JP6540617B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、高電圧二次電池と低電圧二次電池とを備える燃料電池システムを搭載した車両が記載されている。高電圧二次電池と低電圧二次電池の間には、降圧コンバータが設けられている。
バスやトラック等の一部の車両では、低電圧二次電池として、電圧の異なる２つの低電圧二次電池（例えば、１２Ｖ系バッテリと２４Ｖ系バッテリ）が搭載される場合がある。この場合に、高電圧二次電池と２つの低電圧二次電池の間には、それぞれ降圧コンバータが設けられる。例えば、燃料電池システムの補機や制御部は、より低い電圧を出力する第１の低電圧二次電池の電力で動作し、車両の他の補機は、より高い電圧を出力する第２の低電圧二次電池の電力で動作するように構成される。但し、燃料電池システムのエアコンプレッサは、大電力を必要とするため、燃料電池と高電圧二次電池の電力で動作するように構成されるのが一般的である。

特開２０１５−９１２０７号広報

ところで、燃料電池システムを搭載する車両では、燃料電池の凍結防止等のため、スタートスイッチがオフにされている期間に、コンプレッサや水素ポンプを駆動して燃料電池内のカソード流路やアノード流路の排水を実行する場合がある。この排水動作では、コンプレッサや水素ポンプのほかに上述した第１の低電圧二次電池に接続された制御部が動作する。一方、排水動作に無関係な車両の補機は、動作させる必要がない。また、このとき、制御部に電力を供給するため、２つの降圧コンバータのうち、第１の低電圧二次電池に接続された降圧コンバータ（第１降圧コンバータ）を動作させるが、他方の降圧コンバータ（第２降圧コンバータ）は、動作させる必要が無い。この状態では、第２降圧コンバータに制御信号が供給されないので、第２降圧コンバータ内のスイッチング素子（「スイッチ」とも呼ぶ。）が不定状態（オンともオフともなり得る状態）になる。かかる場合、第２降圧コンバータのスイッチング素子がオンとなると、高電圧二次電池から高電圧が印加されて大電流が流れる可能性があり、第２降圧コンバータが故障するおそれがあった。この課題は、燃料電池システムを搭載する車両に限られず、燃料電池システムに共通する課題である。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、主配線に電力を供給する燃料電池と、それぞれ前記主配線に接続される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである第１バッテリコンバータ及び第２バッテリコンバータと、第１バッテリ用リレーを介して前記第１バッテリコンバータに接続される第１高電圧二次電池と、第２バッテリ用リレーを介して前記第２バッテリコンバータに接続される第２高電圧二次電池と、前記主配線を介して電力の供給を受け、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、前記第１バッテリコンバータと前記第１バッテリ用リレーとの間の配線に接続されるアノードガス循環ポンプと、前記第１バッテリ用リレーと前記第１バッテリコンバータとの間の配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである第１降圧コンバータと、前記第２バッテリ用リレーと前記第２バッテリコンバータとの間の配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである第２降圧コンバータと、前記第１降圧コンバータに接続され、前記第１高電圧二次電池の電圧よりも低い第１低電圧を有する第１低電圧二次電池と、前記第２降圧コンバータに接続され、前記第２高電圧二次電池の電圧よりも低く前記第１低電圧よりも高い第２低電圧を有する第２低電圧二次電池と、少なくとも前記第１低電圧二次電池と前記第１降圧コンバータとの間の配線から電力の供給を受けて前記燃料電池システム内の機器の動作を制御する制御部と、前記制御部に前記燃料電池システムの起動と停止を指示するためのスタートスイッチと、を備える。前記制御部は、ユーザによる前記スタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて前記燃料電池システムを起動する時に前記燃料電池内のカソードガス流路及び／又はアノードガス流路からの排水を実行する場合、前記第１バッテリ用リレーをオン状態にし、前記第２バッテリ用リレーをオフ状態にし、少なくとも前記第１バッテリコンバータと前記第１降圧コンバータとを動作状態とするとともに前記コンプレッサ及び／又は前記アノードガス循環ポンプを動作させ、少なくとも前記第２バッテリコンバータと前記第２降圧コンバータを非動作状態とする。
この形態によれば、制御部は、ユーザによる前記スタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて前記燃料電池システムを起動する時に排水を実行するときには、第２バッテリ用リレーをオフ状態にすると共に、第２バッテリコンバータを非動作状態とするので、非動作状態の第２降圧コンバータに高電圧が印加されることはなく、第２降圧コンバータが破損する可能性を低減できる。

