特開 2023-180404 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023180404

(43)【公開日】2023-12-21

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04664 20160101AFI20231214BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20231214BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20231214BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20231214BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20231214BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20231214BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20231214BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20231214BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04664

H01M8/04537

H01M8/00 A

H01M8/04225

H01M8/04228

H01M8/04302

H01M8/04303

H01M8/04858

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022093692

(22)【出願日】2022-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(72)【発明者】

【氏名】上島 鷹之

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB29

5H127AC01

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA57

5H127BA58

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB26

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127DA01

5H127DA08

5H127DA11

5H127DB89

5H127DC44

5H127DC47

5H127DC89

(57)【要約】

【課題】正常・異常の判定を適切に実行することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池又は蓄電装置からの電圧を変圧するＤＣＤＣコンバータと、前記電圧により稼働される対象負荷と、前記ＤＣＤＣコンバータに供給される電流を検出する電流センサと、前記電流センサによる検出電流に基づいて燃料電池システムの正常・異常の判定を行う制御部と、を有し、前記制御部は、前記対象負荷の稼働状態では、前記電流センサによる検出電流を第１の閾値と比較することで、前記燃料電池システムの正常・異常の判定を行い、前記対象負荷の非稼働状態では、前記電流センサによる検出電流を前記第１の閾値よりも低い第２の閾値と比較することで、前記燃料電池システムの正常・異常の判定を行う、ことを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池又は蓄電装置からの電圧を変圧するＤＣＤＣコンバータと、
前記電圧により稼働される対象負荷と、
前記ＤＣＤＣコンバータに供給される電流を検出する電流センサと、
前記電流センサによる検出電流に基づいて燃料電池システムの正常・異常の判定を行う制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記対象負荷の稼働状態では、前記電流センサによる検出電流を第１の閾値と比較することで、前記燃料電池システムの正常・異常の判定を行い、
前記対象負荷の非稼働状態では、前記電流センサによる検出電流を前記第１の閾値よりも低い第２の閾値と比較することで、前記燃料電池システムの正常・異常の判定を行う、
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記対象負荷は、前記燃料電池システムの始動フェーズと、前記燃料電池システムの終了フェーズと、前記燃料電池システムの間欠運転モードにおける休止フェーズとの少なくとも１つにおいて非稼働状態となり、それ以外のフェーズにおいて稼働状態となる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記ＤＣＤＣコンバータは、
相対的に高い電圧領域での変圧を行う高電圧側ＤＣＤＣコンバータと、
相対的に低い電圧領域での変圧を行う低電圧側ＤＣＤＣコンバータと、
を有し、
前記電流センサは、前記低電圧側ＤＣＤＣコンバータに供給される電流を検出する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記ＤＣＤＣコンバータは、
相対的に高い電圧領域での変圧を行う高電圧側ＤＣＤＣコンバータと、
相対的に低い電圧領域での変圧を行う低電圧側ＤＣＤＣコンバータと、
を有し、
前記電圧により稼働される負荷は、前記高電圧側ＤＣＤＣコンバータに対応する高電圧側対象負荷と、前記低電圧側ＤＣＤＣコンバータに対応する低電圧側対象負荷とを含み、
前記対象負荷は、前記低電圧側対象負荷の少なくとも一部である、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記対象負荷は、インジェクタと、バルブと、モータと、コイル負荷と、抵抗負荷との少なくとも１つを含む、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記制御部は、前記対象負荷の稼働状態と非稼働状態にかかわらず、前記燃料電池システムの異常を判定したときは、前記ＤＣＤＣコンバータへの電流供給を停止する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、入力側に電流センサが接続され、入力電力を電圧変換して出力側に接続された機器に出力する、並列に接続された複数のＤＣ－ＤＣコンバータの故障を診断する故障診断装置が記載されている。この故障診断装置では、機器の要求電力値がＤＣ－ＤＣコンバータのそれぞれの出力電力値よりも大きく、且つ電流センサが測定した電流より求めた各ＤＣ－ＤＣコンバータの入力電力の合算値に、予め定められた係数を乗算した値が機器の要求電力値よりも小さい場合に、ＤＣ－ＤＣコンバータのうち少なくとも１つが故障していると判定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－５０６５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の故障診断装置では、機器（負荷）の種類や状態等の特性が電流波形に与える影響を低減して高精度な故障診断を行うという観点において改良の余地がある。

【0005】

本発明は、上記の問題意識に基づいてなされたものであり、正常・異常の判定を適切に実行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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る一つの形態である燃料電池システムは、燃料電池又は蓄電装置からの電圧を変圧するＤＣＤＣコンバータと、前記電圧により稼働される対象負荷と、前記ＤＣＤＣコンバータに供給される電流を検出する電流センサと、前記電流センサによる検出電流に基づいて燃料電池システムの正常・異常の判定を行う制御部と、を有し、前記制御部は、前記対象負荷の稼働状態では、前記電流センサによる検出電流を第１の閾値と比較することで、前記燃料電池システムの正常・異常の判定を行い、前記対象負荷の非稼働状態では、前記電流センサによる検出電流を前記第１の閾値よりも低い第２の閾値と比較することで、前記燃料電池システムの正常・異常の判定を行う。

