JP7527991B2 - 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。

燃料電池システムの状態を判定するために、燃料電池の電圧閾値により異常を判定する燃料電池システムが存在する。燃料電池システムは、所定の電圧閾値に対する判定結果に基づいて、起動するか否かを判定することができる。

燃料電池に水素と空気が供給された直後から燃料電池の電圧が所定の電圧閾値以上に到達したか否の判定結果に基づいて、燃料電池システムの起動を継続することが可能か否かを診断する燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池の電圧を所定電圧に変換する昇圧コンバータ（ＤＣＤＣコンバータ）と、昇圧コンバータと負荷との間に接続される蓄電装置とを備える燃料電池システムが存在する。燃料電池システムは、燃料電池による発電を停止した際に、燃料電池の電圧が蓄電装置の電圧よりも高くなるように燃料電池セルの枚数を設定し、発電を停止した際に燃料電池で発生する電力を昇圧コンバータに設けられたダイオードによる経路等によって蓄電装置に充電可能な状態とすることで、昇圧コンバータを動かさずに成り行きの降圧動作によって高電位回避を行うことができつつ、燃料電池の出力を最適とした状態とすることができる。

特開２００７－１６５０８２号公報

しかしながら、燃料電池システムに昇圧コンバータを適用した場合、空気と水素を供給すると、燃料電池の電圧が上昇する。しかし、昇圧コンバータの２次側に接続された蓄電装置の電圧が低いほど燃料電池と蓄電装置との電位差が大きくなるため、成り行きで大きな電流が流れることとなり、現在の空気の供給に対し、空気不足が生じる。これにより、燃料電池の電圧が低下することとなる。このため、燃料電池の電圧に対する閾値に基づいて起動するかの判断を行うと、燃料電池システムを起動することができない場合もある。本発明の一側面に係る目的は、燃料電池システムの異常判定と確実な起動を行うことが可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明に係る一つの態様の燃料電池システムは、水素ガスと、酸化剤ガスと、により電力を生成する燃料電池と、昇圧コンバータと、蓄電装置と、前記蓄電装置の電圧を測定する電圧センサと、前記燃料電池の制御モードを制御する制御部と、を備える。前記制御モードは、前記水素ガスと前記酸化剤ガスとが反応し、前記燃料電池の電圧が起動閾値電圧に到達するかを判定する起動シーケンスと、前記燃料電池の電圧が前記起動閾値電圧に到達後に遷移する発電シーケンスと、を含む。前記制御部は、前記起動シーケンスから前記発電シーケンスに遷移するか否かを判定し、前記起動閾値電圧を前記蓄電装置の電圧に基づいて算出する。

これにより、起動シーケンスにおいて燃料電池システムの異常判定を行うことができる適切な起動閾値電圧が設定されるとともに、発電シーケンスに遷移する際の燃料電池の起動閾値電圧の遷移条件を変更することで、発電シーケンスへ遷移させることができ、燃料電池システムを確実に起動することができる。

また、前記制御部は、前記起動閾値電圧の算出を前記燃料電池システムの起動時に行うことを特徴とする。これにより、起動時に予め起動閾値電圧を算出しておくことで、システムの起動を早くすることができる。

また、前記制御部は、前記起動シーケンスから前記発電シーケンスに遷移した後に、前記蓄電装置の電圧に応じて目標電流を算出し、前記目標電流と対応する酸化剤ガス量に対し、前記酸化剤ガス量よりも多い量を供給することを特徴とする。これにより、制御モードを起動シーケンスから発電シーケンスへ遷移させた後は、燃料電池の酸化剤ガスの状態を改善させるために、供給する酸化剤ガスの供給量を上げることで、酸化剤ガス不足を改善することができる。

本発明によれば、燃料電池システムの異常判定と確実な起動を行うことができる。

本発明の実施形態に係わる燃料電池システムの一例を示す図である。 燃料電池システムの制御モードの遷移状態を示す図である。 燃料電池ＦＣの電圧と蓄電装置Ｓの電圧との関係を示す図である。 燃料電池ＦＣの基準ＩＶから目標電圧を算出する例を示すグラフである。 燃料電池ＦＣの基準ＩＶから目標電圧を算出するフローチャートである。 別実施形態に係わる燃料電池システムの一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係わる燃料電池システムの一例を示す図である。

図１に示す燃料電池システム１は、フォークリフトなどの産業車両や電気自動車などの車両Ｖｅに搭載され、負荷Ｌｏに電力を供給する。なお、負荷Ｌｏは、走行用モータ、電装部品、コンピュータやメモリなどに電力を供給するための電源などである。なお、燃料電池システム１は車両以外にも、定置型の非常用発電機などにも適用可能である。

また、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、電流検出部Ｓｉ０と、電圧検出部Ｖ１、Ｖ２と、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖと、蓄電装置Ｓと、制御部Ｃｎｔとを備える。

ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、燃料電池ＦＣと、蓄電装置Ｓとの間に接続される。ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、リアクトルＲｅ１、Ｒｅ２、Ｒｅ３と、電流検出部Ｓｉ１、Ｓｉ２、Ｓｉ３と、６つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６と、６つのダイオードＤ１～Ｄ６と、コンデンサＣｏとを備えている。