（２）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、主配線に電力を供給する燃料電池と、前記主配線に接続される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるバッテリコンバータと、バッテリ用リレーを介して前記バッテリコンバータに接続される高電圧二次電池と、前記主配線を介して電力の供給を受け、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、前記バッテリコンバータと前記バッテリ用リレーとの間の配線に接続されるアノードガス循環ポンプと、前記バッテリ用リレーと前記バッテリコンバータとの間の配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである第１降圧コンバータと、前記バッテリ用リレーと前記バッテリコンバータとの間の配線に、コンバータ用リレーを介して接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである第２降圧コンバータと、前記第１降圧コンバータに接続され、前記高電圧二次電池の電圧よりも低い第１低電圧を有する第１低電圧二次電池と、前記第２降圧コンバータに接続され、前記高電圧二次電池の電圧よりも低く前記第１低電圧よりも高い第２低電圧を有する第２低電圧二次電池と、少なくとも前記第１低電圧二次電池と前記第１降圧コンバータとの間の配線から電力の供給を受けて前記燃料電池システム内の機器の動作を制御する制御部と、前記制御部に前記燃料電池システムの起動と停止を指示するためのスタートスイッチと、備える。前記制御部は、ユーザによる前記スタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて前記燃料電池システムを起動する時に前記燃料電池のカソードガス流路及び／又はアノードガス流路からの排水を実行する場合、前記バッテリ用リレーをオン状態にし、前記コンバータ用リレーをオフ状態にし、少なくとも前記バッテリコンバータと前記第１降圧コンバータとを動作状態とするとともに前記コンプレッサ及び／又は前記アノードガス循環ポンプを動作させ、少なくとも前記第２降圧コンバータを非動作状態とする。
この形態によれば、制御部は、ユーザによる前記スタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて前記燃料電池システムを起動する時に排水を実行するときには、コンバータ用リレーをオフ状態にするので、非動作状態の第２降圧コンバータに高電圧が印加されることがなく、第２降圧コンバータが破損する可能性を低減できる。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記バッテリコンバータは、第１バッテリコンバータと第２バッテリコンバータとを含み、前記高電圧二次電池は、第１高電圧二次電池と第２高電圧二次電池とを含み、前記バッテリ用リレーは、第１バッテリ用リレーと第２バッテリ用リレーとを含み、前記第１高電圧二次電池は、前記第１バッテリ用リレーを介して前記第１バッテリコンバータに接続されており、前記第２高電圧二次電池は、前記第２バッテリ用リレーを介して前記第２バッテリコンバータに接続されており、前記第１降圧コンバータは、前記第１バッテリ用リレーと前記第１バッテリコンバータとの間の配線に接続されており、前記第２降圧コンバータは、前記第２バッテリ用リレーと前記第２バッテリコンバータとの間の配線に、前記コンバータ用リレーを介して接続されていてもよい。前記制御部は、前記ユーザによる前記スタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて前記燃料電池システムを起動する時に前記燃料電池のカソードガス流路及び／又はアノードガス流路からの排水を実行する場合、前記第１バッテリ用リレーをオン状態にし、前記コンバータ用リレーをオフ状態にし、少なくとも前記第１バッテリコンバータと前記第１降圧コンバータとを動作状態とするとともに前記コンプレッサ及び／又は前記アノードガス循環ポンプを動作させ、少なくとも前記第２降圧コンバータを非動作状態としてもよい。
この形態においても、制御部は、ユーザによる前記スタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて前記燃料電池システムを起動する時に排水を実行するときには、コンバータ用リレーをオフ状態にするので、非動作状態の第２降圧コンバータに高電圧が印加されることがなく、第２降圧コンバータが破損する可能性を低減できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを備えた車両や移動体等の形態で実現することができる。

第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 降圧コンバータの回路構成の一例を示す回路図。 スタートスイッチがオフの期間に排水を実行するときの燃料電池システムの状態を示す説明図。 燃料電池システムの制御フローチャート。 第２の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 スタートスイッチがオフの期間に排水を実行するときの燃料電池システムの状態を示す説明図。 第３の実施形態の燃料電池システム１３の概略構成を示す説明図。 スタートスイッチがオフの期間に排水を実行するときの燃料電池システムの状態を示す説明図。

・第１の実施形態：
図１は、第１の実施形態の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、車両等の移動体に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、ＦＣコンバータ１１０と、主配線１２０と、第１バッテリコンバータ２１１と、第２バッテリコンバータ２１２と、第１高電圧二次電池２２１と、第２高電圧二次電池２２２と、第１降圧コンバータ２３１と、第２降圧コンバータ２３２と、第１低電圧二次電池２４１と、第２低電圧二次電池２４２と、インバータ３００と、駆動モータ３１０と、コンプレッサ３２０と、第１補機３３１と、第２補機３３２と、制御部４００と、スタートスイッチ５００と、温度センサ５１０と、アノードガス循環ポンプ６９５と、を備える。温度センサ５１０は、外気温を測定する。但し、温度センサ５１０は、燃料電池１００の温度を測定するセンサとしてもよい。図１において、いくつかの機器２２１、２２２、２４１、２４２、３００に括弧書きで記載された「（３００Ｖ）」等の文字は、その機器の典型的な電圧を示している。

燃料電池１００は、アノードガスとカソードガスとを反応させて電力を発生させる発電装置である。燃料電池１００にカソードガスを供給する構成として、燃料電池システム１０は、コンプレッサ３２０と、カソードガス配管６００と、弁６１０（電磁弁）と、カソードガス流路６２０と、カソードガス排出管６３０と、を備える。カソードガス配管６００には、コンプレッサ３２０と弁６１０とが設けられている。カソードガス流路６２０は、燃料電池１００内におけるカソードガスの流路である。カソードガス排出管６３０は、カソード排ガスを大気に放出する。図１では、便宜上、カソードガス配管６００に設けられたコンプレッサ３２０と、インバータ３００に接続されているコンプレッサ３２０との２つを図示しているが、これらは、同じものである。また、弁６１０は、第１補機３３１の一部である。

燃料電池１００にアノードガスを供給する構成として、アノードガスタンク６５０と、アノードガス配管６６０と、主止弁６６５（電磁弁）と、アノードガス流路６７０と、気液分離器６７５と、アノードガス排出管６８０と、アノードガス排出弁６８５と、アノードガス還流管６９０と、アノードガス循環ポンプ６９５と、を備える。アノードガスタンク６５０は、燃料電池１００に供給されるアノードガスを貯蔵する。アノードガス配管６６０は、アノードガスタンク６５０から供給されるアノードガスを燃料電池１００に供給するための管である。アノードガス配管６６０には、主止弁６６５が設けられている。アノードガス流路６７０は、燃料電池１００内におけるアノードガスの流路である。アノードガス排出管６８０は、燃料電池１００からのアノード排ガスを大気に排出するための管である。なお、アノードガス排出管６８０は、アノード排ガスを希釈するために、カソードガス排出管６３０に接続されていることが好ましい。アノードガス排出管６８０には、アノードガス排出弁６８５が設けられている。アノードガス還流管６９０は、アノードガス排出管６８０とアノードガス配管６６０とを結ぶ配管である。アノードガス還流管６９０には、アノードガス循環ポンプ６９５が設けられている。アノードガス循環ポンプ６９５は、アノード排ガスをアノードガス配管６６０に供給するためのポンプである。すなわち、燃料電池１００から排出されるアノード排ガスには、未反応のアノードガスが含まれているため、アノードガス配管６６０に還流して再利用する。気液分離器６７５は、アノードガス排出管６８０とアノードガス還流管６９０に接続されてり、アノード排ガス中の気体成分をアノードガス還流管６９０に戻す。なお、主止弁６６５及びアノードガス排出弁６８５は、第１補機３３１の一部である。

