JPWO2010143260A1

JPWO2010143260A1 - 燃料電池システム

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Publication number: JPWO2010143260A1
Application number: JP2011518160A
Authority: JP
Inventors: 尚樹蟹江; 岡本　昇平; 昇平岡本; 克浩松嶋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2029-06-09
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Abstract

電力供給経路上に設けられたリレーの溶着を抑制する。制御部９は、燃料電池システムの起動時に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をバッテリ４の開放電圧にし、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧にする。制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５の出力電圧よりも低い場合に、ＦＣコンバータ３の出力電圧をＢａｔコンバータ５の出力電圧まで昇圧させる一方、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５の出力電圧以上である場合に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をＦＣコンバータ３の出力電圧まで昇圧させる。制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧とＢａｔコンバータ５の出力電圧との間の出力電圧差が、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２を溶着させることなくＯＮすることが可能な所定値以下である場合に、ＦＣリレーをＯＮさせる。

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

下記特許文献１には、燃料電池とバッテリで負荷を駆動させる燃料電池システムであって、燃料電池用とバッテリ用の二つのコンバータを備えたものが開示されている。この燃料電池システムでは、負荷に安定して電力を供給するために、燃料電池用のコンバータと、バッテリ用のコンバータとを協調して動作させている。また、バッテリと負荷とを接続する電力供給経路上に接続部であるリレーを設け、システムの停止時にはリレーをＯＦＦ状態にするとともに、システムを起動して燃料電池から負荷に供給される電圧がバッテリ電圧を上回ったときにリレーをＯＮ状態にし、バッテリと負荷とを接続している。これにより、システム停止時のバッテリ電力の浪費を防止するとともに、リレー接続時にバッテリ側から負荷側に電流が突入することを防止している。

特開２００６−３４０４１９号公報

ところで、上記特許文献１では、燃料電池側の電圧がバッテリ側の電圧を上回ったときにリレーをオン状態にしているため、リレー両端の電圧差によってはリレーが溶着するおそれがある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、電力供給経路上に設けられた接続部の溶着を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、前記燃料電池および前記畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される第一の電圧変換部と、前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置される第二の電圧変換部と、前記第一の電圧変換部から前記電力消費装置に電力を供給する経路であって、前記第一の電圧変換部と前記第二の電圧変換部とを結合する前記経路を接続または遮断する接続部と、前記接続部による前記電力供給経路の接続または遮断を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、システム起動時に、前記第一の電圧変換部と前記第二の電圧変換部との間の出力電圧差を所定値以下にしてから、前記経路を接続させることを特徴とする。

この発明によれば、システム起動時に電力供給経路を接続する場合に、第一の電圧変換部と第二の電圧変換部との間の出力電圧差を所定値以下にしてから接続することができるため、接続部の両端の電圧差を、接続部が溶着しない電圧差にしてから接続部を接続させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記第一の電圧変換部の出力電圧を昇圧させることで、前記出力電圧差を所定値以下にすることとしてもよい。

このようにすることで、第一の電圧変換部の出力電圧を昇圧させながら、第一の電圧変換部と第二の電圧変換部との間の出力電圧差が所定値以下になるように調整することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の開放電圧が、前記畜電部の開放電圧よりも低い場合に、前記第一の電圧変換部の出力電圧を前記畜電部の開放電圧まで昇圧させることで、前記出力電圧差を所定値以下にすることとしてもよい。

このようにすることで、燃料電池の開放電圧が畜電部の開放電圧よりも低い場合には、第一の電圧変換部および第二の電圧変換部の出力電圧を、上記両開放電圧のうちの高い方の電圧である燃料電池の開放電圧に合わせることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記第一の電圧変換部の出力電圧が前記第二の電圧変換部で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、前記第一の電圧変換部の出力電圧を前記最低電圧まで昇圧させ、前記第二の電圧変換部の出力電圧を前記最低電圧まで昇圧させることで、前記出力電圧差を所定値以下にすることとしてもよい。

このようにすることで、第一の電圧変換部の出力電圧が第二の電圧変換部で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合には、第一の電圧変換部および第二の電圧変換部の出力電圧を、第二の電圧変換部で昇圧可能な最低電圧に合わせることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、前記畜電部の電力を消費させることで、前記出力電圧差を所定値以下にすることとしてもよい。

