラ７は、調圧弁２２３及びパージ弁２２５のそれぞれを閉弁すると共に、コンプレッサ２１２の駆動を停止する。またコントローラ７は、スタック遮断器２１及びバッテリ遮断器３１の、それぞれを接続状態から遮断状態に切り替える。これに伴ってスタック側キャパシタ４２の電圧が０Ｖまで低下する。さらにコントローラ７は、逆阻止型スイッチ素子２２を接続状態（ＯＮ）から遮断状態（ＯＦＦ）に切り替える。

時刻ｔ１０では、コントローラ７は、キーセンサ７１から燃料電池システム１の始動要求を受けると、燃料電池システム１の起動処理を開始する。起動処理では、コントローラ７は、強電バッテリ３が正常であることを確認してバッテリ遮断器３１の設定を遮断状態から接続状態に切り替える。これにより、図３（ｂ）に示すように、強電バッテリ３の電圧がＰＭ回路４に供給され、強電バッテリ３の起動処理が完了する。

また、燃料電池システム１の起動処理が開始されると、コントローラ７は、図３（ｃ）に示すように、スタック遮断器２１の設定を遮断状態から接続状態に切り替えると共に調圧弁２２３を開ける。調圧弁２２３を開けることにより、図３（ｄ）に示すようにアノードガスの供給圧力が上昇する。なお、スタック遮断器２１の設定を接続状態に切り替えてから、実際にスタック遮断器２１が接続状態になるまでの所定時間経過後に、調圧弁２２３を開けるようにしてもよい。

アノードガスの供給圧力の上昇に伴って燃料電池スタック２で電極反応が起こり、図３（ｅ）に示すように燃料電池スタック２の電圧が、スタック側キャパシタ４２の電圧よりも高くなる。このような状況であっても、逆阻止型スイッチ素子２２が遮断状態であるため、燃料電池スタック２からスタック側キャパシタ４２へ流れる順方向の電流が遮断される。このため、燃料電池スタック２は無負荷状態であるため、燃料電池スタック２の開放電圧は、最大値ＭＡＸまで上昇する。

時刻ｔ１１では、コントローラ７は、スタック側キャパシタ４２の電圧を上限電圧値まで上昇させるためのＰＷＭ信号をスイッチング素子４４ａ〜４４ｄに供給してスイッチング素子４４ａ〜４４ｄをオンオフ制御する。強電バッテリ３からバッテリ側キャパシタ４３に供給される電流が、スイッチング素子４４ａ〜４４ｄのオンオフ制御によってスタック側キャパシタ４２に蓄積されるので、図３（ｂ）に示すように、スタック側キャパシタ４２の電圧が上昇する。

時刻ｔ１２の直前では、図３（ｂ）及び図３（ｅ）に示すように、燃料電池スタック２の開放電圧がスタック側キャパシタ４２の電圧よりも高い状態である。

時刻ｔ１２では、コントローラ７は、図３（ａ）に示すように、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦからＯＮに切り替える。これにより、燃料電池スタック２は、スタック遮断器２１を介してスタック側キャパシタ４２と接続され、図３（ｆ）に示すように、燃料電池スタック２からスタック側キャパシタ４２へ大きな電流（電荷）が供給（蓄積）される。

逆阻止型スイッチ素子２２がＯＮに切り替えられた時点ｔ１２では、スタック遮断器２１は既に接続状態になっているため、スタック遮断器２１の接点ではアーク放電は発生しない。また、逆阻止型スイッチ素子２２は半導体素子であるため、逆阻止型スイッチ素子２２がＯＮに設定された時に逆阻止型スイッチ素子２２自体でアーク放電が発生することもない。

また燃料電池スタック２からスタック側キャパシタ４２に電荷が蓄積されることにより、図３（ｂ）に示すように、スタック側キャパシタ４２の電圧が急激に上昇する。そしてスイッチング素子４４ａ〜４４ｄのオンオフ制御によって、スタック側キャパシタ４２の電圧が駆動インバータ６１保護のための上限電圧値に制限される。

また、逆阻止型スイッチ素子２２がＯＮに切り替えられたことにより、燃料電池スタック２がスタック側キャパシタ４２と接続されるため、図３（ｅ）に示すように、燃料電池スタック２の電圧が上限電圧値まで低下する。これに伴い、燃料電池スタック２の出力電流は、ＰＭ回路４を介して補機インバータ５１に供給される。