燃料電池１００には、ＦＣコンバータ１１０の入力側が接続されている。ＦＣコンバータ１１０は、燃料電池１００側の電圧を昇圧して、主配線１２０に出力するＤＣ−ＤＣコンバータである。ＦＣコンバータ１１０に付した矢印は、電力の出力の向きを示している。ＦＣコンバータ１１０は、出力側に図示しない平滑コンデンサを備えている。燃料電池１００の電圧は、動作状態（発電状態）により異なるが、約１５０Ｖ〜３００Ｖである。主配線１２０には、第１バッテリコンバータ２１１と第２バッテリコンバータ２１２とインバータ３００とが接続されている。車両の運転時の主配線１２０の電圧は、例えば４００Ｖ〜７００Ｖであり、好ましくは５００Ｖ〜６８０Ｖであり、より好ましくは６００Ｖ〜６５０Ｖである。

インバータ３００は、主配線１２０の直流の電力を、例えば３相交流の電力に変換し、駆動モータ３１０とコンプレッサ３２０（正確には、コンプレッサ３２０を駆動するモータ）にそれぞれ供給する。駆動モータ３１０は、車輪（図示せず）を駆動するモータである。コンプレッサ３２０は、燃料電池１００にカソードガスを供給する装置である。コンプレッサ３２０は、車両の運転時には、主配線１２０を介して燃料電池１００と第１高電圧二次電池２２１と第２高電圧二次電池２２２のうちの少なくとも１つから電力の供給を受ける。なお、駆動モータ３１０やコンプレッサ３２０として、交流駆動のモータではなく、直流駆動のモータを採用してもよい。この場合、インバータ３００は、省略可能である。

第１バッテリコンバータ２１１及び第２バッテリコンバータ２１２は、いずれも、双方向のＤＣ−ＤＣコンバータであり、例えば、チョッパ方式の非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる。第１バッテリコンバータ２１１及び第２バッテリコンバータ２１２は、入力側及び出力側の両方に図示しない平滑コンデンサを有している。第１バッテリコンバータ２１１には第１高電圧配線１３１が接続され、第２バッテリコンバータ２１２には第２高電圧配線１３２が接続されている。第１高電圧配線１３１には第１バッテリ用リレー１４１が設けられており、第１バッテリ用リレー１４１を介して第１高電圧二次電池２２１が接続されている。なお、上述したアノードガス循環ポンプ６９５は、第１バッテリコンバータ２１１と、第１バッテリ用リレー１４１との間の第１高電圧配線１３１に接続されている。第２高電圧配線１３２には第２バッテリ用リレー１４２が設けられており、第２バッテリ用リレー１４２を介して第２高電圧二次電池２２２が接続されている。第１高電圧二次電池２２１及び第２高電圧二次電池２２２の定格電圧は、同一であり、その電圧範囲は、例えば２００Ｖ〜４００Ｖであり、好ましくは２４０Ｖ〜３５０Ｖであり、さらに好ましくは２６０Ｖ〜３００Ｖである。

第１降圧コンバータ２３１は、第１高電圧配線１３１の第１バッテリ用リレー１４１と第１バッテリコンバータ２１１との間に接続されている。第１降圧コンバータ２３１は、第１高電圧配線１３１の電圧を降圧して出力するＤＣ−ＤＣコンバータである。第１降圧コンバータ２３１の出力側には第１低電圧二次電池２４１が接続されている。第１低電圧二次電池２４１の電圧（「第１低電圧」とも呼ぶ。）は、高電圧二次電池２２１、２２２の電圧よりも低く、例えば１２Ｖ〜１５Ｖである。第１低電圧二次電池２４１には第１補機３３１が接続されている。第１補機３３１は、燃料電池１００の補機（コンプレッサ３２０及びアノードガス循環ポンプを除く）や車両のアクセサリー機器を含んでいる。第１補機３３１に含まれる燃料電池１００の補機は、例えば、カソードガス配管６００の弁６１０や、冷却系配管のポンプや弁を含む。第１補機３３１に含まれる車両のアクセサリー機器は、例えば、インストルメントパネル、ヘッドライト、ストップランプ、ウインカー、ワイパー等を含む。なお、第１補機３３１は、燃料電池１００の補機のうち、カソードガス配管６００の弁６１０を少なくとも含むことが好ましい。

第２降圧コンバータ２３２は、第２高電圧配線１３２の第２バッテリ用リレー１４２と第２バッテリコンバータ２１２との間に接続されている。第２降圧コンバータ２３２は、第２高電圧配線１３２の電圧を降圧して出力するＤＣ−ＤＣコンバータである。第２降圧コンバータ２３２の出力側には第２低電圧二次電池２４２が接続されている。第２低電圧二次電池２４２の電圧（「第２低電圧」とも呼ぶ。）は、高電圧二次電池２２１、２２２の電圧よりも低く、また、第１低電圧二次電池２４１の電圧（第１低電圧）よりも高く、例えば、２４Ｖ〜３０Ｖである。第２低電圧二次電池２４２には第２補機３３２が接続されている。第２補機３３２は、車両の補機のうち第１補機３３１とコンプレッサ３２０を除いた補機であり、例えば、各種のヒーター、空調機器、ブレーキ用コンプレッサ等が含まれる。