【0007】

検出電流の変動が起こり易い対象負荷を設定・選択して、当該対象負荷の稼働状態では、電流センサによる検出電流を第１の閾値と比較することで、燃料電池システムの正常・異常の判定を行い、当該対象負荷の非稼働状態では、電流センサによる検出電流を第１の閾値よりも低い第２の閾値と比較することで、燃料電池システムの正常・異常の判定を行う。すなわち、対象負荷の稼働状態では、当該対象負荷に起因する検出電流の変動を考慮した相対的に高い第１の閾値を基準として、燃料電池システムの故障判定を行う一方、対象負荷の非稼働状態では、当該対象負荷に起因する検出電流の変動を考慮しない相対的に低い第２の閾値を基準として、故障には至らないまでも燃料電池システムの初期段階での異常兆候を検知する。これにより、燃料電池システムの正常・異常の判定を適切に実行することができる。

【0008】

前記対象負荷は、前記燃料電池システムの始動フェーズと、前記燃料電池システムの終了フェーズと、前記燃料電池システムの間欠運転モードにおける休止フェーズとの少なくとも１つにおいて非稼働状態となり、それ以外のフェーズにおいて稼働状態となる。

【0009】

燃料電池システムの始動フェーズと終了フェーズと間欠運転モードにおける休止フェーズでは、検出電流の変動が起こり易い対象負荷が非稼働状態となる（とする）ことが多い。対象負荷が非稼働状態となるこのようなタイミングに注目して（対象負荷が動作していないタイミングを制御的に設けて）、第２の閾値を基準とした判定を行うことで、故障には至らないまでも燃料電池システムの初期段階での異常兆候を検知することができる。なお、対象負荷が稼働状態となるその他のタイミングでは、第１の閾値を基準とした燃料電池システムの故障判定を行うことができる。

【0010】

前記ＤＣＤＣコンバータは、相対的に高い電圧領域での変圧を行う高電圧側ＤＣＤＣコンバータと、相対的に低い電圧領域での変圧を行う低電圧側ＤＣＤＣコンバータと、を有し、前記電流センサは、前記低電圧側ＤＣＤＣコンバータに供給される電流を検出する。

【0011】

高電圧側ＤＣＤＣコンバータには自己監視機能（例えばＣＡＮ通信等により自己診断結果を外部送信する機能）が搭載されることが多いのに対して、低電圧側ＤＣＤＣコンバータには自己監視機能が搭載されないことが多い。そのような場合（自己監視機能が搭載されない場合）でも、電流センサが低電圧側ＤＣＤＣコンバータに供給される電流を検出することで、燃料電池システムの正常・異常の判定を適切に実行することができる。

【0012】

前記ＤＣＤＣコンバータは、相対的に高い電圧領域での変圧を行う高電圧側ＤＣＤＣコンバータと、相対的に低い電圧領域での変圧を行う低電圧側ＤＣＤＣコンバータと、を有し、前記電圧により稼働される負荷は、前記高電圧側ＤＣＤＣコンバータに対応する高電圧側対象負荷と、前記低電圧側ＤＣＤＣコンバータに対応する低電圧側対象負荷とを含み、前記対象負荷は、前記低電圧側対象負荷の少なくとも一部である。

【0013】

低電圧側対象負荷は、検出電流の変動が起こり易い負荷が多いため、低電圧側対象負荷の少なくとも一部を対象負荷とすることで、より一層、燃料電池システムの正常・異常の判定を適切に実行することができる。

【0014】

前記対象負荷は、インジェクタと、バルブと、モータと、コイル負荷と、抵抗負荷との少なくとも１つを含む。

【0015】

インジェクタとバルブとモータとコイル負荷と抵抗負荷は、検出電流の変動が起こり易い負荷であり、これらの少なくとも１つを対象負荷とすることで、より一層、燃料電池システムの正常・異常の判定を適切に実行することができる。

【0016】

前記制御部は、前記対象負荷の稼働状態と非稼働状態にかかわらず、前記燃料電池システムの異常を判定したときは、前記ＤＣＤＣコンバータへの電流供給を停止する。

【0017】

燃料電池システムの異常を判定した段階で、直ちにＤＣＤＣコンバータへの電流供給を停止すれば、修理や交換等の適切な手当てを行って、燃料電池システムの内部の他の構成部品へのストレスを軽減することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、正常・異常の判定を適切に実行することができる燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