時刻ｔ１３では、燃料電池スタック２の出力電流は、ＰＭ回路４を介して補機インバータ５１に供給されるため、図３（ｆ）に示すように、補機モータ５の駆動に必要な電流値、すなわち目標値まで上昇する。これにより、コンプレッサ２１２から燃料電池スタック２にカソードガスが供給され、燃料電池スタック２の起動処理が完了する。なお、アノードガスの供給完了前に強電バッテリ３から補機モータ５に電力を供給してコンプレッサ２１２からカソードガスを燃料電池スタック２に供給しても良い。

このようにコントローラ７は、燃料電池システム１の起動処理を開始して直ぐにスタック遮断器２１を接続状態にし、ガス給排装置２００によってアノードガスを燃料電池スタック２に供給する。その後コントローラ７は、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＮに切り替える。時刻ｔ１２では、アノードガスの供給に伴い燃料電池スタック２の出力電圧が、ＰＭ回路４のスタック側電圧よりも高い状態であるが、スタック遮断器２１は既に接続状態であるため、スタック遮断器２１の接点に電流が流れてもアーク放電は発生しない。

したがって、燃料電池システム１の起動直後にスタック遮断器２１を接続状態にして燃料電池スタック２に燃料であるアノードガスを供給しても、アーク放電を発生させることなく燃料電池スタック２をスタック側キャパシタ４２に接続できる。

次に逆阻止型スイッチ素子２２の切替え方法の詳細について説明する。

図４は、コントローラ７による燃料電池システム１の起動処理方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ９０１においてコントローラ７は、キーセンサ７１から始動要求を受けると、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦに設定する。

これにより、燃料電池スタック２は、ＰＭ回路４及び駆動インバータ６１と遮断されるので、燃料電池スタック２からスタック遮断器２１への電流が遮断される。

また、燃料電池スタック２にアノードガスの供給を開始しても、燃料電池スタック２から強制的に電流が取り出されることがないので、アノードガスが欠乏し電解質膜が劣化することを防止できる。さらに前回の停止時に逆阻止型スイッチ素子２２がＯＦＦに切り替えられずにＯＮのままであっても、起動時には逆阻止型スイッチ素子２２を確実にＯＦＦにすることができる。

ステップＳ９０２においてコントローラ７は、図３（ｃ）の時刻ｔ１０に示したように、スタック遮断器２１の設定を遮断状態から接続状態に設定する。

ステップＳ９０３においてコントローラ７は、調圧弁２２３を開き、図３（ｄ）の時刻ｔ１０に示したように、燃料電池スタック２にアノードガスを供給する。これにより、図３（ｅ）の時刻ｔ１０に示したように、燃料電池スタック２で発電が開始される。

また、ステップＳ９０４においてコントローラ７は、ＰＭ回路４のスタック側キャパシタ４２の電圧を駆動インバータ６１の上限電圧値まで上昇させる。なお、ステップＳ９０４の処理は、ステップＳ９０２及びＳ９０３の処理と並列にしても良く、または、ステップＳ９０４の処理は、ステップＳ９０２及びＳ９０３の処理よりも先にしてもよい。

次にステップＳ９０５及びＳ９０６において燃料電池スタック２にアノードガスの供給が完了した否かを判断する。

ステップＳ９０５においてコントローラ７は、燃料電池スタック２の総電圧が所定のスタック閾値を超えているか否を判断する。総電圧とは、燃料電池スタック２に積層された各燃料電池に生じるセル電圧の積算値のことである。また、スタック閾値としては、通常運転時の燃料電池スタック２のＩＶ特性によって定められた基準特性に対して例えばＩＶ特性が９０％まで回復したときの燃料電池スタック２の電圧値が用いられる。

コントローラ７は、燃料電池スタック２の総電圧がスタック閾値を超えるまでステップＳ９０５の処理を繰り返す。

ステップＳ９０６においてコントローラ７は、燃料電池スタック２の総電圧がスタック閾値を超えると、燃料電池スタック２に積層された各燃料電池のセル電圧のばらつき度合いが小さいか否かを判断する。そしてコントローラ７は、各セル電圧のばらつき度合いが小さいと判定した場合には、ステップＳ９０７に進み、一方、各セル電圧のばらつき度合いが大きいと判定した場合には、ステップＳ９０５に戻る。