制御部４００は、第１制御部４１１と第２制御部４１２とを有している。第１制御部４１１は、第１低電圧二次電池２４１から供給される第１低電圧で動作する。第２制御部４１２は、第２低電圧二次電池２４２から供給される第２低電圧で動作する。第１制御部４１１は、主として燃料電池システム１０の補機を含む第１補機３３１を制御するための制御部である。また、第１制御部４１１は、第１バッテリコンバータ２１１と第２バッテリコンバータ２１２と第１降圧コンバータ２３１と第１バッテリ用リレー１４１と第２バッテリ用リレー１４２と第１補機３３１とを制御している。さらに、第１制御部４１１は、インバータ３００を制御することによって駆動モータ３１０とコンプレッサ３２０を制御している。

第２制御部４１２は、第１制御部４１１が制御する補機や装置を除いた車両の補機や装置を制御するための制御部である。具体的には、第２制御部４１２は、第２降圧コンバータ２３２と第２補機３３２とを制御している。ここで、第２降圧コンバータ２３２は、燃料電池システム１０の構成要素であるが、車両の補機である第２補機３３２に電力を供給するため、第１の実施形態では、第１制御部４１１ではなく、第２制御部４１２により制御される。

なお、第１の実施形態では、制御対象に応じて、第１制御部４１１と第２制御部４１２とを分けているが、両者を分けずに１つの制御部として構成しても良い。なお、第１制御部４１１と第２制御部４１２とを分けない場合、その電力を、少なくとも第１低電圧二次電池２４１から受けることが好ましい。

スタートスイッチ５００は、燃料電池システム１０及び車両の起動と停止を制御部４００に指示するためのスイッチである。

図２は、降圧コンバータ２３１、２３２の回路構成の一例を示す回路図である。第１降圧コンバータ２３１は、トランス７１０と、トランス７１０の入力側に配置されるスイッチ７２０及び還流ダイオード７３０と、トランス７１０の出力側に配置されるダイオード７４０及び平滑コンデンサ７５０と、を備える絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータである。第２降圧コンバータ２３２も第１降圧コンバータ２３１と同様の構成を有している。但し、降圧コンバータ２３１、２３２として非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いても良い。

図１の燃料電池システム１０を搭載した車両において、スタートスイッチ５００がオフされると車両の動作が停止する。この車両の動作の停止中に外気温が低下し燃料電池１００の温度が低下すると、燃料電池１００内に残留している液水が凍結する可能性がある。そこで、制御部４００は、車両の停止中に温度センサ５１０で測定された外気温又は燃料電池温度が予め定められた判定値（例えば０〜５℃の範囲の値）以下に下降すると、コンプレッサ３２０を駆動して燃料電池１００内のカソード流路の排水動作を開始する。

図３は、スタートスイッチ５００がオフの期間に排水を実行するときの燃料電池システム１０の状態を示す説明図である。すなわち、車両のユーザによるスタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて燃料電池システム１０が起動した時の状態を示している。なお、図１は、ユーザによってスタートスイッチ５００がオンにされた状態、すなわち、車両の運転時の状態を示している。図３では、排水時に非動作状態にある機器を破線で描いており、動作状態にある機器を実線で描いている。具体的には、燃料電池１００とＦＣコンバータ１１０と第２バッテリコンバータ２１２と第２降圧コンバータ２３２と駆動モータ３１０と第２補機３３２と第２制御部４１２は、非動作状態にある。また、第２バッテリ用リレー１４２はオフ状態である。図３の状態では、第２降圧コンバータ２３２の入力側（第２低電圧二次電池２４２と反対側）には、電圧が供給されないようになっていることがわかる。なお、本明細書において、「動作状態」とは、制御動作のための電源が供給されており、制御信号が活性化されて動作可能な状態を意味する。但し、動作状態にある機器が実際に動作するためには、制御信号によって動作が指示されるか否かによって決まる。また、「非動作状態」とは、制御動作のための電源が供給されていないため動作できない状態、または、制御動作のための電源が供給されているが制御信号が活性化されていないため動作していない状態を意味する。但し、制御部４１１、４１２については、「動作状態」は自ら動作している状態を意味し、「非動作状態」は、自ら動作していない状態（スリープ状態を含む）を意味する。

