特開 2024-33282 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】P2024033282

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20240306BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/04664 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/04955 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240306BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20240306BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/00 A

H01M8/04228

H01M8/04303

H01M8/04664

H01M8/04955

H01M8/04746

H02M3/155 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022136783

(22)【出願日】2022-08-30

(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】長澤 知哉

【テーマコード（参考）】

5H127

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB27

5H127AB29

5H127AC17

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA33

5H127BA39

5H127BA57

5H127BA58

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB26

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127CC07

5H127DA12

5H127DC03

5H127DC89

5H127DC90

5H127DC96

5H730AA20

5H730AS04

5H730AS05

5H730AS08

5H730AS13

5H730AS17

5H730BB13

5H730BB14

5H730BB57

5H730DD04

5H730FD01

5H730FD11

5H730FD31

5H730FD41

5H730FF09

5H730FG01

5H730XX02

5H730XX15

5H730XX22

5H730XX35

(57)【要約】

【課題】燃料電池システムの非常停止時または異常停止時において、燃料電池やＤＣＤＣコンバータにかかる電圧を所望な電圧に低下させるためにかかる時間の短縮化を図る。
【解決手段】燃料電池ＦＣの非常停止時または異常停止時において、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶのローサイドのスイッチＳＷ２及びＤＣＤＣコンバータＣＮＶと蓄電装置Ｂとの間に接続されるリレーＲｅを常時オフさせるとともに燃料電池ＦＣが発電されないように水素循環ポンプＨＰなどの補機を駆動させて、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶのインダクタＬ、ダイオードＤ１、及びコンデンサＣを介して補機に電流を流す。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、
ハイサイドのダイオードと、ローサイドのスイッチと、前記ダイオード及び前記スイッチの接続点と前記燃料電池との間に接続されるインダクタと、前記ダイオード及び前記スイッチに並列接続されるコンデンサとを備え、前記スイッチがオン、オフすることで前記燃料電池の電圧を昇圧させ、前記スイッチが常時オフすることで前記燃料電池の電圧を降圧させるＤＣＤＣコンバータと、
前記ＤＣＤＣコンバータから出力される電力が供給される蓄電装置と、
前記ＤＣＤＣコンバータと前記蓄電装置との間に接続されるリレーと、
前記ＤＣＤＣコンバータと前記リレーとの間に接続され、前記燃料電池を発電させるための補機と、
前記スイッチ、前記リレー、及び前記補機の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、非常停止時または異常停止時、前記スイッチ及び前記リレーを常時オフさせるとともに前記燃料電池が発電されないように前記補機を駆動させて、前記燃料電池から前記インダクタ、前記ダイオード、及び前記コンデンサを介して前記補機に電流を流す
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、非常停止時または異常停止時、前記燃料電池から排出される水素ガスを前記燃料電池に再度供給するための水素循環ポンプを、前記補機として前記燃料電池内の水が前記燃料電池の外に排出されるように駆動させる
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、非常停止時または異常停止時、２つ以上の前記補機を駆動させる
ことを特徴とする燃料電池システム。

【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】

燃料電池システムとして、ハイサイドのダイオードと、ローサイドのスイッチと、ダイオード及びスイッチの接続点と燃料電池との間に接続されるインダクタと、ダイオード及びスイッチに並列接続されるコンデンサとを備え、スイッチがオン、オフすることで燃料電池の電圧を昇圧させ、スイッチが常時オフすることで燃料電池の電圧を降圧させるＤＣＤＣコンバータを備えるものがある。関連する技術として、例えば、特許文献１がある。

【0003】

ところで、非常停止ボタンがユーザにより押されることなどによる非常停止時、または、燃料電池システム内の部品が故障することなどによる異常停止時において、燃料電池からＤＣＤＣコンバータを介して外部負荷に電力が供給されることを停止させる場合、ＤＣＤＣコンバータのスイッチを常時オフさせるとともに補機を停止させている。

