JP6575873B2

JP6575873B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6575873B2
Application number: JP2016029158A
Authority: JP
Inventors: 諭安藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2036-02-18
Also published as: JP2017147152A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムには、アノードガス及びカソードのガス供給が停止され、且つ、燃料電池スタックの電圧がゼロより高い状態でリレーをオフにし、負荷装置の残留電荷を放電させ、リレーオフ後に電流センサでの電流が検知された場合に、リレーのオン固着故障が発生していると判断するものがある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／０５０３４６号

ところで、燃料電池システムの残留電荷を消費させるための放電抵抗及び放電抵抗用のリレーを備える場合、リレーの確実な動作を保証するために、リレーの作動チェックを行う必要がある。このリレーの作動チェックを、システムの起動時や停止時に行うと、システムの起動・停止時間が延びてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、システムの起動・停止時間への影響を抑えつつ、放電抵抗用のリレーの作動チェックを行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池で発電された電力が供給される負荷装置と、
前記燃料電池と前記負荷装置との間に設けられた放電抵抗と、
ＯＮ状態で前記放電抵抗を前記燃料電池に繋げて前記燃料電池の残留抵抗を前記放電抵抗で消費させるリレーと、
前記リレーの作動を制御する制御部と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、システムの運転時における前記燃料電池の発電停止中に、前記リレーが正常に作動するか否かをチェックするリレー作動チェック処理を行う。

この構成の燃料電池システムによれば、システムの運転時における燃料電池の発電停止中に、リレー作動チェック処理を行うので、システムの運転に影響を及ぼすことなく、放電回路のリレーの作動チェックを行うことができる。また、リレーの作動チェックを、システムの運転の停止処理時や起動処理時に行う場合と比較し、リレー作動チェック処理によってシステムの起動時間や停止時間が延びてしまうのを回避できる。

本発明の燃料電池システムによれば、システムの起動・停止時間への影響を抑えつつ、放電抵抗用のリレーの作動チェックを行うことができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるリレーの作動チェック制御を説明するフローチャートである。リレー作動チェック処理を説明するフローチャートであるシステムの停止処理時にリレーの作動チェック制御を行う場合のフローチャートである。システムの起動処理時にリレーの作動チェック制御を行う場合のフローチャートである。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（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への適用も可能である。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１１は、負荷への電力供給源として、燃料電池１２及び二次電池２０を備えている。

燃料電池１２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料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。そして、一方のセパレータの水素ガス流路に燃料ガスとしての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としての空気が供給され、これらのガスが電気化学反応することで電力が発生する。

燃料電池１２とトラクションモータ１３及びエアコンプレッサ１４とは、電力供給経路Ａを介して接続されている。トラクションモータ１３は、車両を走行させるためのモータであり、エアコンプレッサ１４は、燃料電池１２に空気（酸化ガス）を圧送するコンプレッサである。この電力供給経路Ａには、燃料電池１２側から順に、ＦＣ昇圧コンバータ１５及びＩＰＭ（Intelligent Power Module）１６が設けられている。また、電力供給経路Ａには、ＦＣ昇圧コンバータ１５とＩＰＭ１６との間に、高電圧電源リレー３４が設けられている。さらに、電力供給経路Ａには、燃料電池１２の電圧を測定する電圧センサ３５が設けられている。

また、電力供給経路Ａには、燃料電池１２とＦＣ昇圧コンバータ１５との間に、放電回路１７が設けられている。この放電回路１７は、放電抵抗１８と、リレー１９とを備えている。放電回路１７は、例えば、燃料電池１２がダメージを受けた際などに、燃料電池１２の残留電荷を放電させるもので、制御部３０からの指令に基づいてリレー１９が作動されてＯＮ状態となると、放電抵抗１８が燃料電池１２に繋がり、放電抵抗１８によって燃料電池１２の残留電荷が消費される。

ＦＣ昇圧コンバータ１５は直流の電圧変換器であり、燃料電池１２から入力された直流電圧を調整してＩＰＭ１６側へ出力する。トラクションモータ１３及びエアコンプレッサ１４のモータは例えば三相交流モータであり、ＩＰＭ１６は直流電流を三相交流に変換してトラクションモータ１３及びエアコンプレッサ１４のモータに供給する。