【図2】低電圧側ＤＣＤＣコンバータ及びその周辺部位を拡大して描いた図である。

【図3】対象負荷が稼働状態と非稼働状態になる時間的なタイミングの一例を示す図である。

【図4】実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本明細書において、「電圧」と「電流」の文言は互いに読み替えられてもよい。例えば、「電流センサによる検出電流」は、「電圧センサによる検出電圧」と読み替えられてもよい。

【0021】

図１は、実施形態の燃料電池システム１の一例を示す図である。

【0022】

図１に示す燃料電池システム１は、例えば、フォークリフトなどの産業車両や自動車などの車両Ｖｅに搭載される。なお、車両Ｖｅには、走行用モータを駆動するインバータなどの外部負荷Ｌｏが搭載され、燃料電池システム１から外部負荷Ｌｏに電力が供給される。

【0023】

また、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、燃料タンクＴと、主止弁ＳＶと、インジェクタＩＮＪと、気液分離機ＧＬＳと、循環ポンプＨＰと、排気排水弁ＥＤＶと、希釈器ＤＩＬと、エアコンプレッサＡＣＰと、エア調圧弁ＡＲＶと、エアシャット弁ＡＳＶとを備える。

【0024】

また、燃料電池システム１は、さらに、ラジエタＲと、ファンＦと、ウォータポンプＷＰと、インタークーラＩＣと、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨと、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬと、高電圧側蓄電装置ＢＨと、低電圧側蓄電装置ＢＬと、電流センサＳｉｆと、電圧センサＳｖｆと、記憶部２と、制御部３とを備える。

【0025】

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であり、燃料ガス（水素ガスなど）に含まれる水素と酸化剤ガス（空気など）に含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる。

【0026】

燃料タンクＴは、燃料ガスの貯蔵容器である。燃料タンクＴに貯蔵された燃料ガスは主止弁ＳＶ及びインジェクタＩＮＪを介して燃料電池ＦＣに供給される。

【0027】

主止弁ＳＶは、コイルを含む電磁弁などにより構成され、燃料ガスをインジェクタＩＮＪに供給する。また、主止弁ＳＶは、制御部３の動作制御によりインジェクタＩＮＪへの燃料ガスの供給を遮断する。

【0028】

インジェクタＩＮＪは、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの圧力が一定になるように燃料ガスの流量を調整する。

【0029】

気液分離機ＧＬＳは、燃料電池ＦＣから排出される燃料ガスと液水とを分離する。

【0030】

循環ポンプＨＰは、気液分離機ＧＬＳにより分離された燃料ガスを燃料電池ＦＣに再度供給する。

【0031】

排気排水弁ＥＤＶは、気液分離機ＧＬＳにより分離された液水を希釈器ＤＩＬに送る。希釈器ＤＩＬに送られた液水は、希釈器ＤＩＬ内のタンクに溜まる。また、燃料電池ＦＣから排出された燃料ガスと酸化剤ガスは希釈器ＤＩＬで合流し、燃料電池システム１の外部に排出される。

【0032】

エアコンプレッサＡＣＰは、燃料電池システム１の周囲に存在する酸化剤ガスをモータが回転することにより圧縮しインタークーラＩＣ及びエアシャット弁ＡＳＶを介して燃料電池ＦＣに供給する。なお、エアコンプレッサＡＣＰの圧縮率は、燃料電池ＦＣの下流に設けられるエア調圧弁ＡＲＶの開度を調節することで制御される。

【0033】

インタークーラＩＣは、圧縮により高温になった酸化剤ガスをインタークーラＩＣに流れる冷却水などの冷媒と熱交換させる。

【0034】

エアシャット弁ＡＳＶは、制御部３の動作制御により燃料電池ＦＣへの酸化剤ガスの供給を遮断する。なお、イグニッションオン状態であり車両Ｖｅが駆動しているとき（荷役作業や走行が可能な状態であるとき）、エアシャット弁ＡＳＶは全開になっているものとする。エアシャット弁ＡＳＶは電動のバタフライ弁で、通電に応じて開度が調整される。

【0035】

エア調圧弁ＡＲＶは、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力や流量を調整する。エア調圧弁ＡＲＶは電動のバタフライ弁で、通電に応じて開度が調整される。

【0036】

ラジエタＲは、燃料電池ＦＣの発熱により温められた冷媒を外気と熱交換させる。

【0037】

ファンＦは、ラジエタＲの放熱量を上昇させる。

【0038】

ウォータポンプＷＰは、ラジエタＲにより冷却された冷媒をインタークーラＩＣを介して燃料電池ＦＣに供給する。

【0039】

高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨは、燃料電池ＦＣの後段に接続され、燃料電池ＦＣから出力される電圧Ｖｆｃ（図示略、例えば９０［Ｖ］）を電圧Ｖｃｈ（図示略、例えば４８［Ｖ］）に変換する。また、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨから出力される電力は、外部負荷Ｌｏ、高電圧側内部負荷（高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）、及び高電圧側蓄電装置ＢＨに供給される。なお、高電圧側内部負荷（高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）は、例えば、循環ポンプＨＰ、エアコンプレッサＡＣＰ、及びウォータポンプＷＰがこれに相当し得る。