ここで、ばらつき度合いの判定手法について簡単に説明する。アノードガスを燃料電池スタック２に供給した直後は、全ての燃料電池に均等にアノードガスが分配されない場合があり、アノードガスの濃度が低い燃料電池が存在してしまう。アノードガスの濃度が低い燃料電池のセル電圧は、他の燃料電池のセル電圧よりも低くなる。このため、各燃料電池のセル電圧のばらつき度合いを求めることにより、燃料電池スタック２内の各燃料電池にアノードガスが均等に供給されているか否かを判定することが可能となる。

例えばコントローラ７は、各セル電圧の最大値、最小値及び平均値を算出し、最大値から平均値を減算した差分、及び、平均値から最小値を減算した差分のいずれもが所定値未満である場合には、ばらつき度合いが小さいと判定する。あるいはコントローラ７は、各セル電圧の偏差値を算出し、偏差値が所定範囲内である場合には、ばらつき度合いが小さいと判定する。

このようにコントローラ７は、燃料電池スタック２の総電圧がスタック閾値よりも大きく、かつ、燃料電池スタック２内の各燃料電池のセル電圧のばらつき度合いが小さい場合には、アノードガスの供給が完了したと判定する。

ステップＳ９０７においてコントローラ７は、アノードガスの供給が完了したと判定されると、図３（ａ）の時刻ｔ１２に示したように、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦからＯＮに切り替える。

これにより、図３（ｆ）に示したように、燃料電池スタック２から取り出された出力電流が、ＰＭ回路４を介して補機インバータ５１に供給される。そして補機インバータ５１からの電流によって補機モータ５が駆動してコンプレッサ２１２からカソードガスが燃料電池スタック２へ供給される。

また、アノードガスの供給が完了した直後に燃料電池スタック２から電流が取り出されると、燃料電池スタック２では、アノードガスが消費されることに伴ってアノードガスの水素濃度が局所的に不足して電解質膜が劣化する場合がある。この対策としてステップＳ９０８及びＳ９０９において、コントローラ７は、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＮに設定してから、燃料電池スタック２内のアノードガスの供給状態を監視する。

ステップＳ９０８においてコントローラ７は、ステップＳ９０５と同様に、燃料電池スタック２の総電圧がスタック閾値を超えているか否かを判断する。

ステップＳ９０９においてコントローラ７は、総電圧がスタック閾値以下に低下していない場合には、ステップＳ９０６と同様に、セル電圧のばらつき度合いが小さいか否かを判断する。

コントローラ７は、総電圧がスタック閾値以下に低下しておらず、かつ、セル電圧のばらつき度合いが大きくなっていない場合には、ステップＳ９１０に進む。

一方、ステップＳ９１１においてコントローラ７は、総電圧がスタック閾値以下に下がっている場合、又は、セル電圧のばらつき度合いが大きくなっている場合には、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦに切り替えてステップＳ９０５に戻る。そして燃料電池スタック２でアノードガスが不足している状態が解消されるまで、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦにしてアノードガスの消費を抑制する。これにより、アノードガスの欠乏に伴う燃料電池の劣化を防止できる。

ステップＳ９１０においてコントローラ７は、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＮにしてから所定時間が経過しか否かを判断し、所定時間経過していない場合には、ステップＳ９０８に戻って一連の処理を繰り返す。そしてコントローラ７は、所定時間経過した場合には、燃料電池システム１の起動処理方法を終了する。

本発明の実施形態によれば、一方の電圧端子４ａが燃料電池スタック２と接続されると共に、他方の電圧端子４ｂが強電バッテリ３と接続されるＰＭ回路４によって、電圧端子４ａ及び４ｂのうち少なくとも一方が昇圧される。また、スタック遮断器２１によって、燃料電池スタック２の起動時にＰＭ回路４と燃料電池スタック２との間の接続ライン２０が遮断状態から接続状態に切り替えられる。

これらのＰＭ回路４及びスタック遮断器２１を備える燃料電池システム１において、ＰＭ回路４と燃料電池スタック２との間の接続ライン２０に逆阻止型スイッチ素子２２が接続される。逆阻止型スイッチ素子２２は、ＰＭ回路４から燃料電池スタック２へ逆流する電流を阻止するとともに、ＰＭ回路４と燃料電池スタック２との接続ライン２０を遮断する。

これにより、例えば燃料電池システム１の起動後直ぐにスタック遮断器２１を接続状態に切り替えても、逆阻止型スイッチ素子２２によって、スタック遮断器２１に流れる順方向の電流を事前に遮断しておくことが可能である。このため、スタック遮断器２１を接続状態にしても、アーク放電が発生することを回避できる。