電力供給経路Ａには、一端に二次電池２０を有する電力供給経路Ｂが接続されている。電力供給経路Ｂには、バッテリ昇圧コンバータ２２が設けられている。また、二次電池２０には、電力供給経路Ｂとの回路を開閉するシステムメインリレー２１が設けられている。

二次電池２０は、制御部３０からの制御信号に基づいて、燃料電池１２の出力電力の余剰分やトラクションモータ１３の回生電力を充電したり、トラクションモータ１３及びエアコンプレッサ１４の駆動に必要な電力に対して燃料電池１２の出力電力では不足する場合にその不足分の電力を補給する。

また、電力供給経路Ｂには、水素ポンプ２５及び冷却水ポンプ２６が接続されており、これらの水素ポンプ２５及び冷却水ポンプ２６に電力が供給可能とされている。水素ポンプ２５は、燃料電池１２の水素ガス流路から排出された水素オフガスを燃料電池１２に還流させるためのポンプであり、冷却水ポンプ２６は、燃料電池１２の温調に使用される冷却水を循環させるためのポンプである。また、電力供給経路Ｂには、水加熱ヒータ２７及びエアコン２８が接続されており、これらの水加熱ヒータ２７及びエアコン２８に電力が供給可能とされている。エアコン２８には、コンバータ３１を介して補機バッテリ３２が接続されており、この補機バッテリ３２からも電力が供給可能とされている。

バッテリ昇圧コンバータ２２は直流の電圧変換器であり、二次電池２０から入力された直流電圧を調整してトラクションモータ１３及びエアコンプレッサ１４側へ出力する機能と、燃料電池１２またはトラクションモータ１３から入力された直流電圧を調整して二次電池２０及び／又は、水素ポンプ２５、冷却水ポンプ２６、水加熱ヒータ及びエアコン２８などの補機に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ昇圧コンバータ２２の機能により、二次電池２０の充放電が実現される。

また、このようなバッテリ昇圧コンバータ２２の機能により、燃料電池システム１１の通常運転時は、ＩＰＭ１６への入力電圧が制御される一方で、二次電池２０が燃料電池システム１１から切り離された状態になった場合（二次電池２０の異常発生時）には、燃料電池１２から補機への給電が可能となる。

制御部３０は、燃料電池システム１１を統合制御するためのコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有している。制御部３０は、電圧センサ３５などの各種センサから供給される信号（例えば、アクセル開度を表す信号、車速を表す信号、燃料電池１２の出力電流や出力電圧を表す信号等）の入力を受けて、トラクションモータ１３、エアコンプレッサ１４、水素ポンプ２５、冷却水ポンプ２６、水加熱ヒータ及びエアコン２８を含む負荷全体の要求電力を算出する。

トラクションモータ１３、エアコンプレッサ１４、水素ポンプ２５、冷却水ポンプ２６、水加熱ヒータ及びエアコン２８以外の負荷としては、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力や、乗員空間内に配置される装置（照明器具、オーディオ等）で消費される電力等がある。

制御部３０は、燃料電池１２と二次電池２０の各出力電力の配分を決定し、発電指令値を算出する。より具体的には、制御部３０は、燃料電池１２及び二次電池２０に対する要求電力を算出すると、これらの要求電力が得られるようにＦＣ昇圧コンバータ１５及びバッテリ昇圧コンバータ２２の動作を制御する。

上記構成の燃料電池システム１１において、制御部３０は、放電回路１７のリレー１９の作動を保証するために、リレー１９が正常に作動するか否かの作動チェックを行う。

次に、制御部３０によるリレー１９の作動チェック制御について説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおけるリレーの作動チェック制御を説明するフローチャートである。

制御部３０は、燃料電池システム１１の運転中に、リレー１９の作動チェック制御を実行する。

制御部３０は、燃料電池システム１１の運転中に燃料電池１２が間欠運転中であるか否かを判定する間欠運転判定を行う（ステップＳ０１）。ここで、間欠運転とは、燃料電池システム１１の燃費を向上させるために、燃料電池車両のアイドリング時や低速走行時等の低負荷運転時に燃料電池１２への空気の供給を中止して発電を停止させ、二次電池２０からの電力供給によって車両の要求電力を賄う運転方法をいう。