【0040】

高電圧側蓄電装置ＢＨは、リチウムイオンキャパシタなどにより構成され、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨと外部負荷Ｌｏとの間に接続されている。

【0041】

低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬは、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨ及び高電圧側蓄電装置ＢＨの後段に接続され、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨから出力される電圧Ｖｃｈ（図示略）または高電圧側蓄電装置ＢＨの電圧Ｖｂｈ（図示略）を電圧Ｖｂｌ（図示略、例えば１２［Ｖ］）に変換する。また、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬから出力される電力は、低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）、及び低電圧側蓄電装置ＢＬに供給される。なお、低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）は、例えば、上述した循環ポンプＨＰ、エアコンプレッサＡＣＰ、及びウォータポンプＷＰ以外の負荷の全部又は一部がこれに相当し得る。例えば、低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）は、主止弁ＳＶ、インジェクタＩＮＪ、気液分離機ＧＬＳ、排気排水弁ＥＤＶ、希釈器ＤＩＬ、エア調圧弁ＡＲＶ、エアシャット弁ＡＳＶ、ラジエタＲ、ファンＦ、インタークーラＩＣ、及び制御部３の全部又は一部であってもよい。低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）は、インジェクタとバルブとモータとコイル負荷と抵抗負荷との少なくとも１つを含む負荷と読み替えてもよい。

【0042】

低電圧側蓄電装置ＢＬは、鉛電池などにより構成され、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬの後段に接続されている。

【0043】

高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨから出力される電力と、高電圧側内部負荷（高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）及び低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）にそれぞれ供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、外部負荷Ｌｏから要求される要求電力より大きい場合、その供給電力のうちの要求電力に相当する電力が外部負荷Ｌｏに供給されるとともに残りの電力が高電圧側蓄電装置ＢＨや低電圧側蓄電装置ＢＬに供給される。高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨから高電圧側蓄電装置ＢＨに電力が供給されると、高電圧側蓄電装置ＢＨが充電され高電圧側蓄電装置ＢＨの充電量ＣＨ（図示略）が増加する。また、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨから出力される電力と、高電圧側内部負荷（高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）及び低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）にそれぞれ供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、外部負荷Ｌｏから要求される要求電力より小さい場合、その供給電力が外部負荷Ｌｏに供給されるとともに足りない分の電力が高電圧側蓄電装置ＢＨから外部負荷Ｌｏに供給される。高電圧側蓄電装置ＢＨから外部負荷Ｌｏに電力が供給されると、高電圧側蓄電装置ＢＨが放電され高電圧側蓄電装置ＢＨの充電量ＣＨ（図示略）が減少する。なお、充電量ＣＨ（図示略）とは、高電圧側蓄電装置ＢＨの充電率［％］（高電圧側蓄電装置ＢＨの満充電容量に対する残容量の割合）、または、高電圧側蓄電装置ＢＨに電流が流れていないときの高電圧側蓄電装置ＢＨの開回路電圧［Ｖ］、または、高電圧側蓄電装置ＢＨに電流が流れているときの高電圧側蓄電装置ＢＨの閉回路電圧［Ｖ］、または、高電圧側蓄電装置ＢＨに流れる電流の積算値［Ａｈ］などとする。

【0044】

低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬから出力される電力が、低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）において消費される電力より大きい場合、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬから出力される電力のうち、低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）で消費される電力以外の残りの電力が低電圧側蓄電装置ＢＬに供給される。高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨや低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬから低電圧側蓄電装置ＢＬに電力が供給されると、低電圧側蓄電装置ＢＬが充電され低電圧側蓄電装置ＢＬの充電量ＣＬ（図示略）が増加する。また、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬから出力される電力が、低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）において消費される電力より小さい場合、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬから出力される電力が低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）に供給されるとともに足りない分の電力が低電圧側蓄電装置ＢＬから低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）に供給される。低電圧側蓄電装置ＢＬから低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）に電力が供給されると、低電圧側蓄電装置ＢＬが放電され低電圧側蓄電装置ＢＬの充電量ＣＬ（図示略）が減少する。なお、充電量ＣＬ（図示略）とは、低電圧側蓄電装置ＢＬの充電率［％］（低電圧側蓄電装置ＢＬの満充電容量に対する残容量の割合）、または、低電圧側蓄電装置ＢＬに電流が流れていないときの低電圧側蓄電装置ＢＬの開回路電圧［Ｖ］、または、低電圧側蓄電装置ＢＬに電流が流れているときの低電圧側蓄電装置ＢＬの閉回路電圧［Ｖ］、または、低電圧側蓄電装置ＢＬに流れる電流の積算値［Ａｈ］などとする。