そしてスタック遮断器２１が接続状態のときに逆阻止型スイッチ素子２２をＯＮに切り替えても、スタック遮断器２１は接続状態であるため、スタック遮断器２１の接点でアーク放電が発生することはない。また、逆阻止型スイッチ素子２２は半導体素子であるため、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＮに切り替えた時に、逆阻止型スイッチ素子２２自体でもアーク放電が発生することはない。

故に、逆阻止型スイッチ素子２２によって、アーク放電を発生させることなく、起動後直ぐにスタック遮断器２１を接続状態に切り替えることが可能となるため、起動してから直ぐにアノードガスの供給を開始することができる。

したがって、燃料電池システム１では、簡易な回路構成でアーク放電を回避しつつ、迅速に燃料電池スタック２を起動することができる。本実施形態では、逆阻止型スイッチ素子２２は、スタック遮断器２１とＰＭ回路４の電圧端子４ａとの間の接続ライン２０に接続されたが、燃料電池スタック２とスタック遮断器２１との間の接続ライン２０に接続しても、同様の効果が得られる。

また本実施形態では、コントローラ７は、図３（ｃ）に示したように、燃料電池システム１の起動時にスタック遮断器２１を接続状態にした直後に逆阻止型スイッチ素子２２の設定を遮断状態から接続状態に切り替える。

これにより、燃料電池システム１の起動と同時に燃料電池スタック２にアノードガスを供給できるので、燃料電池スタック２の起動が完了する時期をさらに早めることができる。

またコントローラ７は、燃料電池システム１を起動するときには、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦに設定してからスタック遮断器２１を接続状態に切り替える。

例えば、燃料電池システム１の停止後、燃料電池スタック２の出力電圧が０Ｖ近傍まで低下する前に、燃料電池スタック２が再起動されることも考えられる。この場合に、燃料電池システム１の起動直後にスタック遮断器２１を接続状態にすると、燃料電池スタック２からスタック遮断器２１に電流が流れてアーク放電が発生する可能性がある。この対策として、スタック遮断器２１を接続状態に切り替える前に逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦに設定する。

また、システム構成部品に何等かの異常（例えば、燃料電池スタック２の電圧がフェイル閾値よりも低下する、等）が発生した場合には、システム保護のために緊急停止される。緊急停止時には、通常の停止処理で実行される燃料電池スタック２の出力電圧を低下させる放電処理が実施されないことが多い。

そのため、燃料電池システム１の緊急停止後は、燃料電池スタック２の出力電圧が低下する前に燃料電池スタック２が再起動される場合があり、この場合にも燃料電池スタック２の出力電圧がスタック側キャパシタ４２の電圧よりも高くなっていることがある。そのため、コントローラ７は、燃料電池システム１を緊急停止した後に再起動するときにも、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦに設定してからスタック遮断器２１を接続状態に切り替える。

これにより、緊急停止などで逆阻止型スイッチ素子２２がＯＮのまま燃料電池システム１が再起動されても、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦにしてからスタック遮断器２１を接続状態にするので、アーク放電の発生を防止できる。

また本実施形態では、コントローラ７は、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦに設定した後、燃料電池スタック２を起動するためにガス給排装置２００によって燃料電池スタック２にアノードガスを供給する。これと共にコントローラ７は、駆動インバータ６１を保護するためにＰＭ回路４を制御して燃料電池スタック２側の電圧端子４ａの電圧を、所定の上限電圧値まで上昇させるようにしてもよい。

このように燃料電池スタック２の起動処理と、ＰＭ回路４の電圧端子４ａの昇圧制御とを並列に実行することによって、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＮに切り替えるタイミングを早めることができる。したがって、燃料電池スタック２の起動処理をより早く完了させることができる。

また本実施形態では、コントローラ７は、燃料電池スタック２の総電圧が、所定のスタック閾値を超えていると判断した場合には、逆阻止型スイッチ素子２２を接続状態に設定する。スタック閾値は、例えば、燃料電池スタック２にアノードガスを十分に供給したときの燃料電池スタック２の電圧値に基づいて定められる。

これにより、燃料電池スタック２から補機モータ５に電流が供給されることに伴い、燃料電池スタック２での電極反応によってアノードガスが欠乏することを防止でき、アノードガスの欠乏による電解質膜の劣化を抑制できる。

