特開 2024-150111 燃料電池モジュール

(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】P2024150111

(43)【公開日】2024-10-23

(54)【発明の名称】燃料電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20241016BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20241016BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20241016BHJP

   H01M 8/04664 20160101ALI20241016BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20241016BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20241016BHJP

   H01M 8/04955 20160101ALI20241016BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20241016BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/00 A

H01M8/04537

H01M8/04664

H01M8/04228

H01M8/04303

H01M8/04955

H01M8/04313

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023063366

(22)【出願日】2023-04-10

(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】山川 大輝

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB29

5H127AC01

5H127BA02

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127DA11

5H127DB50

5H127DB63

5H127DB89

5H127DC43

5H127DC89

5H127FF04

(57)【要約】

【課題】燃料電池モジュールにおいて、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックに電流が流れることを抑制する。
【解決手段】燃料電池スタックＦＣＳと蓄電装置Ｂとの間に接続されるＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと蓄電装置Ｂとの間に接続されるコンタクタＭＣと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの動作を制御する制御部Ｃｃｎｖと、燃料電池スタックＦＣＳの発電を制御する制御部Ｃｆｃとを備えて燃料電池モジュールＦＣＭを構成し、制御部Ｃｃｎｖは、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると判断すると、異常通知を制御部Ｃｆｃに送信し、制御部Ｃｆｃは、異常通知を受信すると、燃料電池スタックＦＣＳの発電を停止させるとともにコンタクタＭＣを遮断状態にさせる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックと、
蓄電装置と、
前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との間に接続されるＤＣＤＣコンバータと、
前記ＤＣＤＣコンバータと前記蓄電装置との間に接続されるコンタクタと、
前記ＤＣＤＣコンバータの動作を制御する第１制御部と、
前記燃料電池スタックの発電を制御する第２制御部と、
を備え、
前記第１制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータから前記燃料電池スタックへ電流が流れていると判断すると、異常通知を前記第２制御部に送信し、
前記第２制御部は、前記異常通知を受信すると、前記燃料電池スタックの発電を停止させるとともに前記コンタクタを遮断状態にさせる、または、前記蓄電装置の電圧と前記燃料電池スタックの電圧との電圧差が小さくなるように前記燃料電池スタックの発電を制御する
燃料電池モジュール。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
前記ＤＣＤＣコンバータは、上アームスイッチング素子または上アームダイオードと、前記上アームスイッチング素子または前記上アームダイオードに直列接続される下アームスイッチング素子とを有する相を３相有し、
前記第２制御部は、前記異常通知を受信すると、前記燃料電池スタックの発電を停止させるとともに前記コンタクタを遮断状態にさせた後、または、前記蓄電装置の電圧と前記燃料電池スタックの電圧との電圧差が小さくなるように前記燃料電池スタックの発電を制御した後、停止指令を前記第１制御部に送信し、
前記第１制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータから前記燃料電池スタックへ電流が流れていると判断すると、前記停止指令を受信するまでの間、前記３相のうち、前記燃料電池スタックへ電流が流れている相の前記下アームスイッチング素子を常時オフさせつつ、前記燃料電池スタックへ電流が流れている相以外の相の前記下アームスイッチング素子を繰り返しオン、オフさせる
燃料電池モジュール。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
前記第１制御部の制御周期は、前記第２制御部の制御周期よりも短い
燃料電池モジュール。

【請求項4】

請求項１に記載の燃料電池モジュールであって、
前記第１制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータから前記燃料電池スタックに電流が流れていると一定時間連続して判断すると、前記異常通知を前記第２制御部に送信する
燃料電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池モジュールとして、燃料電池スタックからＤＣＤＣコンバータを介して蓄電装置に電力を供給するものがある。関連する技術として、特許文献１がある。

【0003】

しかしながら、上記燃料電池モジュールでは、ＤＣＤＣコンバータの上アームスイッチング素子または上アームダイオードに短絡異常が発生し、かつ、蓄電装置の電圧が燃料電池スタックの電圧より高くなると、蓄電装置から上アームスイッチング素子または上アームダイオードを介して燃料電池スタックに電流が流れることで、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル内のカーボンが酸化し燃料電池スタックが劣化するおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２－０８２０９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の一側面に係る目的は、燃料電池モジュールにおいて、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックに電流が流れることを抑制することである。