【0045】

電流センサＳｉｆは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、燃料電池ＦＣから高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨに流れる電流Ｉｆｃ（図示略）を検出し、その検出した電流Ｉｆｃを制御部３に送る。

【0046】

電圧センサＳｖｆは、分圧抵抗などにより構成され、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆｃ（図示略）を検出し、その検出した電圧Ｖｆｃを制御部３に送る。

【0047】

記憶部２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。記憶部２は、制御部３による各種制御に使用するための各種情報を記憶する。

【0048】

制御部３は、マイクロコンピュータなどにより構成される。制御部３は、燃料電池システム１の稼働時、高電圧側蓄電装置ＢＨの充電量ＣＨ（図示略）に応じて目標発電電力Ｐｔ（図示略）を段階的に変化させてもよい。制御部３は、燃料電池システム１の稼働時、燃料電池ＦＣの発電電力（電流Ｉｆｃ（図示略）と電圧Ｖｆｃ（図示略）との乗算値）が目標発電電力Ｐｔ（図示略）に追従するように、高電圧側内部負荷（高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）及び低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）の動作を制御してもよい。例えば、制御部３は、燃料電池システム１の稼働時、ＰＩ（Proportional-Integral）制御により、燃料電池ＦＣの発電電力と目標発電電力Ｐｔ（図示略）との差がゼロになるように、高電圧側内部負荷（高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）及び低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）の動作を制御してもよい。

【0049】

このように、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨ及び低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬに繋がる伝送路は、燃料電池ＦＣ又は蓄電装置（低電圧側蓄電装置ＢＬ、高電圧側蓄電装置ＢＨ）からの電圧が供給される高電圧ラインを構成する。また、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨ及び低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬは、高電圧ラインに接続されるとともに、燃料電池ＦＣ又は蓄電装置（低電圧側蓄電装置ＢＬ、高電圧側蓄電装置ＢＨ）からの電圧を下流側に変圧する。高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨは、相対的に高い電圧領域での変圧（例えば３６Ｖ⇒４８Ｖ）を行い、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬは、相対的に低い電圧領域での変圧（例えば４８Ｖ⇒１２Ｖ）を行う。すなわち、燃料電池システム１は、システム電源（例えば４８Ｖ）と制御電源（例えば１２Ｖ）を有しており、制御電源は、１２ＶのＤＣＤＣコンバータを複数並列に接続させてシステム電源を変換し、１２Ｖバッテリで平滑化している。ＤＣＤＣコンバータは、入出力回路（入出力端子）を有するとともに、出力側の過電流／電流制限を行う保護機能を有している。この場合、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨは、自己監視機能（例えばＣＡＮ通信等により自己診断結果を外部送信する機能）が搭載されるのに対して、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬは、自己監視機能（例えばＣＡＮ通信等により自己診断結果を外部送信する機能）が搭載されなくてもよい。

【0050】

ところで、燃料電池システム１の異常判定、とりわけ低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬの異常判定を行う場合、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬに供給される電流をモニタリングして、そのモニタリング結果に応じて、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の正常・異常の判定を行うことが考えられる。

【0051】

しかしながら、本発明者の鋭意研究によると、複数の低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）の特性に起因した突入電流や保持電流による検出電流の変動（電流波形に与える影響）が大きいため（無視できないため）、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の正常・異常の判定を行うための基準となる閾値を大きく設定せざるを得ないという問題がある。その結果、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の初期段階での異常兆候を検出することが困難になってしまう。ここで、「燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の初期段階での異常兆候」とは、回路（半導体やスイッチング素子）の短絡（ショート）といった致命的な事象（故障）に至ってはいないが、その状況を放置するとやがて故障に陥ってしまう可能性が高い状況を意味する。

【0052】

例えば、従来の燃料電池システムでは、当該燃料電池システムの主制御ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により、低電圧側ＤＣＤＣコンバータの供給電流を常時検出しているが、複数の低電圧側内部負荷の動作不安定性（コイル負荷、モータ負荷、ＥＣＵの電源負荷等のオンオフに起因）のため、その検出電流も大きく変動する。このため、全ての低電圧側内部負荷の突入電流や保持電流を目安に閾値を大きく設定する（例えば３０Ａ）。そして、閾値以上の電流値を一定時間以上検知した場合に、低電圧側ＤＣＤＣコンバータの入力側のリレーをオフにする。以上の従来の燃料電池システムでは、燃料電池システム（低電圧側ＤＣＤＣコンバータ）の異常時に入力側の大きな電流（過電流）は検知可能だが、「燃料電池システム（低電圧側ＤＣＤＣコンバータ）の初期段階での異常兆候」は検知できない。