制御部４００は、車両のユーザによるスタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて燃料電池システム１０が起動した時にカソードガス流路６２０及び／又はアノードガス流路６７０からの排水を実行する場合、第１高電圧二次電池２２１の電力を用いて、コンプレッサ３２０及び／又はアノードガス循環ポンプ６９５を動作させる。また、カソードガスを燃料電池１００に供給するために、第１補機３３１のうち少なくともカソードガス配管６００の弁６１０を動作状態とする。また、主止弁６６５及びアノードガス排出弁６８５を閉じる、または主止弁６６５及びアノードガス排出弁６８５の閉状態を維持させる。アノードガス排出弁６８５を閉じるのは、アノードガス循環ポンプ６９５を動作させたときに、負圧によりアノードガス排出管６８０から、空気が逆流するのを抑制するためである。本実施形態では、気液分離器６７５を備えているため、アノードガス循環ポンプ６９５を動作させても、アノードガス還流管６９０やアノードガス配管６６０には、液体成分（水）が減少されたアノードガスが供給される。なお、第１補機３３１のうちカソードガス配管６００の弁６１０と、アノードガス配管６６０の主止弁６６５と、アノードガス排出管６８０のアノードガス排出弁６８５、以外の機器は、非動作状態を維持しても良い。また、カソードガス配管６００に電動式の弁６１０が設けられておらず、排水時に動作が必要な機器が第１補機３３１に含まれていない場合には、第１補機３３１の全体を非動作状態としてもよい。コンプレッサ３２０とアノードガス循環ポンプ６９５と第１補機３３１は第１制御部４１１により制御されるので、制御部４００のうち第１制御部４１１のみ動作すれば良く、コンプレッサ３２０やアノードガス循環ポンプ６９５の動作に必要のない第２制御部４１２は、非動作状態に維持される。また、第２補機３３２も動作させる必要が無いので、第２補機３３２と第２降圧コンバータ２３２は非動作状態とされる。第２制御部４１２は、第２降圧コンバータ２３２が動作しない場合、第２降圧コンバータ２３２のスイッチ７２０（図２）が不定状態となり、スイッチ７２０がオン状態となる可能性がある。ここで、第２高電圧配線１３２には、第２バッテリコンバータ２１２が接続されており、また、第２バッテリ用リレー１４２を介して第２高電圧二次電池２２２が接続されている。そのため、第２バッテリコンバータ２１２の状態、及び第２バッテリ用リレー１４２の状態によっては、スイッチ７２０に高電圧がかかり、スイッチ７２０に大電流が流れて、スイッチ７２０を破損させる可能性がある。そこで、第１の実施形態では燃料電池１００の排水を実行する場合には、図３に示すように、第２バッテリ用リレー１４２をオフ状態にすると共に、第２バッテリコンバータ２１２を非動作状態とすることにより、このような問題の発生を防止している。

図４は、燃料電池システム１０の制御フローチャートである。ステップＳ１００でスタートスイッチ５００がオンにされると、ステップＳ１１０で、車両は運転状態となる。このとき、燃料電池システム１０の状態は、図１に示す通りであり、バッテリ用リレー１４１、１４２はオン状態となり、すべての機器が動作状態となる。

ステップＳ１２０でスタートスイッチ５００がオフにされると、バッテリ用リレー１４１、１４２はオフ状態となり、第１制御部４１１と温度センサ５１０以外の機器や回路は非動作状態となる。第１制御部４１１と温度センサ５１０が動作状態に維持されるのは、次のステップＳ１３０において、排水動作の要否を判断できるようにするためである。

ステップＳ１３０において、第１制御部４１１は、燃料電池１００内のカソードガス流路からの排水が必要か否かを判断する。この判断は、前述したように、温度センサ５１０で測定された温度が予め定められた判定値以下に下降したかに応じて行われる。なお、温度以外の条件が満たされたときに、排水が必要であると判断してもよい。例えば、予約された時刻に到達したときに排水が必要であると判断してもよい。一般には、予め定められた排水実行条件が成立したときに、排水が必要であると判断される。ステップＳ１３０の判断は、スタートスイッチ５００がオフにされている期間に一定時間毎に行われることが好ましい。排水が必要な場合には、ステップＳ１４０に移行して、排水を実行する。一方、排水が必要でない場合には、次にステップＳ１３０で排水が必要と判断されるか、又はスタートスイッチ５００がオンにされるまで待機する。

ステップＳ１４０では、第１制御部４１１は、コンプレッサ３２０及び／又はアノードガス循環ポンプ６９５を動作させて、燃料電池１００内のカソードガス流路及び又はアノードガス流路６７０からの排水を行う。具体的には、図３で示した様に第１制御部４１１は、第１バッテリ用リレー１４１をオン状態とし、第２バッテリ用リレー１４２をオフ状態とし、第１バッテリコンバータ２１１と第１降圧コンバータ２３１と第１補機３３１とを動作状態とするとともに、コンプレッサ３２０及び／又はアノードガス循環ポンプ６９５を動作させ、第２バッテリコンバータ２１２と第２降圧コンバータ２３２と第２補機３３２とを非動作状態に維持する。また、第２制御部４１２とＦＣコンバータ１１０も非動作状態に維持される。ここで、コンプレッサ３２０及び／又はアノードガス循環ポンプ６９５の駆動電力は、第１高電圧二次電池２２１から供給される。この状態では、第２バッテリコンバータ２１２が非動作状態であり、また、第２バッテリ用リレー１４２がオフ状態であるため、第２高電圧配線１３２には、電圧が供給されない。その結果、第２降圧コンバータ２３２内のスイッチ７２０（図２）に高電圧が印加されず、大電流が流れないため、スイッチ７２０が破損する可能性がない。すなわち、第２降圧コンバータ２３２が破損する可能性を低減できる。

排水が十分に行われたと判断すると、ステップＳ１５０では、第１制御部４１１は、第１バッテリ用リレー１４１及び第２バッテリ用リレー１４２をオフ状態とし、コンプレッサ３２０（及びインバータ３００）及び／又はアノードガス循環ポンプ６９５と第１バッテリコンバータ２１１と第１降圧コンバータ２３１と第１補機３３１を非動作状態として排水動作を停止する。その後、制御部４００は、スタートスイッチ５００がオンにされるまで待機する。なお、排水が十分に行われたか否かの制御は、予め定められた排水終了条件（例えば予め定められた時間が経過した等）が成立したか否かによって行われる。