【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モジュールは、燃料電池スタックと、蓄電装置と、前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との間に接続されるＤＣＤＣコンバータと、前記ＤＣＤＣコンバータと前記蓄電装置との間に接続されるコンタクタと、前記ＤＣＤＣコンバータの動作を制御する第１制御部と、前記燃料電池スタックの発電を制御する第２制御部とを備える。

【0007】

前記第１制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータから前記燃料電池スタックへ電流が流れていると判断すると、異常通知を前記第２制御部に送信し、前記第２制御部は、前記異常通知を受信すると、前記燃料電池スタックの発電を停止させるとともに前記コンタクタを遮断状態にさせる、または、前記蓄電装置の電圧と前記燃料電池スタックの電圧との電圧差が小さくなるように前記燃料電池スタックの発電を制御する。

【0008】

これにより、上アームスイッチング素子または上アームダイオードに短絡異常が発生しても、蓄電装置から上アームスイッチング素子または上アームダイオードを介して燃料電池スタックに電流が流れることを抑制することができるため、燃料電池スタックが劣化することを抑制することができる。

【0009】

前記ＤＣＤＣコンバータは、上アームスイッチング素子または上アームダイオードと、前記上アームスイッチング素子または前記上アームダイオードに直列接続される下アームスイッチング素子とを有する相を３相有し、前記第２制御部は、前記異常通知を受信すると、前記燃料電池スタックの発電を停止させるとともに前記コンタクタを遮断状態にさせた後、または、前記蓄電装置の電圧と前記燃料電池スタックの電圧との電圧差が小さくなるように前記燃料電池スタックの発電を制御した後、停止指令を前記第１制御部に送信し、前記第１制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータから前記燃料電池スタックへ電流が流れていると判断すると、前記停止指令を受信するまでの間、前記３相のうち、前記燃料電池スタックへ電流が流れている相の前記下アームスイッチング素子を常時オフさせつつ、前記燃料電池スタックへ電流が流れている相以外の相の前記下アームスイッチング素子を繰り返しオン、オフさせるように構成してもよい。

【0010】

これにより、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックへ電流が流れていると判断されてからコンタクタが遮断状態になるまでの間において、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックへ流れる電流を低減することができるため、燃料電池スタックが劣化することをさらに抑制することができる。

【0011】

前記第１制御部の制御周期は、前記第２制御部の制御周期よりも短くなるように構成してもよい。

【0012】

これにより、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックへ電流が流れているか否かを第２制御部が判断する場合に比べて、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックへ電流が流れているか否かを早く判断することができるため、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックへ電流が流れることをさらに抑制することができ、燃料電池スタックが劣化することをさらに抑制することができる。

【0013】

前記第１制御部は、前記ＤＣＤＣコンバータから前記燃料電池スタックへ電流が流れていると一定時間連続して判断すると、前記異常通知を前記第２制御部に送信するように構成してもよい。

【0014】

これにより、燃料電池スタックとＤＣＤＣコンバータとの間に流れる電流を検出する際にその検出電流に含まれるノイズの影響により、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックに電流が流れていないにもかかわらず、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックに電流が流れていると誤判断することを低減することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、燃料電池モジュールにおいて、ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックに電流が流れることを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す図である。

【図2】ＤＣＤＣコンバータの動作を制御する制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

【図3】燃料電池モジュールの発電を制御する制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

【図4】実施形態の燃料電池モジュールの変形例を示す図である。

【図5】燃料電池モジュールの発電を制御する制御部の動作の変形例を示すフローチャートである。

【図6】ＤＣＤＣコンバータの動作を制御する制御部の動作の変形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】

【0017】

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

【0018】

図１は、実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す図である。

【0019】

図１に示す燃料電池モジュールＦＣＭは、車両Ｖｅに搭載され、外部負荷Ｌｏなどに電力を供給する。なお、車両Ｖｅは、フォークリフトなどの産業車両や自動車などとする。また、外部負荷Ｌｏは、走行用モータを駆動するインバータなどとする。

【0020】

また、燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池スタックＦＣＳと、電流センサＳｉｆと、電圧センサＳｖｆと、蓄電装置Ｂと、コンタクタＭＣと、電流センサＳｉｂと、電圧センサＳｖｂと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、制御部Ｃｆｃ（第２制御部）とを備える。

【0021】

燃料電池スタックＦＣＳ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、不図示の水素タンクから供給されるアノードガス（水素ガスなど）に含まれる水素と、不図示のエアコンプレッサから供給されるカソードガス（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。