【0053】

本実施形態では、上記の問題を重要な技術課題として捉えて、燃料電池ＦＣ又は蓄電装置（低電圧側蓄電装置ＢＬ、高電圧側蓄電装置ＢＨ）からの電圧により稼働される負荷のうち、検出電流の変動が起こり易い「対象負荷」を設定・選択する。より具体的に、負荷は、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨに対応する高電圧側内部負荷（高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）と、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬに対応する低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）を含むところ、「対象負荷」を低電圧側内部負荷（低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）の少なくとも一部とすることができる。例えば、「対象負荷」は、主止弁ＳＶ、インジェクタＩＮＪ、気液分離機ＧＬＳ、排気排水弁ＥＤＶ、希釈器ＤＩＬ、エア調圧弁ＡＲＶ、エアシャット弁ＡＳＶ、ラジエタＲ、ファンＦ、インタークーラＩＣ、及び制御部３の全部又は一部であってもよい。また、「対象負荷」は、インジェクタとバルブとモータとコイル負荷と抵抗負荷との少なくとも１つを含む負荷であってもよい。そして、「対象負荷」の稼働状態と非稼働状態とで、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬに供給される電流に基づく異なる態様で、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の正常・異常の判定を行う。ここで、「対象負荷」の稼働状態と非稼働状態の切り替え制御（オンオフ制御）は、制御部３により実行されてもよい。

【0054】

上記のように、燃料電池システム１に含まれる負荷のうちのどれを「対象負荷」に設定するかには自由度があり、種々の設計変更が可能であるが、とりわけ、インジェクタＩＮＪを「対象負荷」に設定することが好ましい。これは、インジェクタＩＮＪの突入電流や保持電流による検出電流の変動が大きいためである。

【0055】

図２Ａ、図２Ｂは、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ及びその周辺部位を拡大して描いた図である。

【0056】

図２Ａ、図２Ｂに示すように、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬの上流側（前段）には、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨまたは高電圧側蓄電装置ＢＨから供給される電流を検出する電流センサ４が設けられている。また、電流センサ４と低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬの間の伝送路には、当該伝送路の導通・遮断を切り替えるためのリレースイッチ５が設けられている。

【0057】

制御部３は、電流センサ４による検出電流に基づいて、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の正常・異常の判定を行う。

【0058】

より具体的に、制御部３は、「対象負荷」の稼働状態では、電流センサ４による検出電流を第１の閾値と比較することで、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の正常・異常の判定を行う。例えば、制御部３は、電流センサ４による検出電流が第１の閾値未満である場合は、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が正常である、すなわち、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が故障していないと判定する。また、制御部３は、電流センサ４による検出電流が第１の閾値以上である場合は、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が異常である、すなわち、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が故障していると判定する。

【0059】

一方、制御部３は、「対象負荷」の非稼働状態では、電流センサ４による検出電流を第１の閾値よりも低い第２の閾値と比較することで、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の正常・異常の判定を行う。例えば、制御部３は、電流センサ４による検出電流が第２の閾値未満である場合は、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が正常である、すなわち、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の初期段階での異常兆候が存在しないと判定する。また、制御部３は、電流センサ４による検出電流が第２の閾値以上である場合は、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が異常である、すなわち、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の初期段階での異常兆候が存在すると判定する。

【0060】

ここで、第１、第２の閾値は、第１の閾値＞第２の閾値を満足する限りにおいて設定の自由度があるが、例えば、第１の閾値を３０Ａに設定して、第２の閾値を５Ａに設定することが可能である。「対象負荷」の稼働状態で使用される第１の閾値は、対象負荷による電流変動を考慮した大きな値に設定され、「対象負荷」の非稼働状態で使用される第２の閾値は、対象負荷による電流変動を想定しない小さな値に設定される。

【0061】

制御部３は、「対象負荷」の稼働状態と非稼働状態にかかわらず、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の異常を判定したとき（第１の閾値または第２の閾値以上の電流値を一定時間以上検知したとき）は、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬへの電流供給を停止する。すなわち、制御部３は、正常判定時には導通状態（オン状態）で低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬへの電流供給を許容するリレースイッチ５を操作して、異常判定時の遮断状態（オフ状態）に切り替える。図２Ａはリレースイッチ５の導通状態（オン状態）を描いており、図２Ｂはリレースイッチ５の遮断状態（オフ状態）を描いている。

【0062】

続いて、「対象負荷」が稼働状態と非稼働状態になる時間的なタイミングについて説明する。上述したように、「対象負荷」の稼働状態と非稼働状態の切り替え制御（オンオフ制御）は、制御部３により実行されてもよい。