燃料電池ＦＣは、リアクトルＲｅ１、Ｒｅ２、Ｒｅ３および電流検出部Ｓｉ１、Ｓｉ２、Ｓｉ３を介して６つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６および６つのダイオードＤ１～Ｄ６と接続される。電流検出部Ｓｉ０は、燃料電池ＦＣと、リアクトルＲｅ１、Ｒｅ２、Ｒｅ３との間に接続される。

スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６として、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を用いている。但し、スイッチング素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等を用いてもよい。６つのダイオードＤ１～Ｄ６はそれぞれ、６つのスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１～Ｑ６の寄生ダイオードである。

正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｕ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１と、ｕ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２が直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｖ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ３と、ｖ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ４が直列接続されている。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間に、ｗ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ５と、ｗ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ６が直列接続されている。

正極母線Ｌｐ、負極母線ＬｎにはコンデンサＣｏを介して蓄電装置Ｓが接続されている。

ＤＣＤＣコンバータＣｎｖをＭＯＳＦＥＴと、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードで構成することにより、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの構成をメカニカルスイッチ等で構成するよりも簡単な構成で作成することができ、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。

燃料電池ＦＣから供給された電力がダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５、または、Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６を通る経路を、以下「第１経路」と呼ぶ。また、燃料電池ＦＣから供給された電力がスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、または、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６を通る経路を、以下「第２経路」と呼ぶ。

ｕ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ１と、ｖ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ３と、ｗ相上アームを構成するスイッチング素子Ｑ５とが正極母線Ｌｐを介して負荷Ｌｏに接続されている。ｕ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ２と、ｖ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ４と、ｗ相下アームを構成するスイッチング素子Ｑ６とが負極母線Ｌｎを介して負荷Ｌｏに接続されている。

上下のアームを構成するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のスイッチング動作に伴い、蓄電装置Ｓの電圧である直流電圧を負荷Ｌｏに供給できるようになっている。負荷Ｌｏは、例えば車両駆動用モータや荷役用モータである。

各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のゲート端子には、制御部Ｃｎｔが接続されている。制御部Ｃｎｔは、制御信号であるパルスパターンに基づいてＤＣＤＣコンバータＣｎｖのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をスイッチング動作させる。

ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、入力される制御信号によりスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をオン、オフすることで、燃料電池ＦＣの電圧を一定電圧に変換し、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓに出力する。

リアクトルＲｅ１は、電流検出部Ｓｉ０と、スイッチング素子Ｑ１－スイッチング素子Ｑ２間との間に接続される。リアクトルＲｅ２は、電流検出部Ｓｉ０と、スイッチング素子Ｑ３－スイッチング素子Ｑ４間との間に接続される。リアクトルＲｅ３は、電流検出部Ｓｉ０と、スイッチング素子Ｑ５－スイッチング素子Ｑ６間との間に接続される。

電流検出部Ｓｉ１は、リアクトルＲｅ１と、スイッチング素子Ｑ１－スイッチング素子Ｑ２間との間に接続される。電流検出部Ｓｉ２は、リアクトルＲｅ２と、スイッチング素子Ｑ３－スイッチング素子Ｑ４間との間に接続される。電流検出部Ｓｉ３は、リアクトルＲｅ３と、スイッチング素子Ｑ５－スイッチング素子Ｑ６間との間に接続される。

燃料電池ＦＣは、互いに直列接続される複数の燃料電池セルにより構成される燃料電池スタックであり、制御部Ｃｎｔの制御に基づき供給される水素と酸素（酸化剤ガス）との電気化学反応を利用して発電を行う。蓄電装置Ｓは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖと負荷Ｌｏとの間に接続される。

ＤＣＤＣコンバータＣｎｖから出力される電力が、負荷Ｌｏが要求する電力より大きい場合、余剰分の電力が蓄電装置Ｓに供給され、蓄電装置Ｓが充電される。また、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖから出力される電力が、負荷Ｌｏが要求する電力より小さい場合、不足分の電力が蓄電装置Ｓから負荷Ｌｏに供給される。また、負荷Ｌｏから蓄電装置Ｓに回生電力が供給されると、蓄電装置Ｓが充電される。なお、蓄電装置Ｓは、充電及び放電することが可能な蓄電装置（リチウムイオン電池など）であれば、リチウムイオンキャパシタに限定されない。

電流検出部Ｓｉ０は、電流計などにより構成され、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Ｃｎｔに出力する。

電流検出部（電流検出手段）Ｓｉ１は、電流計などにより構成され、スイッチング素子Ｑ１またはスイッチング素子Ｑ２を介してＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Ｃｎｔに出力する。

電流検出部（電流検出手段）Ｓｉ２は、電流計などにより構成され、スイッチング素子Ｑ３またはスイッチング素子Ｑ４間を介してＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Ｃｎｔに出力する。