【0022】

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、燃料電池スタックＦＣＳからＤＣＤＣコンバータＣＮＶに流れる電流Ｉｆを検出し、その検出した電流ＩｆをＤＣＤＣコンバータＣＮＶ及び制御部Ｃｆｃに送る。

【0023】

電圧センサＳｖｆは、分圧抵抗などにより構成され、燃料電池スタックＦＣＳの電圧Ｖｆを検出しＤＣＤＣコンバータＣＮＶ及び制御部Ｃｆｃに送る。

【0024】

蓄電装置Ｂ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と外部負荷Ｌｏとの間に接続される。

【0025】

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力と、補機（例えば、不図示のエアコンプレッサや水素循環ポンプなど）に供給される全体の電力との差に相当する供給電力が、燃料電池モジュールＦＣＭの外部（例えば、車両Ｖｅの走行を制御する走行制御部）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、要求電力分の電力が外部負荷Ｌｏに供給されるとともに、残りの電力が蓄電装置Ｂに供給される。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから蓄電装置Ｂに電力が供給されると、蓄電装置Ｂが充電され蓄電装置Ｂの状態変数が増加する。

【0026】

また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力と、補機に供給される全体の電力との差に相当する供給電力が、燃料電池モジュールＦＣＭの外部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蓄電装置Ｂから外部負荷Ｌｏに供給される。蓄電装置Ｂから外部負荷Ｌｏに電力が供給されると、蓄電装置Ｂが放電され蓄電装置Ｂの状態変数が減少する。

【0027】

なお、蓄電装置Ｂの状態変数とは、蓄電装置Ｂの充電率［％］（蓄電装置Ｂの満充電容量に対する残容量の割合）、または、蓄電装置Ｂに電流が流れていないときの蓄電装置Ｂの開回路電圧［Ｖ］、または、蓄電装置Ｂに電流が流れているときの蓄電装置Ｂの閉回路電圧［Ｖ］、または、蓄電装置Ｂに流れる電流の積算値［Ａｈ］などとする。

【0028】

コンタクタＭＣは、電磁接触器などにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと蓄電装置Ｂとの間に接続される。コンタクタＭＣが導通状態であるとき、蓄電装置Ｂと、補機、外部負荷Ｌｏ、及びＤＣＤＣコンバータＣＮＶとが電気的に接続される。また、コンタクタＭＣが遮断状態であるとき、蓄電装置Ｂと、補機、外部負荷Ｌｏ、及びＤＣＤＣコンバータＣＮＶとが電気的に切断される。

【0029】

電流センサＳｉｂは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、コンタクタＭＣが導通状態であるとき、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから蓄電装置Ｂに流れる電流Ｉｂまたは蓄電装置Ｂから外部負荷Ｌｏに流れる電流Ｉｂを検出し、その検出した電流Ｉｂを制御部Ｃｆｃに送る。

【0030】

電圧センサＳｖｂは、分圧抵抗などにより構成され、コンタクタＭＣが導通状態であるとき、蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂを検出し、その検出した電圧Ｖｂを制御部Ｃｆｃに送る。

【0031】

制御部Ｃｆｃは、マイクロコンピュータなどにより構成され、制御周期Ｔ１毎に、燃料電池スタックＦＣＳの発電を制御する。

【0032】

すなわち、制御部Ｃｆｃは、燃料電池モジュールＦＣＭの稼働時（燃料電池スタックＦＣＳの発電時）、蓄電装置Ｂの状態変数に応じて目標発電電力Ｐｔを段階的に変化させる。

【0033】

また、制御部Ｃｆｃは、燃料電池モジュールＦＣＭの稼働時、燃料電池スタックＦＣＳの発電電力（電圧Ｖｆと電流Ｉｆとの乗算値）が目標発電電力Ｐｔに追従するように、補機の動作を制御する。

【0034】

また、制御部Ｃｆｃは、燃料電池モジュールＦＣＭの停止要求が外部から入力されると、燃料電池モジュールＦＣＭから外部負荷Ｌｏや蓄電装置Ｂに電力が供給されないように燃料電池スタックＦＣＳの発電を停止させるとともにコンタクタＭＣを遮断状態にさせる。