以上、第１の実施形態によれば、制御部４００は、スタートスイッチ５００がオフにされている期間に燃料電池１００内のカソードガス流路からの排水を実行する場合、第１バッテリ用リレー１４１をオン状態にし、第２バッテリ用リレー１４２をオフ状態にし、第１バッテリコンバータ２１１と第１降圧コンバータ２３１と第１補機３３１とを動作状態とするとともに、コンプレッサ３２０及び／又はアノードガス循環ポンプ６９５を動作させ、第２バッテリコンバータ２１２と第２補機３３２を非動作状態とする。その結果、高電圧二次電池２２２の電圧や第２バッテリコンバータ２１２の出力電圧が第２降圧コンバータ２３２に供給されない。その結果、第２降圧コンバータ２３２の高電圧側には電圧がかからず、第２降圧コンバータ２３２のスイッチ７２０が不定状態となっても、スイッチ７２０に高電圧が印加されず、大電流が流れないため、第２降圧コンバータ２３２が破損する可能性を低減できる。

・第２の実施形態：
図５は、第２の実施形態の燃料電池システム１２の概略構成を示す説明図である。図１に示す第１の実施形態との違いは、第２の実施形態の燃料電池システム１２は、バッテリコンバータ２１１と高電圧二次電池２２１とバッテリ用リレー１４１とをそれぞれ１つのみ備えており、第１の実施形態の第２バッテリコンバータ２１２と第２高電圧二次電池２２２と第２バッテリ用リレー１４２とが省略されている点、及び、コンバータ用リレー１５２が追加されている点である。第２降圧コンバータ２３２は、コンバータ用リレー１５２を介して第１バッテリ用リレー１４１と第１バッテリコンバータ２１１の間の第１高電圧配線１３１に接続されている。第２の実施形態の他の構成は、第１の実施形態と同じである。

図６は、スタートスイッチ５００がオフの期間に排水を実行するときの燃料電池システム１２の状態を示す説明図である。この場合も、車両のユーザによるスタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて燃料電池システム１２が起動した時の状態を示している。図３と同様に、図６では、排水時に非動作状態にある機器、具体的には、燃料電池１００とＦＣコンバータ１１０と第２降圧コンバータ２３２と駆動モータ３１０と第２補機３３２と第２制御部４１２とが破線で図示されている。また、コンバータ用リレー１５２はオフ状態にある。図６の状態においても、図３と同様に、第２降圧コンバータ２３２の入力側（第２低電圧二次電池２４２と反対側）には、電圧が供給されないようになっていることがわかる。

第２の実施形態の燃料電池システム１２の制御フローチャートは、図４に示す第１の実施形態の制御フローチャートと同じである。但し、第２の実施形態の燃料電池システム１２では、第２バッテリコンバータ２１２と第２高電圧二次電池２２２と第２バッテリ用リレー１４２とが省略されているため、それらの制御が無く、また、コンバータ用リレー１５２を備えているため、第１制御部４１１がコンバータ用リレー１５２を制御する点が第１の実施形態と異なる。以下の説明では、図４を流用し、第２の実施形態におけるステップＳ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１４０の動作を説明する。

図４のステップＳ１１０の車両の運転時には、図５で示したように、バッテリ用リレー１４１とコンバータ用リレー１５２はオン状態となり、すべての機器が動作状態となる。

図４のステップＳ１２０でスタートスイッチ５００がオフにされると、バッテリ用リレー１４１とコンバータ用リレー１５２は、オフ状態となり、第１制御部４１１と温度センサ５１０以外の機器や回路は、非動作状態となる。

図４のステップＳ１４０の排水動作時には、図６に示した様に、第１制御部４１１は、バッテリ用リレー１４１をオン状態とし、コンバータ用リレー１５２をオフ状態とし、バッテリコンバータ２１１と第１降圧コンバータ２３１と第１補機３３１を動作状態とすると共に、コンプレッサ３２０（インバータ３００）及び／又はアノードガス循環ポンプ６９５を動作させる。なお、排水動作に必要の無いＦＣコンバータ１１０と第２制御部４１２と第２補機３３２と第２降圧コンバータ２３２は非動作状態に維持される。

以上のように、第２の実施形態では、コンバータ用リレー１５２がオフ状態とされるため、高電圧二次電池２２１の電圧が第２降圧コンバータ２３２に供給されない。その結果、第２降圧コンバータ２３２（図２）のスイッチ７２０が不定状態となっても、スイッチ７２０に高電圧が印加されず、大電流が流れないため、スイッチ７２０を破損する可能性がない。すなわち、第２降圧コンバータ２３２が破損する可能性を低減できる。

・第３の実施形態：
図７は、第３の実施形態の燃料電池システム１３の概略構成を示す説明図である。図１に示す第１の実施形態との違いは、第３の実施形態の燃料電池システム１３は、第２降圧コンバータ２３２と第２高電圧配線１３２との間にコンバータ用リレー１５２が追加されている点だけであり、第３の実施形態の他の構成は、第１の実施形態と同じである。

図８は、スタートスイッチ５００がオフの期間に排水を実行するときの燃料電池システム１３の状態を示す説明図である。この場合も、車両のユーザによるスタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて燃料電池システム１３が起動した時の状態を示している。図８では、排水時に非動作状態にある機器、具体的には、燃料電池１００とＦＣコンバータ１１０と第２降圧コンバータ２３２と駆動モータ３１０と第２補機３３２と第２制御部４１２を破線で図示している。また、２つのバッテリ用リレー１４１、１４２はオン状態、コンバータ用リレー１５２はオフ状態にある。図８の例では、第２バッテリコンバータ２１２は動作状態であるが非動作状態としてもよい。また、第２バッテリ用リレー１４２はオン状態であるが、オフ状態としてもよい。図８の状態においても図６と同様に、第２降圧コンバータ２３２の入力側（第２低電圧二次電池２４２と反対側）には、電圧が供給されないようになっていることがわかる。