この間欠運転判定（ステップＳ０１）において、燃料電池１２が間欠運転されていない場合（ステップＳ０１：Ｎｏ）、制御部３０は、今回の燃料電池システム１１の運転時におけるリレー１９のチェック履歴をＯＮとしてチェック履歴の書き込みを可能な状態とし（ステップＳ０２）、処理を終了する。

間欠運転判定（ステップＳ０１）において、燃料電池１２が間欠運転されている場合（ステップＳ０１：Ｙｅｓ）、制御部３０は、燃料電池１２の発電が停止している際に、リレー１９の作動チェック処理を行う（ステップＳ１００）。

そして、このリレー１９の作動チェック処理後、制御部３０は、今回の燃料電池システム１１の運転時におけるリレー１９のチェック履歴をＯＮとし（ステップＳ０２）、処理を終了する。

図３は、リレー作動チェック処理を説明するフローチャートである

（作動チェック処理）
制御部３０は、リレー１９をＯＮの状態とする（ステップＳ１０１）。

次いで、制御部３０は、予め決められた設定時間内における燃料電池１２の電圧の変化量であるΔＦＣ電圧を検出し、このΔＦＣ電圧が予め決められた電圧値である設定値Ｖ１より大きいか否か（ΔＦＣ電圧＞設定値Ｖ１）を判定するＯＮ時電圧判定処理を行う（ステップＳ１０２）。

このＯＮ時電圧判定処理（ステップＳ１０２）において、ΔＦＣ電圧が設定値Ｖ１より大きい（ΔＦＣ電圧＞設定値Ｖ１）と判定すると（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、制御部３０は、リレー１９をＯＦＦの状態とする（ステップＳ１０３）。

さらに、制御部３０は、予め決められた設定時間内における燃料電池１２の電圧の変化量であるΔＦＣ電圧を検出し、このΔＦＣ電圧が予め決められた電圧値である設定値Ｖ２より小さいか否か（ΔＦＣ電圧＜設定値Ｖ２）を判定するＯＦＦ時電圧判定処理を行う（ステップＳ１０４）。

このＯＦＦ時電圧判定処理（ステップＳ１０４）において、ΔＦＣ電圧が設定値Ｖ２より小さい（ΔＦＣ電圧＜設定値Ｖ２）と判定すると（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、制御部３０は、リレー１９がＯＮ／ＯＦＦの作動が正常行われるとし、作動チェック処理を終了する。

制御部３０は、ＯＮ時電圧判定処理（ステップＳ１０２）において、ΔＦＣ電圧が設定値Ｖ１以下（ΔＦＣ電圧≦設定値Ｖ１）と判定すると（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、リレー１９に作動不良が生じているとし、作動チェック処理を終了する。

同様に、制御部３０は、ＯＦＦ時電圧判定処理（ステップＳ１０４）において、ΔＦＣ電圧が設定値Ｖ２以上（ΔＦＣ電圧≧設定値Ｖ１）と判定すると（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、リレー１９に固着等の不具合によって作動不良が生じているとし、作動チェック処理を終了する。

このように、本実施形態に係る燃料電池システム１１によれば、システムの運転時における燃料電池１２の発電停止中に、リレー１９の作動をチェックするリレー作動チェック処理を行うので、システムの運転に影響を及ぼすことなく、放電回路１７のリレー１９の作動チェックを行うことができる。また、リレー１９の作動チェックを、システムの運転の停止処理時や起動処理時に行う場合と比較し、リレー作動チェック処理によってシステムの起動時間や停止時間が延びてしまうのを回避できる。特に、システムの運転の停止処理時や起動処理時に高電圧電源リレー３４やシステムメインリレー２１の作動チェックを行う場合であっても、放電回路１７のリレー１９をシステムの運転の停止処理時や起動処理時とは異なるタイミングで行うことで、システムの停止時間や起動時間を極力抑えることができる。

なお、本実施形態に係る燃料電池システム１１では、燃料電池１２の間欠運転が行われず（ステップＳ０１：Ｎｏ）、リレー１９の作動チェックを行うことができなかった場合、燃料電池システム１１の運転を停止させる際に、リレー１９の作動チェック制御を実行してもよい。