このようにすることで、畜電部の電力を消費させながら、第一の電圧変換部と第二の電圧変換部との間の出力電圧差が所定値以下になるように調整することが可能となる。

本発明によれば、電力供給経路上に設けられた接続部の溶着を抑制することができる。

実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。第１実施形態におけるＦＣリレー制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。第２実施形態におけるＦＣリレー制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。第３実施形態におけるＦＣリレー制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。第４実施形態におけるＦＣリレー制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。第５実施形態におけるＦＣリレー制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な各実施形態について説明する。各実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも適用することができ、さらに、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にも適用することができる。

[第１実施形態]
まず、図１を参照して、第１実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示した図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータであるＦＣコンバータ３と、二次電池としてのバッテリ４（蓄電部）と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータであるＢａｔコンバータ５（第二の電圧変換部）と、負荷としてのトラクションインバータ６、トラクションモータ７（電力消費装置）および補機インバータ８ａ、８ｂと、システム全体を統括制御する制御部９（制御手段）とを有する。燃料電池２およびＦＣコンバータ３の組と、バッテリ４およびＢａｔコンバータ５の組は、トラクションインバータ６およびトラクションモータ７に対して並列に接続されている。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、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膜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。この場合、一方のセパレータの水素ガス通路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２には、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶ１が設けられている。

ＦＣコンバータ３は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に出力する機能を有する。このＦＣコンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。

ＦＣコンバータ３は、例えば、燃料電池２から入力された直流電圧を平滑化するコンデンサＣ１と、直流電圧を昇圧するためのコイルＬ１およびメインスイッチＳ１と、共振回路を構成するコンデンサＣ２およびコイルＬ２と、共振回路をＯＮ／ＯＦＦするための共振スイッチＳ２と、ＦＣコンバータ３の出力電圧を平滑化するコンデンサＣ３と、を含んで構成される。これらの各構成要素により、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に出力する第一の電圧変換部が構成される。また、ＦＣコンバータ３は、ＦＣコンバータ３の出力電圧を検出する電圧センサＶ２と、トラクションインバータ６およびトラクションモータ７に電力を供給する電力供給経路を接続または遮断するＦＣリレーＲ１、Ｒ２（接続部）と、をさらに有する。なお、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２は、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５とを結合する経路を接続または遮断する接続部でもある。

バッテリ４は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって燃料電池２の余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。バッテリ４には、バッテリ４の出力電圧を検出する電圧センサＶ３と、バッテリ電力をトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に供給する経路を接続または遮断するＢａｔリレーＲ３、Ｒ４とが設けられている。ＢａｔリレーＲ３、Ｒ４は、燃料電池システム１の起動時にＯＮされ、停止時にＯＦＦされる。

Ｂａｔコンバータ５は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４から出力された直流電圧を調整（昇圧）してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ７から出力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ４に出力する機能と、を有する。このようなＢａｔコンバータ５の機能により、バッテリ４の充放電が実現される。Ｂａｔコンバータ５には、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を検出する電圧センサＶ４が設けられている。

トラクションインバータ６は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ７やコンプレッサＣＰのモータに供給する。トラクションモータ７は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。補機インバータ８ａ、８ｂは、水素ポンプＨＰや冷却水ポンプＷＰ等の補機装置に含まれるモータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータ８ａ、８ｂは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部９からの制御指令に従ってバッテリ４から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部９は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ７等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ７の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサＣＰや水素ポンプＨＰ、冷却水ポンプＷＰのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部９は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

制御部９は、例えばＦＣリレーＲ１、Ｒ２のＯＮ／ＯＦＦを制御する。制御部９は、燃料電池システム１の起動時に、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５との間の出力電圧差を所定値以下になるように制御してからＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせる。所定値としては、例えば、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮするときに、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２が溶着することなくＯＮすることが可能な電圧差の範囲内に設定することができ、この電圧差の範囲内のうちの上限に設定することが望ましい。この電圧差の範囲は、実験等により求めることができる。具体的に、制御部９は、以下のようにしてＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５との間の出力電圧差を所定値以下になるように制御する。