また本実施形態では、コントローラ７は、燃料電池スタック２の総電圧がスタック閾値よりも大きく、かつ、各燃料電池のセル電圧のばらつき度合いが所定値よりも小さい場合に、逆阻止型スイッチ素子２２を接続状態に設定する。

このように、燃料電池スタック２の総電圧を確認することに加えて、セル電圧のばらつき度合いを確認することにより、燃料電池スタック２の一部の燃料電池でアノードガスが欠乏して電解質膜が劣化することを回避できる。

また本実施形態では、コントローラ７は、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＮにしてから所定期間経過するまで、燃料電池スタック２の総電圧又は各セル電圧のばらつき度合いが所定の閾値よりも低下したか否かを確認する。そしてコントローラ７は、総電圧及び各セル電圧のばらつき度合いのいずれか一方が、所定の閾値よりも低下した場合には、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦに切り替える。

これにより、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＮにした後にアノードガスが欠乏しやすい状態になっても、燃料電池スタック２でのアノードガスの消費が抑制されるため、アノードガスの欠乏による電解質膜の劣化を防止することができる。なお、逆阻止型スイッチ素子２２をＯＦＦに戻すための閾値は、上述の逆阻止型スイッチ素子２２をＯＮに切り替えるための条件と同一でも良く、違う値に設定してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、本実施形態では、ＰＭ回路４は４個のスイッチング素子で構成されているが、これに限定されるものではない。例えば５個以上のスイッチング素子で構成されるＰＭ回路を使用しても良い。

また本実施形態では、逆阻止型スイッチ素子２２として、逆阻止ＩＧＢＴを利用する例について説明したが、例えば、逆流防止ダイオードとＦＥＴとを並列接続した半導体素子を用いても良い。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック（燃料電池）
３ 強電バッテリ（バッテリ）
４ ＰＭ回路（コンバータ）
５ 駆動モータ（負荷）
６ 補機モータ（負荷）
７ コントローラ（制御部）
２１ スタック遮断器（接点式の切替器）
２２ 逆阻止型スイッチ素子（半導体式のスイッチ素子）
６１ 駆動インバータ（インバータ）
２００ ガス給排装置（ガス供給手段）

Claims (7)

1. 燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、負荷に応じて発電する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池側の電圧とバッテリ側の電圧の少なくとも一方を昇圧するコンバータと、
   前記コンバータにより前記燃料電池側の電圧を昇圧することなく、前記燃料電池を起動するときには、前記コンバータと前記燃料電池とを遮断状態から接続状態に切り替える接点式の切替器と、
   前記コンバータから前記燃料電池へ流れる電流を阻止するとともに、前記コンバータと前記燃料電池とを遮断状態から接続状態に切り替える半導体式のスイッチ素子と、
   を含む燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池システムの起動時に前記切替器を接続状態にしてから前記スイッチ素子を遮断状態から接続状態に切り替える制御部を
   さらに含む燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、燃料電池システムを起動するときには、前記スイッチ素子を遮断状態に設定してから前記切替器を接続状態に切り替え、その後に前記スイッチ素子を接続状態に切り替える、
   燃料電池システム。
4. 請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記燃料電池の電圧が所定の閾値を超えていると判断した場合には、前記切替器を接続状態に切り替えた後に前記スイッチ素子を接続状態に設定する、
   燃料電池システム。
5. 請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給するガス供給手段と、
   前記コンバータの燃料電池側の電圧端子に接続され、駆動モータに交流電力を出力するインバータと、を含み、
   前記制御部は、前記スイッチ素子を遮断状態に設定した後、前記ガス供給手段によって前記燃料電池を起動すると共に、前記燃料電池側の電圧を前記インバータ保護のための電圧値まで昇圧する、
   燃料電池システム。
6. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池は、複数の電池セルが互いに直列に接続され、
   前記制御部は、前記燃料電池の総電圧と、各電池セルのセル電圧のばらつき度合いと、に基づいて、前記切替器を接続状態に切り替えた後に前記スイッチ素子を接続状態に設定する、
   燃料電池システム。
7. 請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記スイッチ素子を接続状態に設定してから所定期間を経過するまでに、前記燃料電池の総電圧が所定の閾値よりも低下した場合、又は、前記燃料電池の各セル電圧のばらつき度合いが所定の閾値よりも増加した場合には、前記スイッチ素子を遮断状態に戻す、
   燃料電池システム。

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