電流検出部（電流検出手段）Ｓｉ３は、電流計などにより構成され、スイッチング素子Ｑ５またはスイッチング素子Ｑ６間を介してＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を検出し、その検出した電流を制御部Ｃｎｔに出力する。電圧検出部Ｖ１は、電圧計などにより構成され、燃料電池ＦＣの電圧を検出し、その検出した電圧を制御部Ｃｎｔに出力する。電圧検出部Ｖ２は、電圧計などにより構成され、蓄電装置Ｓの電圧を検出し、その検出した電圧を制御部Ｃｎｔに出力する。なお、燃料電池ＦＣの電圧の検出方法は、燃料電池ＦＣの両端電圧を直接測定してもよいし、燃料電池ＦＣを構成する燃料電池セルのうち、代表の１つのセル電圧を測定し積層した燃料電池セルの枚数を乗算した電圧としてもよい。あるいは、代表の１つのセル電圧自体を用いてもよい。すなわち、燃料電池の電圧が必要十分な精度で測定できればその手法は問わない。蓄電装置Ｓの電圧の検出に関しても同様である。

制御部Ｃｎｔは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device））などにより構成され、制御信号を出力する。制御部Ｃｎｔは、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの動作を制御することで燃料電池ＦＣの発電量（電力）を制御する。すなわち、燃料電池ＦＣに供給される燃料（水素）や空気（酸素）の量が増加するほど、燃料電池ＦＣの発電量が増加し、燃料電池ＦＣに供給される燃料や空気の量が減少するほど、燃料電池ＦＣの発電量が減少する。なお、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣに供給される燃料や空気の量を段階的に増加または減少させてもよい。また、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣに供給される燃料や空気の量をゼロにすると、所定時間経過後に、燃料電池ＦＣの発電が停止して燃料電池ＦＣの発電量がゼロになるものとする。また、燃料電池ＦＣから出力される電流が増加するほど、燃料電池ＦＣ（燃料電池セル）の電圧が減少し、燃料電池ＦＣから出力される電流が減少するほど、燃料電池ＦＣ（燃料電池セル）の電圧が増加するものとする。

また、制御部Ｃｎｔは、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓから要求される電力に応じた電流が燃料電池ＦＣから出力されるように、かつ、燃料電池ＦＣの電圧が閾値を超えないように、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの動作を制御する。なお、燃料電池ＦＣの電圧が閾値を超えて燃料電池ＦＣが劣化しないように、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖに流れる電流を調整する処理を高電位回避処理という。また、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓから要求される電力が増加するほど、制御信号のデューティ比が増加し、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓから要求される電力が減少するほど、制御信号のデューティ比が減少するものとする。また、閾値は、燃料電池ＦＣが劣化するおそれがあるときの燃料電池ＦＣの電圧とし、燃料電池ＦＣの電圧が閾値を超えそうなとき、制御信号のデューティ比の減少が制限される。燃料電池システム１では、高電位回避を行うために燃料電池ＦＣのセル当たりの電圧が第１の閾値以上とならないように設定している。この第１の閾値の電圧を、以下「高電位回避電圧」という。

本実施形態においては、低コストの燃料電池システム１を作るために、燃料電池ＦＣを構成するセルの枚数を減らして、昇圧式のＤＣＤＣコンバータＣｎｖで燃料電池ＦＣの電圧を昇圧させる構成としている。燃料電池ＦＣの電圧は、下記式１を満たすよう設定される。下記式１における“燃料電池ＦＣの電圧”とは、燃料電池ＦＣの両端電圧である。

燃料電池ＦＣの電圧≦高電位回避電圧×セル枚数・・・式１

ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、昇圧式なので、通常の運転時、即ち、負荷Ｌｏにより電流が引かれている場合には、燃料電池ＦＣの電圧が、蓄電装置Ｓの電圧とオーバーラップしないよう、燃料電池ＦＣの電圧が、蓄電装置Ｓの電圧よりも小さくなるようにセルの枚数を調整される。但し、燃料電池ＦＣの電圧が小さくなるようにし過ぎると、セルの枚数が少なくなり過ぎる。その結果、燃料電池ＦＣの出力が不足するため、燃料電池システムとして成立しなくなる。

したがって、本実施形態においては、高電位回避を行うとともに、燃料電池システム１の出力を向上するために、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣによる発電を停止した際に、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも高くなるように設定する。具体的には、負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓからの要求電力がなくなった際に燃料電池ＦＣによる発電を停止し、高電位回避電圧×セル枚数の値が蓄電装置Ｓの電圧よりも高くなるようにセル枚数が定められている。なお、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣによる発電中は燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも低く設定する。これにより、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの動作すべきタイミングが明確になるため、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの制御が容易となる。

制御部Ｃｎｔは、発電を停止した際に燃料電池ＦＣで発生する電力を第１経路Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５または第２経路Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５のうち少なくとも一方によって蓄電装置に充電可能な状態とする。

本実施形態において、発電を停止した際に燃料電池ＦＣで発生する電力とは、制御部Ｃｎｔの制御に基づき供給がゼロにされた水素や酸素のうち、燃料電池システム１内に残留する水素や酸素の反応により生じる電力をいう。また、燃料電池ＦＣによる発電を停止とは、燃料電池ＦＣの発電量が完全にゼロになる場合だけでなく、燃料電池ＦＣによる発電を抑制し、燃料電池ＦＣの発電量が限りなくゼロに近くなる場合も含まれる。したがって、発電を停止した際には、第１経路（ダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５）の方へ電流を流すことにより、燃料電池ＦＣの電流を蓄電装置Ｓで充電することができる。