【0004】

そのため、上記燃料電池システムでは、非常停止時または異常停止時において、ＤＣＤＣコンバータのスイッチを常時オフさせるとともに補機を停止させる場合、燃料電池やＤＣＤＣコンバータに比較的小さい電流（暗電流）が流れる状態になるため、すなわち、燃料電池やＤＣＤＣコンバータに残留する電荷が消費され難い状態になるため、燃料電池やＤＣＤＣコンバータにかかる電圧を所望な電圧に低下させるために比較的長い時間がかかるという懸念がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２２－８２０９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の一側面に係る目的は、燃料電池システムの非常停止時または異常停止時において、燃料電池やＤＣＤＣコンバータにかかる電圧を所望な電圧に低下させるためにかかる時間の短縮化を図ることである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る一つの形態である燃料電池システムは、燃料電池と、ハイサイドのダイオードと、ローサイドのスイッチと、前記ダイオード及び前記スイッチの接続点と前記燃料電池との間に接続されるインダクタと、前記ダイオード及び前記スイッチに並列接続されるコンデンサとを備え、前記スイッチがオン、オフすることで前記燃料電池の電圧を昇圧させ、前記スイッチが常時オフすることで前記燃料電池の電圧を降圧させるＤＣＤＣコンバータと、前記ＤＣＤＣコンバータから出力される電力が供給される蓄電装置と、前記ＤＣＤＣコンバータと前記蓄電装置との間に接続されるリレーと、前記ＤＣＤＣコンバータと前記リレーとの間に接続され、前記燃料電池を発電させるための補機と、前記スイッチ、前記リレー、及び前記補機の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、非常停止時または異常停止時、前記スイッチ及び前記リレーを常時オフさせるとともに前記燃料電池が発電されないように前記補機を駆動させて、前記燃料電池から前記インダクタ、前記ダイオード、及び前記コンデンサを介して前記補機に電流を流す。

【0008】

これにより、非常停止時または異常停止時において、燃料電池やＤＣＤＣコンバータに残留する電荷を補機により消費させることができるため、燃料電池やＤＣＤＣコンバータにかかる電圧を所望な電圧に低下させるためにかかる時間の短縮化を図ることができる。

【0009】

また、前記制御部は、非常停止時または異常停止時、前記燃料電池から排出される水素ガスを前記燃料電池に再度供給するための水素循環ポンプを、前記補機として前記燃料電池内の水が前記燃料電池の外に排出されるように駆動させるように構成してもよい。

【0010】

これにより、非常停止時または異常停止時において、燃料電池内の水を燃料電池の外に積極的に排出することができるため、燃料電池内に水が残ることによって起因する燃料電池の劣化を抑制することができる。

【0011】

また、前記制御部は、非常停止時または異常停止時、２つ以上の前記補機を駆動させるように構成してもよい。

【0012】

これにより、燃料電池やＤＣＤＣコンバータに残留する電荷の単位時間あたりの消費量を増加させることができるため、燃料電池やＤＣＤＣコンバータにかかる電圧を所望な電圧に低下させるためにかかる時間をさらに短縮することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、燃料電池システムの非常停止時または異常停止時において、燃料電池やＤＣＤＣコンバータにかかる電圧を所望な電圧に低下させるためにかかる時間の短縮化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態の燃料電池システムの適用例を示す図である。

【図2】実施形態の燃料電池システムの他の適用例を示す図である。

【図3】ＤＣＤＣコンバータの一例を示す図である。

【図4】発電制御開始時における発電制御フラグ、燃料電池の電圧、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、リレー制御フラグ、及び補機制御フラグの一例を示す図である。

【図5】非常停止時／異常停止時における発電制御フラグ、燃料電池の電圧、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、リレー制御フラグ、及び補機制御フラグの一例を示す図である。

【図6】非常停止時／異常停止時における発電制御フラグ、燃料電池の電圧、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、リレー制御フラグ、及び補機制御フラグの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

【0016】

図１は、実施形態の燃料電池システムの適用例を示す図である。

【0017】

図１に示す燃料電池システムの適用例では、燃料電池システム１が車両Ｖｅに備えられている。例えば、車両Ｖｅは、フォークリフトなどの産業車両とする。また、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ものとする。