制御部９は、燃料電池システムの起動時に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をバッテリ４の開放電圧（Open Circuit Voltage）にし、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧にする。続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５の出力電圧よりも低い場合に、ＦＣコンバータ３の出力電圧を、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧であるバッテリ４の開放電圧まで昇圧させる。一方、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５の出力電圧以上である場合に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を、ＦＣコンバータ３の出力電圧である燃料電池２の開放電圧まで昇圧させる。

その後、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧とＢａｔコンバータ５の出力電圧との間の出力電圧差が所定値以下である場合に、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせる。これにより、各ＦＣリレーＲ１、Ｒ２の両端を略同電位にした状態で、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせることができる。

一方、上記出力電圧差が所定値よりも大きい場合に、制御部９は、出力電圧差が所定値以下になるまで、ＦＣコンバータ３の出力電圧かＢａｔコンバータ５の出力電圧のいずれか一方を調整する。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、第１実施形態におけるＦＣリレー制御処理について説明する。このＦＣリレー制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始される。また、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２は、イグニッションキーＯＮ時にはＯＦＦとなっている。

最初に、制御部９は、Ｂａｔコンバータ５を駆動させ（ステップＳ１０１）、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をバッテリ４の開放電圧に設定する（ステップＳ１０２）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３を駆動させ（ステップＳ１０３）、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧に設定する（ステップＳ１０４）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５の出力電圧よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１０５）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）に、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧をＢａｔコンバータ５の出力電圧まで昇圧させる（ステップＳ１０６）。そして、制御部９は、後述するステップＳ１０８に処理を移行する。

一方、上記ステップＳ１０５の判定でＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５の出力電圧以上であると判定された場合（ステップＳ１０５；ＮＯ）に、制御部９は、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をＦＣコンバータ３の出力電圧まで昇圧させる（ステップＳ１０７）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５との間の出力電圧差が、所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０８；ＮＯ）に、制御部９は、上述したステップＳ１０５に処理を移行する。

一方、上記ステップＳ１０８の判定で上記出力電圧差が所定値以下であると判定された場合（ステップＳ１０８；ＹＥＳ）に、制御部９は、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせる（ステップＳ１０９）。

上述してきたように、第１実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の開放電圧がバッテリ４の開放電圧よりも低い場合には、ＦＣコンバータ３の出力電圧を昇圧させながら、ＦＣコンバータ３およびＢａｔコンバータ５の出力電圧を、より高い方の電圧である燃料電池２の開放電圧に合わせることができる。

これにより、電力供給経路を接続するときに、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５との間の出力電圧差（ＦＣリレーＲ１、Ｒ２の両端の電圧差）を、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２が溶着することなくＯＮすることが可能な所定値以下にした後に、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせることができるため、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２を溶着させることなくＯＮさせることが可能となる。

[第２実施形態]
本発明の第２実施形態について説明する。Ｂａｔコンバータ５は、バッテリ電圧を昇圧する際に、バッテリ４の開放電圧から数十Ｖ程高い電圧に昇圧するまでは昇圧状態が不安定となる。したがって、Ｂａｔコンバータ５では、上記数十Ｖ程度を、昇圧電圧の下限値（以下、「下限昇圧電圧」という。）とし、昇圧する電圧幅が下限昇圧電圧よりも小さい場合には昇圧動作を行わないこととしている。言い換えると、Ｂａｔコンバータ５は、バッテリの開放電圧に下限昇圧電圧を加算した電圧を、昇圧可能な最低電圧として昇圧動作を行う。

ところで、燃料電池２の開放電圧とバッテリ４の開放電圧との差が下限昇圧電圧以上あれば、上述した第１実施形態におけるＦＣリレー制御処理を何ら問題なく実行することができる。しかしながら、例えば、燃料電池２のセル枚数を減らした場合や、逆にセル枚数を増やす等してバッテリ残量が大きなバッテリを使用した場合には、燃料電池２の開放電圧とバッテリ４の開放電圧との差が下限昇圧電圧よりも小さくなることもあり得る。このような場合に、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５の出力電圧よりも高いからといって、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をバッテリ４の開放電圧から燃料電池２の開放電圧まで昇圧させようとしても、昇圧させる電圧幅が下限昇圧電圧よりも小さいため昇圧させることができない。したがって、この場合には、上述した第１実施形態におけるＦＣリレー制御処理では、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせることができないこととなる。