また、燃料電池システム１では、蓄電装置Ｓが過充電とならないように、燃料電池ＦＣの電圧が第２の閾値以上とならないように設定している。この第２の閾値の電圧を、以下「発電停止電圧」という。発電停止電圧は、燃料電池システム１の固有の値である。例えば、蓄電装置ＳのＳＯＣ（State Of Charge）の所定の割合（蓄電残量）における電圧を発電停止電圧として使用する。蓄電装置Ｓの電圧が発電停止電圧を越えた際に、燃料電池ＦＣによる発電を停止する。燃料電池ＦＣのセルの枚数は、下記式２により決定する。下記式２における“高電位回避電圧”とは、燃料電池ＦＣの両端電圧である。

セル枚数×高電位回避電圧＝発電停止電圧＋Ｖｆ・・・式２

Ｖｆは、ダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５による損失分の閾値電圧（立ち上がり電圧）である。

燃料電池ＦＣのセル枚数を式２が成立するよう設定すると、燃料電池ＦＣのセルの枚数を多く設定し、結果として燃料電池ＦＣの出力をあげることができる。また、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも小さくなる電圧（領域）においては成り行きに任せて電流を流しておくだけで、高電位回避を行い燃料電池ＦＣの電圧を下げることができる。

負荷Ｌｏにより電流が引かれている場合には、燃料電池ＦＣの電圧は下がるので、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは燃料電池ＦＣの電圧を昇圧して所望の電圧を出力する。昇圧する場合には、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、上アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５を全てＯＦＦにし、下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６の位相をずらしてＯＮ－ＯＦＦする。

負荷Ｌｏにより電流が引かれていない場合には、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣによる発電を停止する。但し、燃料電池ＦＣによる発電が停止された場合であっても、負荷Ｌｏにより電力が引かれない場合には、残留する燃料（水素）や空気（酸素）の反応で生じる電力により燃料電池ＦＣの電圧が上がる。そして、下記式３を満たし、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも高くなると、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖにより昇圧することはできなくなる。下記式３における“燃料電池ＦＣの電圧”とは、燃料電池ＦＣの両端電圧である。

燃料電池ＦＣの電圧＞蓄電装置Ｓの電圧・・・式３

発電を停止した際に、式３の状態となった場合であっても、式２で設定したセル枚数とすることにより、成り行きで第１経路の方へ電流を流れるように、燃料電池ＦＣの電流を蓄電装置Ｓで充電させることができ、燃料電池ＦＣのセルが高電位回避電圧以下となる状態を維持できる。成り行きで電流を流す場合には、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、上アームのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５、下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６を全てＯＦＦにする。式３の関係が成立している場合には、燃料電池ＦＣで発生した電流は、上アームのダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５を通って蓄電装置Ｓへ流れる。

したがって、寄生ダイオードである上アームのダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５の特性を活用して、成り行きで高電位回避を行うことができる。また、燃料電池ＦＣの電圧と蓄電装置Ｓの電圧とのオーバーラップを許容することができるため、燃料電池ＦＣのセルの枚数を増加させて、燃料電池ＦＣの出力をあげることができる。

また、式２を満たすセル枚数とすると、昇圧式のＤＣＤＣコンバータＣｎｖを動かさずに（即ち制御せずに）成り行きで高電位回避を行うことができつつ、燃料電池ＦＣの出力を最適とした状態が決まる。よって、燃料電池システム１の制御が複雑にならずに、セル枚数の最適化を図ることができる。

このように、実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池ＦＣによる発電を停止した際に、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも高くなるようにする。そして、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣによる発電を停止した際に燃料電池ＦＣで発生する電力をダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５（第１の経路）またはスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５（第２経路）のうち少なくとも一方によって蓄電装置Ｓに充電可能な状態とする構成である。

これにより、負荷Ｌｏにより電流が引かれていない場合には、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣによる発電を停止した場合であっても、成り行きで第１経路の方へ電流を流れるようセル枚数を決定することで、燃料電池ＦＣの電流を蓄電装置Ｓで充電させることができる。これにより、高電位回避を行うことができるとともに、燃料電池システムの出力を向上することができる。

また、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣによる発電中は燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも低くなるようにＤＣＤＣコンバータＣｎｖを制御する。具体的には、負荷の負荷Ｌｏや蓄電装置Ｓからの要求電力が発生したときに燃料電池ＦＣによる発電を開始し、制御部Ｃｎｔは要求電力に応じた目標の電流となるようＤＣＤＣコンバータＣｎｖを制御する。これにより、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖを動作すべきタイミングを明確にすることができるため、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの制御が容易となる。

また、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣの発電電圧範囲（燃料電池ＦＣの制御における下限電圧及び上限電圧の範囲）のうち最も低い電圧を、蓄電装置Ｓの利用電圧範囲（蓄電装置Ｓの下限ＳＯＣ及び上限ＳＯＣから設定した電圧の範囲）のうち最も低い電圧よりも低い電圧に設定する。これにより、蓄電装置Ｓの性能を可能な限り多く活用することができる。