図４は、システムの停止処理時にリレーの作動チェック制御を行う場合のフローチャートである。

イグニッションＩＧがＯＦＦにされて燃料電池システム１１の運転が停止モードとなると、制御部３０は、燃料電池１２の発電を停止させる発電停止処理を実行する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。

燃料電池１２の発電が停止されると（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、制御部３０は、今回の運転時にリレー１９の作動チェックが実行されたか否かをチェック履歴から判定する作動チェック有無判定を行う（ステップＳ１３）。

この作動チェック有無判定（ステップＳ１３）において、運転中に作動チェックが行われていたと判定すると（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、制御部３０は、前回の運転時チェック履歴を今回のチェック履歴とし（ステップＳ１４）、リレー１９の作動チェック制御を終了する。

作動チェック有無判定（ステップＳ１３）において、作動チェックが行われていないと判定すると（ステップＳ１３：Ｎｏ）、制御部３０は、リレー１９の作動チェック処理を行う（ステップＳ１００）。

そして、このリレー１９の作動チェック処理後、制御部３０は、前回の運転時チェック履歴を今回のチェック履歴に書き換え（ステップＳ１４）、リレー１９の作動チェック制御を終了する。

なお、本実施形態に係る燃料電池システム１１では、燃料電池１２の間欠運転が行われず（ステップＳ０１：Ｎｏ）、リレー１９の作動チェックを行うことができなかった場合、燃料電池システム１１の次回の起動時に、リレー１９の作動チェック制御を実行してもよい。

図５は、システムの起動処理時にリレーの作動チェック制御を行う場合のフローチャートである。

イグニッションＩＧがＯＮにされて燃料電池システム１１がユーザーの車両始動要求にて起動されると、制御部３０は、燃料電池１２の発電を準備する発電準備処理を実行する（ステップＳ２１，Ｓ２２）。

燃料電池１２の発電準備が完了すると（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、制御部３０は、前回の運転時にリレー１９の作動チェックが実行されたか否かをチェック履歴から判定する作動チェック有無判定を行う（ステップＳ２３）。

この作動チェック有無判定（ステップＳ２３）において、前回に作動チェックが行われていたと判定すると（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）、制御部３０は、今回のチェック履歴をＯＮの状態とし（ステップＳ２４）、リレー１９の作動チェック制御を終了する。これにより、車両は、燃料電池１２によって発電される電力による走行が可能なＦＣ発電走行状態となる。

作動チェック有無判定（ステップＳ２３）において、前回に作動チェックが行われていないと判定すると（ステップＳ２３：Ｎｏ）、制御部３０は、リレー１９の作動チェック処理を行う（ステップＳ１００）。

そして、このリレー１９の作動チェック処理後、制御部３０は、今回のチェック履歴をＯＮの状態としてチェック履歴を書き込み（ステップＳ２４）、リレー１９の作動チェック制御を終了する。これにより、車両は、燃料電池１２によって発電される電力による走行が可能なＦＣ発電走行状態となる。

１１燃料電池システム
１２燃料電池
１３トラクションモータ（負荷装置）
１４エアコンプレッサ（負荷装置）
１８放電抵抗
１９リレー
３０制御部

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池で発電された電力が供給される負荷装置と、
前記燃料電池と前記負荷装置との間に設けられた放電抵抗と、
ＯＮ状態で前記放電抵抗を前記燃料電池に繋げて前記燃料電池の残留抵抗を前記放電抵抗で消費させるリレーと、
前記リレーの作動を制御する制御部と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池が間欠運転されているか否かを判定し、前記燃料電池が間欠運転されていると判定したとき、システムの運転時における前記燃料電池の発電停止中であって前記間欠運転中に、前記リレーが正常に作動するか否かをチェックするリレー作動チェック処理を行い、その後に該チェックの履歴有りと処理し、
更に、前記制御部は、前記燃料電池の間欠運転が行われず、前記チェックの履歴に基づき前記リレー作動チェック処理が行われていないと判定した場合に、システムの停止処理時に前記リレー作動チェック処理を行う、燃料電池システム。
前記燃料電池の間欠運転が行われず、前記チェックの履歴に基づき前記リレー作動チェック処理が行われていないと判定した場合に、システムの次回の起動時に前記リレー作動チェック処理を行う、
請求項１に記載の燃料電池システム。