そこで、第２実施形態における燃料電池システム１では、燃料電池２の開放電圧とバッテリ４の開放電圧との差が下限昇圧電圧よりも小さい場合であっても、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせることができるように、ＦＣコンバータ３およびＢａｔコンバータ５を制御することとした。

第２実施形態における燃料電池システムの構成は、図１に示す第１実施形態における燃料電池システムの構成と同様である。したがって、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

制御部９は、燃料電池システム１の起動時に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をバッテリ４の開放電圧にし、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧にする。続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、ＦＣコンバータ３の出力電圧およびＢａｔコンバータ５の出力電圧を、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧までそれぞれ昇圧させる。一方、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧以上である場合に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を、ＦＣコンバータ３の出力電圧である燃料電池２の開放電圧まで昇圧させる。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、第２実施形態におけるＦＣリレー制御処理について説明する。このＦＣリレー制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始される。また、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２は、イグニッションキーＯＮ時にはＯＦＦとなっている。

最初に、制御部９は、Ｂａｔコンバータ５を駆動させ（ステップＳ２０１）、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をバッテリ４の開放電圧に設定する（ステップＳ２０２）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３を駆動させ（ステップＳ２０３）、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧に設定する（ステップＳ２０４）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧よりも低いか否かを判定する（ステップＳ２０５）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ２０５；ＹＥＳ）に、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧をＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧まで昇圧させ（ステップＳ２０６）、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧まで昇圧させる（ステップＳ２０７）。そして、制御部９は、後述するステップＳ２０８に処理を移行する。

一方、上記ステップＳ２０５の判定でＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧以上であると判定された場合（ステップＳ２０５；ＮＯ）に、制御部９は、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をＦＣコンバータ３の出力電圧まで昇圧させる（ステップＳ２０８）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５との間の出力電圧差が、所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０９）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０９；ＮＯ）に、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧かＢａｔコンバータ５の出力電圧のいずれか一方を調整し（ステップＳ２１１）、上述したステップＳ２０９に処理を移行する。なお、各出力電圧の調整方法は、例えば、上記第１実施形態で説明したステップＳ１０５〜Ｓ１０７（図２参照）の各処理を行うこととすればよい。

一方、上記ステップＳ２０９の判定で上記出力電圧差が所定値以下であると判定された場合（ステップＳ２０９；ＹＥＳ）に、制御部９は、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせる（ステップＳ２１０）。

上述してきたように、第２実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の開放電圧に設定されたＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合には、ＦＣコンバータ３およびＢａｔコンバータ５の出力電圧を、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧に合わせることができる。

[第３実施形態]
本発明の第３実施形態について説明する。上述した第２実施形態における燃料電池システム１では、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、ＦＣコンバータ３の出力電圧およびＢａｔコンバータ５の出力電圧を、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧までそれぞれ昇圧させているが、第３実施形態における燃料電池システムでは、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、ＥＶ（electric vehicle）モード走行させてバッテリ電圧を低下させる点で異なる。

第３実施形態における燃料電池システムの構成は、図１に示す第１実施形態における燃料電池システムの構成と同様である。したがって、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

制御部９は、燃料電池システム１の起動時に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をバッテリ４の開放電圧にし、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧にする。続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、ＥＶモードでの走行を開始させる。ＥＶモードは、燃料電池２の出力を停止し、バッテリ４の出力で走行する運転モードである。ＥＶモードで走行することによって、バッテリ４の開放電圧が低下するため、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧も低下する。制御部９は、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧がＦＣコンバータ３の出力電圧以下になるまで、ＥＶモード走行を継続する。

制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧以上である場合に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を、ＦＣコンバータ３の出力電圧である燃料電池２の開放電圧まで昇圧させる。

次に、図４に示すフローチャートを用いて、第３実施形態におけるＦＣリレー制御処理について説明する。このＦＣリレー制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始される。また、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２は、イグニッションキーＯＮ時にはＯＦＦとなっている。