【0035】

また、制御部Ｃｆｃは、燃料電池モジュールＦＣＭの停止要求が外部から入力されると、燃料電池スタックＦＣＳの電圧Ｖｆの上昇による燃料電池スタックＦＣＳの劣化を回避するためにＤＣＤＣコンバータＣＮＶを所定時間駆動させて燃料電池スタックＦＣＳに流れる電流を一時的に増加させる。

【0036】

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を有する昇圧回路であって、燃料電池スタックＦＣＳと蓄電装置Ｂとの間に接続される。

【0037】

また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗと、下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗと、上アームダイオードＤＨｕ、ＤＨｖ、ＤＨｗと、下アームダイオードＤＬｕ、ＤＬｖ、ＤＬｗと、インダクタＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗと、コンデンサＣと、電流センサＳｉｕ、Ｓｉｖ、Ｓｉｗと、制御部Ｃｃｎｖ（第１制御部）とを備える。

【0038】

なお、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗ及び下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）により構成され、上アームダイオードＤＨｕ、ＤＨｖ、ＤＨｗ及び下アームダイオードＤＬｕ、ＤＬｖ、ＤＬｗは、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗ及び下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗの寄生ダイオードとする。

【0039】

また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの各相の上アームにおいて、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗを省略し、上アームダイオードＤＨｕ、ＤＨｖ、ＤＨｗのみを備えるように構成してもよい。

【0040】

また、電流センサＳｉｆにより検出される電流Ｉｆと３相のうちの２相に流れる電流の合計値との差により残りの１相の電流を算出する場合、電流センサＳｉｕ、Ｓｉｖ、Ｓｉｗののうちの残りの１相に対応する電流センサを省略してもよい。

【0041】

Ｕ相において、上アームスイッチング素子ＳＨｕに上アームダイオードＤＨｕが並列接続され、上アームスイッチング素子ＳＨｕに直列接続される下アームスイッチング素子ＳＬｕに下アームダイオードＤＬｕが並列接続され、上アームスイッチング素子ＳＨｕ及び下アームスイッチング素子ＳＬｕの接続点と燃料電池スタックＦＣＳとの間にインダクタＬｕが接続されている。

【0042】

Ｖ相において、上アームスイッチング素子ＳＨｖに上アームダイオードＤＨｖが並列接続され、上アームスイッチング素子ＳＨｖに直列接続される下アームスイッチング素子ＳＬｖに下アームダイオードＤＬｖが並列接続され、上アームスイッチング素子ＳＨｖ及び下アームスイッチング素子ＳＬｖの接続点と燃料電池スタックＦＣＳとの間にインダクタＬｖが接続されている。

【0043】

Ｗ相において、上アームスイッチング素子ＳＨｗに上アームダイオードＤＨｗが並列接続され、上アームスイッチング素子ＳＨｗに直列接続される下アームスイッチング素子ＳＬｗに下アームダイオードＤＬｗが並列接続され、上アームスイッチング素子ＳＨｗ及び下アームスイッチング素子ＳＬｗの接続点と燃料電池スタックＦＣＳとの間にインダクタＬｗが接続されている。

【0044】

コンデンサＣは、上アームスイッチング素子ＳＨｕ及び下アームスイッチング素子ＳＬｕ、上アームスイッチング素子ＳＨｖ及び下アームスイッチング素子ＳＬｖ、及び上アームスイッチング素子ＳＨｗ及び下アームスイッチング素子ＳＬｗにそれぞれ並列接続されている。

【0045】

電流センサＳｉｕは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、Ｕ相に流れる電流Ｉｕを検出し制御部Ｃｃｎｖに送る。

【0046】

電流センサＳｉｖは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、Ｖ相に流れる電流Ｉｖを検出し制御部Ｃｃｎｖに送る。

【0047】

電流センサＳｉｗは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、Ｗ相に流れる電流Ｉｗを検出し制御部Ｃｃｎｖに送る。

【0048】

制御部Ｃｃｎｖは、マイクロコンピュータなどにより構成され、制御周期Ｔ２毎に、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの動作を制御する。なお、制御周期Ｔ２は、制御周期Ｔ１より短いものとする。