また、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖのスイッチング素子をＭＯＳＦＥＴで構成し、ダイオードをＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードで構成する。これにより、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの構成をメカニカルスイッチ等で構成するよりも簡単な構成で作成することができ、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。

（モード制御）
図２は、燃料電池システムの制御モードの遷移状態を示す図である。燃料電池システム１の制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣの制御モードを制御する。制御モードは、少なくとも起動シーケンスと、発電シーケンスと、を備える。制御モードは、更に、停止シーケンスを備える。燃料電池ＦＣの制御モードは、他のシーケンスを備えていてもよい。

起動シーケンスでは、主に燃料電池システム１に異常があるか否かの異常判定の処理が行われる。起動シーケンスでは、スタンバイ、システムチェック、水素入れ、エア入れを含む処理が行われる。スタンバイ（スリープ）（Ｓ１１）の状態において、運転手がキーＯＮすると、燃料電池システム１が起動し、制御部Ｃｎｔは、システムにエラーがあるか否かのシステムチェック（Ｓ１２）の処理を行う。システムチェックの結果、エラーがない場合には、システムチェック後、制御部Ｃｎｔは、水素入れ（Ｓ１３）の処理を行う。水素入れの処理では、水素タンクに貯蔵されている水素がインジェクタを通じて、燃料電池ＦＣへ供給される。

供給された水素により燃料電池ＦＣの水素圧力が所定の閾値ａｋＰａ以上になると、水素入れが完了したとして、制御部Ｃｎｔは、エア入れ（Ｓ１４）の処理に移る。エア入れの処理では、エアーコンプレッサを通じて空気がｂＮＬ／ｍｉｎの流量（以下、「エア流量」とも呼ぶ）で燃料電池ＦＣへ供給される。

燃料電池ＦＣ内に、水素と酸素が供給されると、化学反応によって燃料電池ＦＣの電圧が立ち上がり、制御部Ｃｎｔは、所定の起動閾値電圧を超えたか否かを判定する。所定の起動閾値電圧を超えると、起動シーケンスは終了して、制御モードが発電シーケンスへ遷移する。所定の起動閾値電圧として、例えば、燃料電池ＦＣの平均セル電圧が起動閾値電圧ｘＶ以上となったか否かに基づき判定される。

ここで、空気が供給されてから所定時間経過しても、燃料電池Ｆの平均セル電圧が起動閾値電圧ｘＶを超えることができない場合には、エア入れにおいて処理が滞留し、その結果、燃料電池システム１のシーケンスは、起動シーケンスから発電シーケンスへ遷移することができない。そして、所定時間以上平均セル電圧が起動閾値電圧ｘＶを超えることができない状態が継続してタイムアウトすると、燃料電池ＦＣに異常があると判断して、制御部Ｃｎｔは、エラーにより燃料電池システム１の処理を終了する。

本実施形態においては、燃料電池システム１に第１経路（寄生ダイオード）を備えた昇圧式のＤＣＤＣコンバータＣｎｖを適用しているため、成り行きで第１経路に大きな電流が流れる場合（例えば、蓄電装置Ｓの電圧が低い時）があり、現在の空気の供給量に対し、空気不足（以下、「エア欠」ともいう）が生じることとなり、その結果、燃料電池ＦＣの電圧が低くなる。なお、第１経路に流れる電流を遮断するためのスイッチ等の回路構成を設けた場合には、燃料電池ＦＣの空気不足は発生しないが、別途回路構成を設けなければならず、コスト増となる。

このため、平均セル電圧を起動閾値電圧ｘＶ以上とすることができずに、起動シーケンスから発電シーケンスへ遷移することができない状態が発生する。その結果、タイムアウトにより燃料電池システム１を起動することができないという事態が発生する。本実施形態において、空気不足（エア欠）は、現在燃料電池ＦＣから流れている電流に対して供給されている空気の量が少ない状態をいう。

燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも大きい状態、すなわち、上記式３の状態となった場合、燃料電池ＦＣで発生した電流は、ダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５を通って蓄電装置Ｓへ成り行きで流れてしまう。このため、燃料電池ＦＣが空気不足となると、平均セル電圧は起動閾値電圧ｘＶ以上とならずに、シーケンスが起動シーケンスから発電シーケンスへと遷移できずに滞留してしまう。

一方で、起動シーケンスにおけるエア入れの処理は、燃料電池ＦＣの中に溜まった水等を吹き飛ばすのに必要最低限の量しか流さないため、固定値が設定されている。固定値に大きな値を設定し、空気不足を解消するために大量の空気を供給すれば、空気不足の状態は解消するが、燃料電池システム１の起動時から過剰の空気を供給すると、発電シーケンスに遷移されていないのにエアーコンプレッサの駆動により騒音の発生や、消費電力が大きくなる等の弊害が生じることとなる。また、運転手によりキーＯＮ操作が繰り返し実行された場合には、燃料電池ＦＣ内の水を吹き飛ばしすぎて乾いてしまうという背反が起きるので、必要最低限の量がエア入れの処理で供給される空気流量が固定値として設定されている。