最初に、制御部９は、Ｂａｔコンバータ５を駆動させ（ステップＳ３０１）、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をバッテリ４の開放電圧に設定する（ステップＳ３０２）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３を駆動させ（ステップＳ３０３）、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧に設定する（ステップＳ３０４）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧よりも低いか否かを判定する（ステップＳ３０５）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ３０５；ＹＥＳ）に、制御部９は、ＥＶモードでの走行を開始させる（ステップＳ３０６）。そして、制御部９は、上述したステップＳ３０５に処理を移行する。

一方、上記ステップＳ３０５の判定でＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧以上であると判定された場合（ステップＳ３０５；ＮＯ）に、制御部９は、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧をＦＣコンバータ３の出力電圧まで昇圧させる（ステップＳ３０７）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５との間の出力電圧差が、所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０８）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ３０８；ＮＯ）に、制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧かＢａｔコンバータ５の出力電圧のいずれか一方を調整し（ステップＳ３１０）、上述したステップＳ３０８に処理を移行する。なお、各出力電圧の調整方法は、例えば、上記第１実施形態で説明したステップＳ１０５〜Ｓ１０７（図２参照）の各処理を行うこととすればよい。

一方、上記ステップＳ３０８の判定で上記出力電圧差が所定値以下であると判定された場合（ステップＳ３０８；ＹＥＳ）に、制御部９は、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせる（ステップＳ３０９）。

上述してきたように、第３実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の開放電圧に設定されたＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合には、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧がＦＣコンバータ３の出力電圧以下になるまでバッテリ４の電力を消費させてから、ＦＣコンバータ３およびＢａｔコンバータ５の出力電圧を、ＦＣコンバータ３の出力電圧に合わせることができる。

なお、第３実施形態におけるＦＣリレー制御処理は、第２実施形態におけるＦＣリレー制御処理を基準にして説明しているが、第１実施形態におけるＦＣリレー制御処理を基準にしてもよい。具体的には、図２のステップＳ１０５の判定においてＦＣコンバータ３の出力電圧がＢａｔコンバータ５の出力電圧よりも低いと判定された場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）に、制御部９は、ＥＶモードでの走行を開始させ、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧がＦＣコンバータ３の出力電圧以下になるまで、ＥＶモード走行を継続させることとしてもよい。

[第４実施形態]
本発明の第４実施形態について説明する。上述した第１実施形態における燃料電池システムでは、ＦＣリレー制御処理においてＦＣコンバータ３およびＢａｔコンバータ５を制御する際に、ＢａｔリレーＲ３、Ｒ４をＯＮしたままで制御しているが、第４実施形態における燃料電池システムでは、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧がバッテリ４の開放電圧に設定された後にＢａｔリレーＲ３、Ｒ４をＯＦＦする点で異なる。

第４実施形態における燃料電池システムの構成は、図１に示す第１実施形態における燃料電池システムの構成と同様である。したがって、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

制御部９は、燃料電池システム１の起動時に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を燃料電池２の開放電圧以上にし、コンデンサＣ４をプリチャージする。開放電圧「以上」としたのは、燃料電池２の開放電圧とバッテリ４の開放電圧との差が下限昇圧電圧よりも小さい場合には、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を燃料電池２の開放電圧に昇圧させることができず、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧が、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧になるためである。したがって、制御部９は、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を、燃料電池２の開放電圧か、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧のいずれかにすることとなる。

制御部９は、コンデンサＣ４をプリチャージした後に、ＢａｔリレーＲ３、Ｒ４をＯＦＦさせる。

制御部９は、燃料電池システム１の起動時に、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧にする。制御部９は、ＦＣコンバータ３の出力電圧とＢａｔコンバータ５の出力電圧との間の出力電圧差が所定値以下である場合に、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせる。これにより、各ＦＣリレーＲ１、Ｒ２の両端を略同電位にした状態で、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせることができる。

一方、上記出力電圧差が所定値よりも大きい場合に、制御部９は、当該出力電圧差が所定値以下になるまで、トラクションモータ７を駆動させてコンデンサＣ４に蓄電されている電力を消費させる。ここで、ＢａｔリレーＲ３、Ｒ４をＯＦＦさせたことで、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧は、コンデンサＣ４の電圧と同等に推移することになる。したがって、コンデンサＣ４の電力を消費することで、コンデンサＣ４の電圧、つまりＢａｔコンバータ５の出力電圧が低下するため、上記出力電圧差が縮まることになる。