【0049】

すなわち、制御部Ｃｃｎｖは、電圧Ｖｆが制御部Ｃｆｃから送信される電圧指令値に追従するとともに電流Ｉｆまたは電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの合計値が制御部Ｃｆｃから送信される電流指令値に追従するように、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗを常時オフさせつつ、下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗのオン、オフを制御する。例えば、制御部Ｃｃｎｖは、制御部Ｃｆｃから送信される電流指令値の３分の１に相当する電流がＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ流れるように下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗを繰り返しオン、オフさせる（昇圧制御）。なお、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗ及び下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗが常時オフである場合で、かつ、燃料電池スタックＦＣＳの電圧Ｖｆが蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂより高い場合、燃料電池スタックＦＣＳから上アームダイオードＤＨｕ、ＤＨｖ、ＤＨｗを介して蓄電装置Ｂに電流が流れる（簡易降圧）。

【0050】

ここで、例えば、上アームスイッチング素子ＳＨｕの両端（ドレイン端子及びソース端子）または上アームダイオードＤＨｕの両端（カソード端子及びアノード端子）が短絡している場合で、かつ、蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂが燃料電池スタックＦＣＳの電圧Ｖｆより高い場合を想定する。

【0051】

この場合、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗ及び下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗが常時オフするように制御されているとき、蓄電装置Ｂから上アームスイッチング素子ＳＨｕまたは上アームダイオードＤＨｕを介して燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れてしまう。または、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗ及び下アームスイッチング素子ＳＬｕが常時オフするとともに下アームスイッチング素子ＳＬｖ、ＳＬｗが繰り返しオン、オフするように制御されているときで、かつ、制御部Ｃｆｃから送信される電流指令値が比較的小さいとき、蓄電装置Ｂから上アームスイッチング素子ＳＨｕを介して燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れるおそれがある。

【0052】

このように、燃料電池スタックＦＣＳに流れる電流が逆流してしまうと（ＤＣＤＣコンバータから燃料電池スタックＦＣＳに比較的長い時間継続して電流が流れることで燃料電池スタックＦＣＳの電圧が擬似的に反対になると）、燃料電池セル内のカーボンが酸化し燃料電池スタックＦＣＳが劣化するおそれがある。

【0053】

そこで、本実施形態の燃料電池モジュールＦＣＭでは、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると判断すると、コンタクタＭＣを遮断状態にさせる。

【0054】

これにより、少なくとも１つの上アームスイッチング素子ＳＨまたは少なくとも１つの上アームダイオードの両端が短絡している状態において、蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂが燃料電池スタックＦＣＳの電圧Ｖｆより高くなったとしても、蓄電装置ＢからＤＣＤＣコンバータＣＮＶを介して燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れないようにすることができるため、燃料電池スタックＦＣＳが劣化することを抑制することができる。

【0055】

すなわち、制御部Ｃｃｎｖは、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのうちの少なくとも１つの電流が負の電流になったか否かを判断する。なお、燃料電池スタックＦＣＳからＤＣＤＣコンバータＣＮＶに電流が流れているときの電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを正の電流とする。

【0056】

制御部Ｃｃｎｖは、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのうちの少なくとも１つの電流が負の電流になると、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると判断し、異常通知を制御部Ｃｆｃに送信する。

【0057】

制御部Ｃｆｃは、異常通知を受信すると、燃料電池スタックＦＣＳの発電が停止するように補機の動作を制御するとともにコンタクタＭＣを遮断状態にさせた後、停止指令を制御部Ｃｃｎｖに送信する。

【0058】

制御部Ｃｃｎｖは、停止指令を受信すると、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗ及び下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗを常時オフさせる。

【0059】

図２は、制御部Ｃｃｎｖの動作の一例を示すフローチャートである。なお、図２に示すフローチャートにおいて、制御部Ｃｃｎｖは、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗを常時オフさせているものとする。

【0060】

まず、制御部Ｃｃｎｖは、電流センサＳｉｕ、Ｓｉｖ、Ｓｉｗにより検出される電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを取得する（ステップＳ１０１）。

【0061】

次に、制御部Ｃｃｎｖは、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗがゼロ以上である場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、ステップＳ１０１、Ｓ１０２を繰り返し実行する。

【0062】

一方、制御部Ｃｃｎｖは、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのうちの少なくとも１つの電流がゼロより小さい状態が一定時間継続した場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると判断し、燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れている相に対応する下アームスイッチング素子ＳＬを常時オフさせるとともに燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れている相以外の相に対応する下アームスイッチング素子ＳＬを繰り返しオン、オフさせ、異常通知を制御部Ｃｆｃに送信する（ステップＳ１０３）。