なお、起動シーケンスは、燃料電池システム１の起動時の不具合を確認しシステムチェックする位置づけで実行される。すなわち、起動シーケンスは、燃料電池システム１に異常があるか否かを判定するフェーズであるため、毎回同じ条件とするために、設定する起動閾値電圧ｘＶを固定値としてもよい。あるいは、設定する起動閾値電圧ｘＶを所定の条件式に基づき算出してもよい。

シーケンスが起動シーケンスから発電シーケンスへ遷移すると、制御部Ｃｎｔは、負荷Ｌｏの要求に応じて燃料電池ＦＣにより発電（Ｓ２１）、および、アイドル（Ｓ２２）を含む処理を繰り返し実行する。

停止シーケンスは、キャパシタ充電、停止処理、スタンバイを含む処理が行われる。キャパシタ充電（Ｓ３１）の処理では、運転手がキーＯＦＦしたときに、蓄電装置Ｓの充電率（ＳＯＣ）が低い場合には、次回の起動時に必要な電圧となるように燃料電池ＦＣから蓄電装置Ｓに充電する処理が行われる。例えば、キャパシタ充電の処理では、蓄電装置Ｓの電圧が次回の起動時に必要な閾値電圧ｃＶ以上となるまで蓄電装置Ｓの充電が行われる。閾値電圧ｃＶは、起動シーケンスの起動閾値電圧ｘＶよりも高い値が設定される。

蓄電装置Ｓの電圧が閾値電圧ｃＶ以上となった場合には、キャパシタ充電の処理を終了し、停止処理（Ｓ３２）が行われる。停止処理では、燃料電池ＦＣによる発電が停止され、停止処理が完了すると、スタンバイ（Ｓ３３）の状態に戻る。スタンバイの状態に戻ると、シーケンスは、停止シーケンスから起動シーケンスへ遷移状態が戻る。

次に、図３を参照して、燃料電池ＦＣの電圧と蓄電装置Ｓとの電圧の関係について説明する。図３は、燃料電池ＦＣの電圧と蓄電装置Ｓの電圧との関係を示す図である。

通常の起動状態であれば、図３（１）に示すように、キャパシタ充電（図２のＳ３１）の処理により、蓄電装置Ｓの電圧は、次回の起動時に必要な閾値電圧ｃＶ以上となっているため、起動シーケンスにおいて、起動閾値電圧ｘＶを超えることができ、発電シーケンスへ遷移することができる。しかし、非常停止により停止した場合など、異常により燃料電池システム１が停止した場合には、停止シーケンスを経ずに、次の起動シーケンスに入ってしまう場合がある。この場合においては、蓄電装置Ｓの電圧が燃料電池ＦＣの電圧がよりも低く、電位差が通常よりも大きくなるため、図３（２）に示すように成り行きで第１経路に通常よりも大きな電流が流れることとなる。その結果、図３（３）に示すように、燃料電池ＦＣの電圧が低くなり、起動シーケンスの起動閾値電圧ｘＶを超えることができずに、シーケンスを発電シーケンスへ遷移することができない事態が生じる。

本実施形態においては、起動シーケンスにおいて燃料電池システム１の異常判定を行うことができるとともに、起動シーケンスから発電シーケンスに遷移する際の燃料電池ＦＣの起動閾値電圧ｘＶの遷移条件を変更して、燃料電池システム１を発電シーケンスへ遷移させることにより、燃料電池システム１を確実に起動することができる。また、発電シーケンスへ遷移させた後は、燃料電池ＦＣの空気不足の状態を改善させるために供給する空気の供給量を上げることで、空気不足を改善することができる。

制御部Ｃｎｔは、起動シーケンスにおける起動閾値電圧ｘＶを蓄電装置Ｓの電圧に基づいて算出してもよい。具体的には、制御部Ｃｎｔは、起動閾値電圧ｘＶを、下記式４により算出する。下記式４における“燃料電池ＦＣの電圧”とは、燃料電池ＦＣの両端電圧である。

起動閾値電圧ｘＶ×セル枚数≦燃料電池ＦＣの電圧＋α
起動閾値電圧ｘＶ≦（燃料電池ＦＣの電圧Ｖ＋α）／セル枚数・・・式４

αは、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖによる回路損失分の電圧Ｖであり、ＤＣＤＣコンバータＣｎｖの構成に依存する。制御部Ｃｎｔは、起動シーケンスが開始されると、式４により起動閾値電圧ｘＶを算出し、式４が成立するまで起動閾値電圧ｘＶを下げる処理を行う。制御部Ｃｎｔは、燃料電池システム１の起動時に起動閾値電圧ｘＶを算出することができる。例えば、制御部Ｃｎｔは、起動シーケンスにおいて運転手のキーＯＮのタイミングで図２のスタンバイ（Ｓ１１）から起動シーケンスが開始されたタイミングで、式４により起動閾値電圧ｘＶを算出してもよい。制御部Ｃｎｔは、起動シーケンスから発電シーケンスへ遷移する前の任意の時点において起動閾値電圧ｘＶを算出してもよい。例えば、制御部Ｃｎｔは、図２の起動シーケンスの処理（Ｓ１１～Ｓ１４）のうち、任意の処理において起動閾値電圧ｘＶを算出してもよい。