なお、コンデンサＣ４に蓄電されている電力を消費させることができればよいため、トラクションモータ７に替えてコンプレッサＣＰを駆動させることとしてもよいし、トラクションモータ７とコンプレッサＣＰの双方を駆動させることとしてもよい。

また、トラクションモータ７でＢａｔコンバータ５の出力電圧は、例えば、以下のように降下させることができる。制御部９は、目標電圧である燃料電池２の開放電圧から実電圧であるコンデンサＣ４の電圧（Ｂａｔコンバータ５の出力電圧）を減算して得られる電圧差に基づいてＰＩ（Proportional Integral）制御を行うことによって電圧降下させる。電圧降下でアンダシュートしてしまった場合には、制御部９は、ＢａｔリレーＲ３、Ｒ４をＯＮさせて、コンデンサＣ４を再度プリチャージしてからＢａｔリレーＲ３、Ｒ４をＯＦＦさせて上述した電圧降下処理を再度行うこととすればよい。

また、上述したＰＩ制御を行う際に、目標電圧を燃料電池２の開放電圧よりも高い値に設定し、ＰＩ制御でその設定値まで電圧降下を行い、その設定値から燃料電池２の開放電圧までの電圧降下は、アンダシュートを起こさない範囲で電圧を徐々に降下させることとしてもよい。

次に、図５に示すフローチャートを用いて、第４実施形態におけるＦＣリレー制御処理について説明する。このＦＣリレー制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始される。また、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２は、イグニッションキーＯＮ時にはＯＦＦとなっている。

最初に、制御部９は、Ｂａｔコンバータ５を駆動させ（ステップＳ４０１）、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を燃料電池２の開放電圧以上に設定する（ステップＳ４０２）。その後、制御部９は、ＢａｔリレーＲ３、Ｒ４をＯＦＦさせる（ステップＳ４０３）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３を駆動させ（ステップＳ４０４）、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧に設定する（ステップＳ４０５）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５との間の出力電圧差が、所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ４０６）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ４０６；ＮＯ）に、制御部９は、トラクションモータ７を駆動させてコンデンサＣ４に蓄電されている電力を消費させ（ステップＳ４０８）、上述したステップＳ４０６に処理を移行する。

一方、上記ステップＳ４０６の判定で上記出力電圧差が所定値以下であると判定された場合（ステップＳ４０６；ＹＥＳ）に、制御部９は、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせる（ステップＳ４０７）。

上述してきたように、第４実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の開放電圧以上に設定されたコンデンサＣ４の電圧（Ｂａｔコンバータ５の出力電圧）と、燃料電池２の開放電圧に設定されたＦＣコンバータ３の出力電圧との差（電圧差）が、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２が溶着することなくＯＮすることが可能な所定値よりも大きいときには、上記電圧差が所定値以下になるまでトラクションモータ７を駆動させた後に、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせることができる。これにより、電力供給経路を接続するときに、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２を溶着させることなくＯＮさせることが可能となる。

[第５実施形態]
本発明の第５実施形態について説明する。上述した第４実施形態の燃料電池システムにおいて、バッテリ４の開放電圧が燃料電池２の開放電圧よりも高い場合には、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を、バッテリ４の開放電圧から燃料電池２の開放電圧に降圧させるか、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧に昇圧させるかのいずれかの処理を行うこととなる。しかしながら、Ｂａｔコンバータ５は、バッテリの開放電圧を降圧して負荷側に出力する機能を有していない。また、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を、Ｂａｔコンバータ５で昇圧可能な最低電圧にまで昇圧させてしまうと効率が低下してしまう。

そこで、第５実施形態における燃料電池システムでは、バッテリ４の開放電圧が燃料電池２の開放電圧よりも高い場合であっても、ＦＣリレー制御処理を効率良く実行させることができるように、ＦＣコンバータ３およびＢａｔコンバータ５を制御することとした。

第５実施形態における燃料電池システムの構成は、図１に示す第１実施形態における燃料電池システムの構成と同様である。したがって、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