【0063】

次に、制御部Ｃｃｎｖは、停止指令を受信するまで、燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れている相以外の相に対応する下アームスイッチング素子ＳＬを繰り返しオン、オフさせ（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、停止指令を受信すると（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗを常時オフさせる（ステップＳ１０５）。

【0064】

図３は、制御部Ｃｆｃの動作の一例を示すフローチャートである。

【0065】

制御部Ｃｆｃは、異常通知を受信すると（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、燃料電池スタックＦＣＳの発電が停止するように補機の動作を制御するとともにコンタクタＭＣを遮断状態にさせた後（ステップＳ２０２）、停止指令を制御部Ｃｃｎｖに送信する（ステップＳ２０３）。

【0066】

このように、実施形態の燃料電池モジュールＦＣＭでは、制御部ＣｃｎｖがＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると判断すると異常通知を制御部Ｃｆｃに送信し、制御部Ｃｆｃが異常通知を受信すると燃料電池スタックＦＣＳの発電を停止させるとともにコンタクタＭＣを遮断状態にさせた後、停止指令を制御部Ｃｃｎｖに送信し、制御部Ｃｃｎｖが停止指令を受信するとＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させる構成である。

【0067】

これにより、上アームスイッチング素子ＳＨまたは上アームダイオードＤＨに短絡異常が発生しても、蓄電装置Ｂから上アームスイッチング素子ＳＨまたは上アームダイオードＤＨを介して燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れることを抑制することができるため、燃料電池スタックＦＣＳが劣化することを抑制することができる。

【0068】

また、実施形態の燃料電池モジュールＦＣＭでは、制御部ＣｃｎｖがＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると判断すると、停止指令を受信するまでの間、３相のうち、燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れている相の下アームスイッチング素子ＳＬを常時オフさせつつ、燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れている相以外の相の下アームスイッチング素子ＳＬを繰り返しオン、オフさせる構成である。

【0069】

これにより、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると判断されてからコンタクタＭＣが遮断状態になるまでの間において、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ流れる電流を低減することができるため、燃料電池スタックＦＣＳが劣化することをさらに抑制することができる。

【0070】

また、実施形態の燃料電池モジュールＦＣＭでは、制御部Ｃｃｎｖの制御周期Ｔ２が制御部Ｃｆｃの制御周期Ｔ１より短い。

【0071】

これにより、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れているか否かを制御部Ｃｆｃが判断する場合に比べて、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れているか否かを早く判断することができるため、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れることをさらに抑制することができ、燃料電池スタックＦＣＳが劣化することをさらに抑制することができる。

【0072】

また、実施形態の燃料電池モジュールＦＣＭでは、制御部ＣｃｎｖがＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると一定時間連続して判断すると、異常通知を制御部Ｃｆｃに送信する構成である。

【0073】

これにより、燃料電池スタックＦＣＳとＤＣＤＣコンバータＣＮＶとの間に流れる電流を検出する際にその検出電流に含まれるノイズの影響により、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていないにもかかわらず、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると誤判断することを低減することができる。

【0074】

また、実施形態の燃料電池モジュールＦＣＭでは、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れることを抑制することができるため、燃料電池スタックＦＣＳとＤＣＤＣコンバータＣＮＶとの間に逆流防止用ダイオードを備える必要がなく、製造コストの増大を抑制することができる。

【0075】

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。

【0076】

＜変形例１＞
図４は、実施形態の燃料電池モジュールの変形例を示す図である。なお、図４に示す構成において、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

【0077】

図４に示す燃料電池モジュールＦＣＭ´において、図１に示す燃料電池モジュールＦＣＭと異なる点は、１相（例えば、図１に示すようにＵ相）のみによりＤＣＤＣコンバータＣＮＶ´を構成している点である。

【0078】

なお、このように構成する場合、図２に示すフローチャートのステップＳ１０３において、制御部Ｃｃｎｖは、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると判断し、下アームスイッチング素子ＳＬｕを常時オフさせ、異常通知を制御部Ｃｆｃに送信する。

【0079】

また、このように構成する場合、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶ´の上アームにおいて、上アームスイッチング素子ＳＨｕを省略し、上アームダイオードＤＨｕのみを備えるように構成してもよい。

【0080】

このように構成しても、上アームスイッチング素子ＳＨまたは上アームダイオードＤＨに短絡異常が発生しているとき、蓄電装置Ｂから上アームスイッチング素子ＳＨまたは上アームダイオードＤＨを介して燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れることを抑制することができるため、燃料電池スタックＦＣＳが劣化することを抑制することができる。