第３の実施形態の燃料電池システム１３の制御フローチャートは、図４に示した第１の実施形態の制御フローチャートと同じである。但し、第３の実施形態の燃料電池システム１３は、第２の実施形態と同様に、コンバータ用リレー１５２を有しているので、図４のステップＳ１４０の動作は、第２の実施形態に準じたものとなる。具体的には、図４に示したステップＳ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１４０では、以下のように制御が行われる。

ステップＳ１１０の車両の運転時には、図７に示したように、第１バッテリ用リレー１４１と第２バッテリ用リレー１４２とコンバータ用リレー１５２はオン状態となり、すべての機器や回路が動作状態となる。

ステップＳ１２０でスタートスイッチ５００がオフにされると、リレー１４１、１４２、１５２はオフ状態となり、第１制御部４１１と温度センサ以外の機器や回路は非動作状態となる。

ステップＳ１４０の排水動作時には、図８に示した様に、第１制御部４１１は、第１バッテリ用リレー１４１をオン状態とし、コンバータ用リレー１５２をオフ状態に維持し、第１バッテリコンバータ２１１と第１降圧コンバータ２３１と第１補機３３１を動作状態とするとともに、コンプレッサ３２０（及びインバータ３００）及び／又はアノードガス循環ポンプ６９５を動作させる。第２バッテリコンバータ２１２は、動作状態と非動作状態のいずれとしても良い。また、第２バッテリ用リレー１４２は、オン状態とオフ状態のいずれとしても良い。コンプレッサ３２０の駆動電力は、第２バッテリ用リレー１４２がオン状態のときは、第１高電圧二次電池２２１と第２高電圧二次電池２２２から供給され、第２バッテリ用リレー１４２がオフ状態のときは、第１高電圧二次電池２２１から供給される。なお、排水動作に必要の無いＦＣコンバータ１１０と第２制御部４１２と第２補機３３２と第２降圧コンバータ２３２は非動作状態に維持される。第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、コンバータ用リレー１５２がオフ状態にされるため、高電圧二次電池２２１、２２２の電圧が第２降圧コンバータ２３２に供給されない。その結果、第２降圧コンバータ２３２のスイッチ７２０（図２）が不定状態となっても、スイッチ７２０に高電圧が印加されず、大電流が流れないため、スイッチ７２０が破損する可能性がない。すなわち、第２降圧コンバータ２３２が破損する可能性を低減できる。

なお、第３の実施形態において、排水動作のみを考慮すれば、第２バッテリ用リレー１４２は省略可能であるが、スタートスイッチ５００がオフにされている期間では、第２高電圧二次電池２２２を第２バッテリコンバータ２１２から切り離して第２バッテリコンバータ２１２の平滑コンデンサの電力を放電させることが好ましい。そのため、第２バッテリ用リレー１４２は、省略しないことが好ましい。

・変形例１：
上記各実施形態では、車両は、燃料電池システムを１つ備えるものとしたが、複数の燃料電池システムを備えるものであってもよい。

・変形例２：
上記各実施形態では、燃料電池１００は、ＦＣコンバータ１１０を介して主配線１２０に接続されているが、ＦＣコンバータ１１０は省略してもよい。この場合にも、燃料電池１００が主配線１２０に電力を供給するという点では、上述した各実施形態と共通している。

・変形例３：
上記各実施形態において、低電圧二次電池として、第１低電圧二次電池２４１と第２低電圧二次電池２４２とを別個に備えているが、第１低電圧二次電池２４１と第２低電圧二次電池２４２とを、以下のように構成しても良い。低電圧二次電池は、一般に、複数個の単電池を直列に接続して構成される。したがって、例えば、第１低電圧二次電池２４１をｎ個（ｎは２以上の整数）の単電池を直列に接続したものとして構成し、その第１低電圧二次電池２４１にさらにｍ個（ｍは２以上の整数）の単電池を直列に付加したものを第２低電圧二次電池２４２として使用するようにしてもよい。この場合、第１低電圧二次電池２４１のｎ個の単電池は、第１低電圧二次電池２４１と、第２低電圧二次電池２４２に共用される。

・変形例４：
上記各実施形態では、燃料電池システムが車両等の移動体に搭載されているものとしたが、本発明は、移動体に搭載されていない、いわゆる定置型の燃料電池システムにも適用可能である。

・変形例５：
上記各実施形態では、ユーザによるスタートスイッチの操作以外のトリガーまたは事象に応じて燃料電池システム１０等を起動する時の例として、スタートスイッチ５００がオフの期間に温度センサ５１０で測定された温度が予め定められた判定値以下に下降したかに応じて起動する場合を例に取って説明したが、トリガーまたは事象として、例えば、燃料電池システム１０等以外の外部電源により燃料電池システムを起動した時を含んでいてもよい。この場合も、外電源の供給というユーザによるスタートスイッチの操作以外のトリガーまたは事象による燃料電池システム１０等の起動である。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池システム
１２…燃料電池システム
１３…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…ＦＣコンバータ
１２０…主配線
１３１…第１高電圧配線
１３２…第２高電圧配線
１４１…第１バッテリ用リレー（バッテリ用リレー）
１４２…第２バッテリ用リレー
１５２…コンバータ用リレー
２１１…第１バッテリコンバータ（バッテリコンバータ）
２１２…第２バッテリコンバータ
２２１…第１高電圧二次電池（高電圧二次電池）
２２２…第２高電圧二次電池
２３１…第１降圧コンバータ
２３２…第２降圧コンバータ
２４１…第１低電圧二次電池
２４２…第２低電圧二次電池
３００…インバータ
３１０…駆動モータ
３２０…コンプレッサ
３３１…第１補機
３３２…第２補機
４００…制御部
４１１…第１制御部
４１２…第２制御部
５００…スタートスイッチ
５１０…温度センサ
６００…カソードガス配管
６１０…弁
６２０…カソードガス流路
６３０…カソードガス排出管
６５０…アノードガスタンク
６６０…アノードガス供給管
６７０…アノードガス流路
６７５…気液分離器
６８０…カソードガス排出管
６８５…カソードガス排出弁
６９０…アノードガス還流管
６９５…カソードガス循環ポンプ
７１０…トランス
７２０…スイッチ
７３０…還流ダイオード
７４０…ダイオード
７５０…平滑コンデンサ