なお、制御部Ｃｎｔは、起動閾値電圧ｘＶが満たさないことにより、起動シーケンスから発電シーケンスへと遷移できずに所定時間経過後タイムアウトした場合に、起動閾値電圧ｘＶを算出してもよい。制御部Ｃｎｔは、算出した起動閾値電圧ｘＶに基づいて起動シーケンスから発電シーケンスへと遷移する判定処理を行う。判定処理の結果、燃料電池ＦＣの電圧が起動閾値電圧ｘＶ以上となった場合には、制御部Ｃｎｔは、燃料電池システム１のシーケンスを起動シーケンスから発電シーケンスへと遷移する。

ここで、蓄電装置Ｓの電圧に基づいて起動閾値電圧ｘＶを算出した場合、すなわち、式４に基づいて起動閾値電圧ｘＶを変更した場合には、起動シーケンスから発電シーケンスへと遷移する際に、成り行きで燃料電池ＦＣから電流が流れてしまっている状態である。このため、通常設定された空気の流量では燃料電池ＦＣへ供給される空気の流量不足が生じることとなる。この場合、制御部Ｃｎｔは、シーケンスが起動シーケンスから発電シーケンスへと遷移したら、発電シーケンスにおいて、燃料電池ＦＣへ供給する空気の流量（エア流量）を上げる処理を行う。

具体的には、制御部Ｃｎｔは、燃料電池ＦＣへ供給する空気の流量（エア流量）を、下記式５により算出する。

エア流量［ＮＬ／ｍｉｎ］＝（目標電流×６０）／（９６５００×セル枚数／４／０．２１×２２．４×β・・・式５

βは、供給される水素と空気とのストイキを示す。ストイキは、燃料電池ＦＣの実電流から算出される燃料電池ＦＣの発電に理論上必要な空気の流量である。例えば、ストイキが１．０の場合は、燃料電池ＦＣにおいて反応する水素と空気（酸素）の比率は１となる。ストイキを高く設定すると、燃料電池ＦＣにおいて反応する空気（酸素）が潤沢（過剰）な状態となる。ストイキは、供給される水素の量よりも空気の量が多くなるように設定することができる。これにより、燃料電池ＦＣの各セルに対し必要十分な量を供給することができる。目標電流は、基準ＩＶ上での目標電圧となる電流である。基準ＩＶは、燃料電池ＦＣ（セル）の性能に依存するグラフである。

図４、図５を参照して、燃料電池ＦＣの基準ＩＶから目標電圧を算出する例について説明する。図４は、燃料電池ＦＣの基準ＩＶから目標電圧を算出する例を示すグラフである。図５は、燃料電池ＦＣの基準ＩＶから目標電圧を算出するフローチャートである。図４のグラフは、横軸は燃料電池ＦＣの電流を示し、縦軸は燃料電池ＦＣの電圧を示す。

制御部Ｃｎｔは、現在の蓄電装置Ｓの電圧ｖ１を測定する（Ｓ４１）。そして、燃料電池ＦＣの電圧は、測定結果に基づいて、現在の蓄電装置Ｓの電圧ｖ１から、α（回路損失分の電圧Ｖ）を差し引いた電圧まで成り行きで引っ張られる。このため、制御部Ｃｎｔは、蓄電装置Ｓの電圧ｖ１に対しαを加算した値を目標電圧ｖ２として算出する（Ｓ４２）。

制御部Ｃｎｔは、基準ＩＶ上で目標電圧ｖ２となる電流を目標電流として算出する（Ｓ４３）。すなわち、制御部Ｃｎｔは、基準ＩＶのラインと、目標電圧ｖ２とが接する点に基づいて、目標電流ｔｃＡを算出する（図４参照）。制御部Ｃｎｔは、算出した目標電流ｔｃＡに基づいて、予め設定したストイキとなるように、燃料電池ＦＣへ空気を供給する。空気不足が解消した場合には、制御部Ｃｎｔは、空気の供給量を通常に戻し、発電シーケンスの処理が通常の状態にすることができる。

以上の構成によって、燃料電池システム１に昇圧式のＤＣＤＣコンバータＣｎｖを採用した場合であっても、起動シーケンスにおいて燃料電池システムの異常判定を行うことができるとともに、起動閾値電圧ｘＶを下げることで、エラーを起こすことなく起動シーケンスから発電シーケンスへと遷移させることができ、燃料電池システムを確実に起動することができる。

また、起動閾値電圧ｘＶの算出を燃料電池システムの起動時に行うことで、システムの起動を早くすることができる。

また、制御モードを起動シーケンスから発電シーケンスへ遷移させた後は、燃料電池ＦＣの酸化剤ガスの状態を改善させるために、供給する酸化剤ガスの供給量を上げることで、酸化剤ガス不足を改善することができる。すなわち、発電シーケンスにおいて、目標電流に基づいてストイキとなる空気を供給することで、燃料電池ＦＣの空気不足を解消することができ、燃料電池システム１の状態を安定にすることができる。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