【0081】

＜変形例２＞
図５は、制御部Ｃｆｃの動作の変形例を示すフローチャートである。

【0082】

図５に示すフローチャートにおいて、制御部Ｃｆｃは、異常通知を受信すると（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、電圧Ｖｂと電圧Ｖｆとの電圧差ΔＶが小さくなるように燃料電池スタックＦＣＳの発電を制御した後、燃料電池スタックＦＣＳの発電を停止させ（ステップＳ２０２´）、停止指令を制御部Ｃｃｎｖに送信する（ステップＳ２０３）。

【0083】

このように構成することにより、制御部Ｃｆｃから制御部Ｃｃｎｖに異常通知が送信されたとき、コンタクタＭＣを遮断状態にしなくても、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ流れる電流を低減することができる。

【0084】

そのため、上アームスイッチング素子ＳＨまたは上アームダイオードＤＨに短絡異常が発生しているとき、蓄電装置Ｂから上アームスイッチング素子ＳＨまたは上アームダイオードＤＨを介して燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れることを抑制することができ、燃料電池スタックＦＣＳが劣化することを抑制することができる。

【0085】

＜変形例３＞
図６は、制御部Ｃｃｎｖの動作の変形例を示すフローチャートである。なお、図６に示すステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０５は、図２に示すステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０５と同じであり、その説明を省略する。また、図６に示すフローチャートにおいて、制御部Ｃｃｎｖは、上アームスイッチング素子ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗを常時オフさせているものとする。

【0086】

図６に示すフローチャートにおいて、制御部Ｃｃｎｖは、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのうちの少なくとも１つの電流がゼロより小さい状態が一定時間継続した場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れていると判断し、電圧Ｖｂと電圧Ｖｆとの電圧差ΔＶが閾値Ｖｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ３０１）。

【0087】

制御部Ｃｃｎｖは、電圧差ΔＶが閾値Ｖｔｈより大きい場合、すなわち、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ流れている電流が比較的大きく燃料電池スタックＦＣＳが劣化するおそれがある場合（ステップＳ３０１：Ｎｏ）、燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れている相に対応する下アームスイッチング素子ＳＬを常時オフさせるとともに燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れている相以外の相に対応する下アームスイッチング素子ＳＬを繰り返しオン、オフさせた後、異常通知を制御部Ｃｆｃに送信する（ステップＳ３０２）。なお、閾値Ｖｔｈは、例えば、燃料電池スタックＦＣＳが劣化する場合においてＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ流れる電流により算出されるものとする。

【0088】

一方、制御部Ｃｃｎｖは、電圧差ΔＶが閾値Ｖｔｈ以下である場合、すなわち、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから燃料電池スタックＦＣＳへ流れている電流が比較的小さく燃料電池スタックＦＣＳが劣化するおそれがない場合（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、下アームスイッチング素子ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗを常時オフさせる（ステップＳ１０５）。

【0089】

このように構成しても、上アームスイッチング素子ＳＨまたは上アームダイオードＤＨに短絡異常が発生しているとき、蓄電装置Ｂから上アームスイッチング素子ＳＨまたは上アームダイオードＤＨを介して燃料電池スタックＦＣＳへ電流が流れることを抑制することができるため、燃料電池スタックＦＣＳが劣化することを抑制することができる。

【符号の説明】

【0090】

ＦＣＭ 燃料電池モジュール
ＦＣＳ 燃料電池スタック
Ｓｖｆ 電圧センサ
Ｓｉｆ 電流センサ
Ｂ 蓄電装置
ＭＣ コンタクタ
Ｓｉｂ 電流センサ
Ｓｖｂ 電圧センサ
ＣＮＶ ＤＣＤＣコンバータ
Ｃｆｃ 制御部
ＳＨｕ、ＳＨｖ、ＳＨｗ 上アームスイッチング素子
ＳＬｕ、ＳＬｖ、ＳＬｗ 下アームスイッチング素子
ＤＨｕ、ＤＨｖ、ＤＨｗ ダイオード
ＤＬｕ、ＤＬｖ、ＤＬｗ ダイオード
Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗ インダクタ
Ｃ コンデンサ
Ｓｉｕ、Ｓｉｖ、Ｓｉｗ 電流センサ
Ｃｃｎｖ 制御部
Ｖｅ 車両
Ｌｏ 外部負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】