制御部９は、燃料電池システム１の起動時に、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を燃料電池２の開放電圧にし、その後、ＢａｔリレーＲ３、Ｒ４をＯＦＦさせる。第５実施形態における制御部９が、上述した第４実施形態における制御部９と異なる点は、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を燃料電池２の開放電圧にすることができない場合には、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧としてバッテリ４の開放電圧をそのまま出力させる点である。

一方、上記出力電圧差が所定値よりも大きい場合に、制御部９は、当該出力電圧差が所定値以下になるまで、トラクションモータ７等を駆動させてコンデンサＣ４に蓄電されている電力を消費させる。

次に、図６に示すフローチャートを用いて、第５実施形態におけるＦＣリレー制御処理について説明する。このＦＣリレー制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始される。また、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２は、イグニッションキーＯＮ時にはＯＦＦとなっている。

最初に、制御部９は、Ｂａｔコンバータ５を駆動させ（ステップＳ５０１）、Ｂａｔコンバータ５の出力電圧を燃料電池２の開放電圧に設定する（ステップＳ５０２）。その後、制御部９は、ＢａｔリレーＲ３、Ｒ４をＯＦＦさせる（ステップＳ５０３）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３を駆動させ（ステップＳ５０４）、ＦＣコンバータ３の出力電圧を燃料電池２の開放電圧に設定する（ステップＳ５０５）。

続いて、制御部９は、ＦＣコンバータ３とＢａｔコンバータ５との間の出力電圧差が、所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ５０６）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ５０６；ＮＯ）に、制御部９は、トラクションモータ７を駆動させてコンデンサＣ４に蓄電されている電力を消費させ（ステップＳ５０８）、上述したステップＳ５０６に処理を移行する。

一方、上記ステップＳ５０６の判定で上記出力電圧差が所定値以下であると判定された場合（ステップＳ５０６；ＹＥＳ）に、制御部９は、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせる（ステップＳ５０７）。

上述してきたように、第５実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の開放電圧に設定されていると想定されるコンデンサＣ４の電圧（Ｂａｔコンバータ５の出力電圧）と、燃料電池２の開放電圧に設定されたＦＣコンバータ３の出力電圧との差（電圧差）が、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２が溶着することなくＯＮすることが可能な所定値よりも大きいときには、上記電圧差が所定値以下になるまでトラクションモータ７を駆動させた後に、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２をＯＮさせることができる。これにより、電力供給経路を接続するときに、ＦＣリレーＲ１、Ｒ２を溶着させることなくＯＮさせることが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムは、電力供給経路上に設けられた接続部の溶着を抑制することに適している。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＦＣコンバータ、４…バッテリ、５…Ｂａｔコンバータ、６…トラクションインバータ、７…トラクションモータ、８ａ、８ｂ…補機インバータ、９…制御部、Ｃ４…コンデンサ、Ｒ１、Ｒ２…ＦＣリレー、Ｒ３、Ｒ４…Ｂａｔリレー。

Claims

燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、
前記燃料電池および前記畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、
前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される第一の電圧変換部と、
前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置される第二の電圧変換部と、
前記第一の電圧変換部から前記電力消費装置に電力を供給する経路であって、前記第一の電圧変換部と前記第二の電圧変換部とを結合する前記経路を接続または遮断する接続部と、
前記接続部による前記電力供給経路の接続または遮断を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、システム起動時に、前記第一の電圧変換部と前記第二の電圧変換部との間の出力電圧差を所定値以下にしてから、前記経路を接続させることを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記第一の電圧変換部の出力電圧を昇圧させることで、前記出力電圧差を所定値以下にすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の開放電圧が、前記畜電部の開放電圧よりも低い場合に、前記第一の電圧変換部の出力電圧を前記畜電部の開放電圧まで昇圧させることで、前記出力電圧差を所定値以下にすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記第一の電圧変換部の出力電圧が前記第二の電圧変換部で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、前記第一の電圧変換部の出力電圧を前記最低電圧まで昇圧させ、前記第二の電圧変換部の出力電圧を前記最低電圧まで昇圧させることで、前記出力電圧差を所定値以下にすることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記畜電部の電力を消費させることで、前記出力電圧差を所定値以下にすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。