＜その他の実施形態＞
燃料電池システム１は、図６に示すようなＤＣＤＣコンバータであってもよい。この場合、スイッチング素子を有する第２経路は有さないが、ＤＣＤＣコンバータによる昇圧動作を停止した際はダイオードを有する第１経路によって電流が流れ、燃料電池ＦＣの高電位回避が行われる。

また、上述の実施形態においては、燃料電池ＦＣのセルの枚数は、式２により決定しているがこの限りではない。例えば、燃料電池ＦＣの電圧は、蓄電装置Ｓの電圧に加えてダイオードの閾値電圧(立ち上がり電圧)を加算した電圧よりも高くなるようにしてもよい。この場合、燃料電池ＦＣのセルの枚数は、下記式６により決定される。下記式６における“高電位回避電圧”とは、燃料電池ＦＣの両端電圧である。

セル枚数×高電位回避電圧＝発電停止電圧・・・式６

また、上述の実施形態においては、成り行きで電流を流す場合には、上アームのダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５へ電流を流しているがこの限りではない。

制御部Ｃｎｔは、電圧検出部Ｖ１で検出した燃料電池ＦＣの電圧が電圧検出部Ｖ２で検出した蓄電装置Ｓの電圧よりも高いことを検出したときに、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５をＯＮ（閉じ状態）にしてもよい。これにより、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも大きい状態（上記式３の状態）となった場合であっても、燃料電池ＦＣで発生した電流は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５を通って蓄電装置Ｓへ流れる。これにより、ダイオードによる電力の損失がなくなり、燃料電池ＦＣで出力した電力を蓄電装置Ｓに効率よく充電することができる。

また、制御部Ｃｎｔは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のＯＮ－ＯＦＦ状態（開閉状態）を検知可能にしてもよい。制御部Ｃｎｔは、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のＯＮ－ＯＦＦ動作が行われていない場合に、第１経路または第２経路に電流が流れていることを検出した場合には、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６をＯＦＦ状態（閉じ状態）とする。これにより、燃料電池ＦＣの電圧が蓄電装置Ｓの電圧よりも大きい状態（上記式３の状態）となった場合であっても、燃料電池ＦＣで発生した電流は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５を通って蓄電装置Ｓへ流れる。これにより、ダイオードによる電力の損失がなくなり、燃料電池ＦＣで出力した電力を蓄電装置Ｓに効率よく充電することができる。

１ 燃料電池システム
Ｖｅ 車両
Ｌｏ 負荷
ＦＣ 燃料電池
Ｓｉ０ 電流検出部
Ｖ１、Ｖ２ 電圧検出部
Ｃｏ コンデンサ
Ｒｅ１、Ｒｅ２、Ｒｅ３ リアクトル
Ｓｉ１、Ｓｉ２、Ｓｉ３ 電流検出部
Ｃｎｖ ＤＣＤＣコンバータ
Ｓ 蓄電装置
Ｃｎｔ 制御部
Ｑ１～Ｑ６ スイッチング素子
Ｄ１～Ｄ６ ダイオード

Claims (3)

1. 水素ガスと、酸化剤ガスと、により電力を生成する燃料電池と、
   ダイオードを有する第１経路を有し、前記燃料電池の電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
   蓄電装置と、
   前記蓄電装置の電圧を測定する電圧センサと、
   前記燃料電池の制御モードを制御する制御部と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に水素と酸素が残留し、前記燃料電池の電圧が前記蓄電装置の電圧よりも高くなると、前記燃料電池で発生する電力が前記第１経路によって前記蓄電装置に充電可能な状態になり、
   前記制御モードは、
   前記水素ガスと前記酸化剤ガスとが反応し、前記燃料電池の電圧が起動閾値電圧に到達するかを判定する起動シーケンスと、
   前記燃料電池の電圧が前記起動閾値電圧に到達後に遷移する発電シーケンスと、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記起動シーケンスから前記発電シーケンスに遷移するか否かを判定し、
   前記起動閾値電圧を前記蓄電装置の電圧に基づいて算出する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記起動閾値電圧の算出を前記燃料電池システムの起動時に行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 水素ガスと、酸化剤ガスと、により電力を生成する燃料電池と、
   昇圧コンバータと、
   蓄電装置と、
   前記蓄電装置の電圧を測定する電圧センサと、
   前記燃料電池の制御モードを制御する制御部と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記制御モードは、
   前記水素ガスと前記酸化剤ガスとが反応し、前記燃料電池の電圧が起動閾値電圧に到達するかを判定する起動シーケンスと、
   前記燃料電池の電圧が前記起動閾値電圧に到達後に遷移する発電シーケンスと、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記起動シーケンスから前記発電シーケンスに遷移するか否かを判定し、
   前記起動閾値電圧を前記蓄電装置の電圧に基づいて算出し、
   前記起動シーケンスから前記発電シーケンスに遷移した後に、前記蓄電装置の電圧に応じて目標電流を算出し、
   前記目標電流と対応する酸化剤ガス量に対し、前記酸化剤ガス量よりも多い量を供給する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
   

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