【0063】

図３Ａ～図３Ｃは、対象負荷が稼働状態と非稼働状態になる時間的なタイミングの一例を示す図である。図３Ａ～図３Ｃにおいて、燃料電池システム１の運転開始から運転終了までを便宜的にフェーズ０～フェーズ１００で定義する（図中の左から右に向かってフェーズが進む）。そして、運転開始後のフェーズ０～フェーズ１５を「燃料電池システム１の始動フェーズ（キーオンフェーズ）」と定義し、運転終了前のフェーズ８５～フェーズ１００を「燃料電池システム１の終了フェーズ（キーオフフェーズ）」と定義し、フェーズ１５～フェーズ８５を「燃料電池システム１の運転中フェーズ」と定義する。「燃料電池システム１の運転中フェーズ」では、燃料電池システム１の運転と休止を周期的に繰り返す間欠運転モードを実行する。なお、この間欠運転モードは必須ではなく、燃料電池システム１の運転中フェーズでは、休止期間を設けることなく、断続的な運転期間を設けてもよい。

【0064】

図３Ａでは、燃料電池システム１の始動フェーズにおいて、「対象負荷」が非稼働状態となり、その他の負荷が稼働状態となり、第２の閾値を基準とした異常判定が実行される。図３Ｂでは、燃料電池システム１の終了フェーズにおいて、「対象負荷」が非稼働状態となり、その他の負荷が稼働状態となり、第２の閾値を基準とした異常判定が実行される。図３Ｃでは、燃料電池システム１の間欠運転モードにおける休止フェーズにおいて、「対象負荷」が非稼働状態となり、その他の負荷が稼働状態となり、第２の閾値を基準とした異常判定が実行される。このように、「対象負荷」は、燃料電池システム１の始動フェーズと、燃料電池システム１の終了フェーズと、燃料電池システム１の間欠運転モードにおける休止フェーズとの少なくとも１つにおいて非稼働状態となり、それ以外のフェーズにおいて稼働状態となる。「対象負荷」の稼働状態では、第２の閾値よりも大きい第１の閾値を基準とした異常判定が実行される。

【0065】

図３Ａ～図３Ｃに示すように、突入電流や保持電流等の電流変動の影響を受け易い対象負荷（コイルやモータを有する負荷）が非稼働状態となるタイミングに注目して（対象負荷が動作していないタイミングを制御的に設けて）、第２の閾値を基準とした判定を行うことで、故障には至らないまでも燃料電池システム１の初期段階での異常兆候を検知することができる。

【0066】

図４は、実施形態の燃料電池システム１の動作の一例を示すフローチャートである。図４の各処理ステップは、例えば、制御部３を構成するコンピュータ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）によって実行される。

【0067】

ステップＳＴ１では、突入電流や保持電流等の電流変動の影響を受け易い対象負荷（コイルやモータを有する負荷）が稼働状態であるか否かを判定する。対象負荷が稼働状態である場合には（ステップＳＴ１：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ２に進み、対象負荷が非稼働状態である場合には（ステップＳＴ１：Ｎｏ）、ステップＳＴ５に進む。

【0068】

ステップＳＴ２では、電流センサ４による検出電流を第１の閾値と比較することで、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の正常・異常の判定を行う。燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が正常である場合には（ステップＳＴ２：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ３に進んで、リレースイッチ４を導通状態（オン状態）として低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬへの電流供給を許容する。燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が異常である場合には（ステップＳＴ２：Ｎｏ）、ステップＳＴ４に進んで、リレースイッチ５を遮断状態（オフ状態）として低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬへの電流供給を禁止する。

【0069】

ステップＳＴ５では、電流センサ４による検出電流を第１の閾値よりも低い第２の閾値と比較することで、燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）の正常・異常の判定を行う。燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が正常である場合には（ステップＳＴ５：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ６に進んで、リレースイッチ４を導通状態（オン状態）として低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬへの電流供給を許容する。燃料電池システム１（低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬ）が異常である場合には（ステップＳＴ５：Ｎｏ）、ステップＳＴ７に進んで、リレースイッチ５を遮断状態（オフ状態）として低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬへの電流供給を禁止する。

【0070】

このように、本実施形態では、電流センサによる検出電流に基づいて燃料電池システムの正常・異常の判定を行う制御部が、対象負荷の稼働状態では、電流センサによる検出電流を第１の閾値と比較することで、燃料電池システムの正常・異常の判定を行い、対象負荷の非稼働状態では、電流センサによる検出電流を第１の閾値よりも低い第２の閾値と比較することで、燃料電池システムの正常・異常の判定を行う。検出電流の変動が起こり易い対象負荷を設定・選択して、当該対象負荷の稼働状態では、電流センサによる検出電流を第１の閾値と比較することで、燃料電池システムの正常・異常の判定を行い、当該対象負荷の非稼働状態では、電流センサによる検出電流を第１の閾値よりも低い第２の閾値と比較することで、燃料電池システムの正常・異常の判定を行う。すなわち、対象負荷の稼働状態では、当該対象負荷に起因する検出電流の変動を考慮した相対的に高い第１の閾値を基準として、燃料電池システムの故障判定を行う一方、対象負荷の非稼働状態では、当該対象負荷に起因する検出電流の変動を考慮しない相対的に低い第２の閾値を基準として、故障には至らないまでも燃料電池システムの初期段階での異常兆候を検知する。これにより、燃料電池システムの正常・異常の判定を適切に実行することができる。