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   主配線に電力を供給する燃料電池と、
   それぞれ前記主配線に接続される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである第１バッテリコンバータ及び第２バッテリコンバータと、
   第１バッテリ用リレーを介して前記第１バッテリコンバータに接続される第１高電圧二次電池と、
   第２バッテリ用リレーを介して前記第２バッテリコンバータに接続される第２高電圧二次電池と、
   前記主配線を介して電力の供給を受け、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
   前記第１バッテリコンバータと前記第１バッテリ用リレーとの間の配線に接続されるアノードガス循環ポンプと、
   前記第１バッテリ用リレーと前記第１バッテリコンバータとの間の配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである第１降圧コンバータと、
   前記第２バッテリ用リレーと前記第２バッテリコンバータとの間の配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである第２降圧コンバータと、
   前記第１降圧コンバータに接続され、前記第１高電圧二次電池の電圧よりも低い第１低電圧を有する第１低電圧二次電池と、
   前記第２降圧コンバータに接続され、前記第２高電圧二次電池の電圧よりも低く前記第１低電圧よりも高い第２低電圧を有する第２低電圧二次電池と、
   少なくとも前記第１低電圧二次電池と前記第１降圧コンバータとの間の配線から電力の供給を受けて前記燃料電池システム内の機器の動作を制御する制御部と、
   前記制御部に前記燃料電池システムの起動と停止を指示するためのスタートスイッチと、
   を備え、
   前記制御部は、ユーザによる前記スタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて前記燃料電池システムを起動する時に前記燃料電池内のカソードガス流路及び／又はアノードガス流路からの排水を実行する場合、前記第１バッテリ用リレーをオン状態にし、前記第２バッテリ用リレーをオフ状態にし、少なくとも前記第１バッテリコンバータと前記第１降圧コンバータとを動作状態とするとともに前記コンプレッサ及び／又は前記アノードガス循環ポンプを動作させ、少なくとも前記第２バッテリコンバータと前記第２降圧コンバータを非動作状態とする、
   燃料電池システム。
2. 燃料電池システムであって、
   主配線に電力を供給する燃料電池と、
   前記主配線に接続される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるバッテリコンバータと、
   バッテリ用リレーを介して前記バッテリコンバータに接続される高電圧二次電池と、
   前記主配線を介して電力の供給を受け、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、
   前記バッテリコンバータと前記バッテリ用リレーとの間の配線に接続されるアノードガス循環ポンプと、
   前記バッテリ用リレーと前記バッテリコンバータとの間の配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである第１降圧コンバータと、
   前記バッテリ用リレーと前記バッテリコンバータとの間の配線に、コンバータ用リレーを介して接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである第２降圧コンバータと、
   前記第１降圧コンバータに接続され、前記高電圧二次電池の電圧よりも低い第１低電圧を有する第１低電圧二次電池と、
   前記第２降圧コンバータに接続され、前記高電圧二次電池の電圧よりも低く前記第１低電圧よりも高い第２低電圧を有する第２低電圧二次電池と、
   少なくとも前記第１低電圧二次電池と前記第１降圧コンバータとの間の配線から電力の供給を受けて前記燃料電池システム内の機器の動作を制御する制御部と、
   前記制御部に前記燃料電池システムの起動と停止を指示するためのスタートスイッチと、
   を備え、
   前記制御部は、ユーザによる前記スタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて前記燃料電池システムを起動する時に前記燃料電池のカソードガス流路及び／又はアノードガス流路からの排水を実行する場合、前記バッテリ用リレーをオン状態にし、前記コンバータ用リレーをオフ状態にし、少なくとも前記バッテリコンバータと前記第１降圧コンバータとを動作状態とするとともに前記コンプレッサ及び／又は前記アノードガス循環ポンプを動作させ、少なくとも前記第２降圧コンバータを非動作状態とする、
   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、
   前記バッテリコンバータは、第１バッテリコンバータと第２バッテリコンバータとを含み、
   前記高電圧二次電池は、第１高電圧二次電池と第２高電圧二次電池とを含み、
   前記バッテリ用リレーは、第１バッテリ用リレーと第２バッテリ用リレーとを含み、
   前記第１高電圧二次電池は、前記第１バッテリ用リレーを介して前記第１バッテリコンバータに接続されており、
   前記第２高電圧二次電池は、前記第２バッテリ用リレーを介して前記第２バッテリコンバータに接続されており、
   前記第１降圧コンバータは、前記第１バッテリ用リレーと前記第１バッテリコンバータとの間の配線に接続されており、
   前記第２降圧コンバータは、前記第２バッテリ用リレーと前記第２バッテリコンバータとの間の配線に、前記コンバータ用リレーを介して接続されており、
   前記制御部は、前記ユーザによる前記スタートスイッチの操作以外のトリガーに応じて前記燃料電池システムを起動する時に前記燃料電池のカソードガス流路及び／又はアノードガス流路からの排水を実行する場合、前記第１バッテリ用リレーをオン状態にし、前記コンバータ用リレーをオフ状態にし、少なくとも前記第１バッテリコンバータと前記第１降圧コンバータとを動作状態とするとともに前記コンプレッサ及び／又は前記アノードガス循環ポンプを動作させ、少なくとも前記第２降圧コンバータを非動作状態とする、
   燃料電池システム。

Images