【0071】

また、本実施形態では、燃料電池システムの開始フェーズ（例えばキーオン時）や終了フェーズ（例えばキーオフ時）に、突入電流や保持電流等の電流変動の影響を受け易い対象負荷（コイルやモータを有する負荷）が停止しているタイミングを見計らって異常電流の検知を行う。このため、ＤＣＤＣコンバータの初期段階での異常兆候を検知して、修理や交換等の適切な手当てを行うことで、燃料電池システムの内部の他の構成部品（例えばハーネスやリレー等）への電気的ストレスを軽減することができる。また、交換部品や修理箇所を少なくできる効果も得られる。さらに、入力側や出力側のセンサを無暗に増やすことなく、精度が高い故障検知が可能となる。

【0072】

なお、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。

【0073】

例えば、上記実施形態では、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬの近傍に電流センサを設けて、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬに供給される電流を検出する場合を例示して説明したが、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨの近傍に電流センサを設けて、高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨに供給される電流を検出してもよい（高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨの異常判定を行ってもよい）。また、低電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＬと高電圧側ＤＣＤＣコンバータＣＮＶＨを１つのコンバータとして捉えて、当該１つのコンバータの近傍に電流センサを設けて、当該１つのコンバータに供給される電流を検出してもよい（当該１つのコンバータの異常判定を行ってもよい）。また、異なる電圧領域の複数のＤＣＤＣコンバータ（例えば４８Ｖ系と１２Ｖ系のＤＣＤＣコンバータ）と、異なる電圧領域の複数の負荷（例えば４８Ｖ系と１２Ｖ系の負荷）を組み合わせて、本実施形態の燃料電池システム１を構成してもよい。

【0074】

例えば、本実施形態の燃料電池システム１のマイコン内で異常判定の演算を実施するのではなく、異常判定の演算に必要なデータ（例えば燃料電池システム１の稼働状態等）をクラウド上にアップロードして、クラウド上で自動解析する態様も可能である。

【0075】

例えば、対象負荷を変動電流の度合いに応じた複数のグループに分けて、一部のグループの対象負荷のみが稼働停止している場合、全てのグループの対象負荷が稼働停止している場合、及び全てのグループの対象負荷が稼働している場合で、異常判定を実行する基準となる閾値を変えることも可能である。対象負荷グループＸ、Ｙが存在する場合、対象負荷グループＸ、Ｙがともに稼働している場合には、最も大きい第１の閾値を使用し、対象負荷グループＸ、Ｙの一方が稼働して他方が稼働停止している場合には、２番目に大きい第２の閾値を使用し、対象負荷グループＸ、Ｙがともに稼働停止している場合には、最も小さい第３の閾値を使用してもよい。

【符号の説明】

【0076】

１ 燃料電池システム
２ 記憶部
３ 制御部（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
４ 電流センサ
５ リレースイッチ
Ｖｅ 車両
Ｌｏ 外部負荷
ＦＣ 燃料電池
Ｔ 燃料タンク
ＳＶ 主止弁（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
ＩＮＪ インジェクタ（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
ＧＬＳ 気液分離機（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
ＨＰ 循環ポンプ（高電圧側内部負荷、高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）
ＥＤＶ 排気排水弁（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
ＤＩＬ 希釈器（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
ＡＣＰ エアコンプレッサ（高電圧側内部負荷、高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）
ＡＲＶ エア調圧弁（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
ＡＳＶ エアシャット弁（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
Ｒ ラジエタ（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
Ｆ ファン（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
ＷＰ ウォータポンプ（高電圧側内部負荷、高電圧側対象負荷、４８Ｖ系負荷）
ＩＣ インタークーラ（低電圧側内部負荷、低電圧側対象負荷、１２Ｖ系負荷）
ＣＮＶＨ 高電圧側ＤＣＤＣコンバータ（ＤＣＤＣコンバータ）
ＣＮＶＬ 低電圧側ＤＣＤＣコンバータ（ＤＣＤＣコンバータ）
ＢＨ 高電圧側蓄電装置（蓄電装置）
ＢＬ 低電圧側蓄電装置（蓄電装置）
Ｓｉｆ 電流センサ
Ｓｖｆ 電圧センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】