【0018】

また、図２は、実施形態の燃料電池システムの他の適用例を示す図である。なお、図２に示す燃料電池システム１は、図１に示す燃料電池システム１と同様とする。

【0019】

図２に示す燃料電池システム１の適用例では、燃料電池システム１が定置式発電機Ｓｇに備えられている。例えば、定置式発電機Ｓｇは、商用電源や太陽光発電機などと協働して外部負荷Ｌｏに電力を供給する発電機であって、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ものとする。

【0020】

また、図１または図２に示す燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、燃料タンクＴｋと、主止弁ＳＶと、インジェクタＩＮＪと、気液分離機ＧＬＳと、水素循環ポンプ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。

【0021】

また、図１または図２に示す燃料電池システム１は、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、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、蓄電装置Ｂと、リレーＲｅと、電流センサＳｉｆと、電圧センサＳｖｆと、電流センサＳｉｂと、電圧センサＳｖｂと、記憶部２と、制御部３とを備える。

【0022】

燃料電池ＦＣは、複数の燃料電池セルを積層させて構成され、水素ガスに含まれる水素と酸化剤ガス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。

【0023】

燃料タンクＴｋは、水素ガスの貯蔵容器である。燃料タンクＴｋに貯蔵された水素ガスは主止弁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。

【0024】

主止弁ＳＶは、電磁弁などにより構成され、水素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への水素ガスの供給を遮断する。なお、燃料電池システム１が車両Ｖｅに備えられている場合、燃料タンクＴｋ及び主止弁ＳＶは車両Ｖｅの内部に備えられる。燃料電池システム１が定置式発電機Ｓｇに備えられている場合、燃料タンクＴｋ及び主止弁ＳＶは定置式発電機Ｓｇの外部に備えられる。

【0025】

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

【0026】

気液分離機ＧＬＳは、燃料電池ＦＣから排出される水素ガスと液水とを分離する。

【0027】

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

【0028】

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内の不図示のタンクに溜まる。また、燃料電池ＦＣからエア調圧弁ＡＲＶを介して排出された酸化剤ガスは、排気排水弁ＥＤＶから排出された水素ガスと希釈器ＤＩＬで合流し、希釈器ＤＩＬから排出される。

【0029】

エアコンプレッサＡＣＰは、周囲の酸化剤ガスを圧縮し、その圧縮した酸化剤ガスをインタークーラ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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

ラジエタＲは、燃料電池ＦＣが発する熱により温められた冷媒をラジエタＲの周囲の雰囲気と熱交換させる。

【0034】

ファンＦは、ラジエタＲの放熱量を上昇させる。

【0035】

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。

【0036】

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池ＦＣの後段に接続され、燃料電池ＦＣの電圧を昇圧または降圧する。また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力は、外部負荷Ｌｏ、エアコンプレッサＡＣＰ、水素循環ポンプＨＰ、及びウォータポンプＷＰなどの補機、及び蓄電装置Ｂに供給される。また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電圧は、不図示の他のＤＣＤＣコンバータにより降圧され、ファンＦ、エアシャット弁ＡＳＶ、及びエア調圧弁ＡＲＶなどの補機に供給される。

【0037】

ここで、図３は、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの一例を示す図である。

【0038】

図３に示すＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、ハイサイドのスイッチＳＷ１と、スイッチＳＷ１に並列接続されるハイサイドのダイオードＤ１（ダイオード）と、スイッチＳＷ１に直列接続されるローサイドのスイッチＳＷ２（スイッチ）と、スイッチＳＷ２に並列接続されるローサイドのダイオードＤ２と、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の接続点と燃料電池ＦＣとの間に接続されるインダクタＬと、スイッチＳＷ１、ＳＷ２に並列接続されるコンデンサＣとを備える。

【0039】

例えば、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をそれぞれＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とする場合、ダイオードＤ１、Ｄ２はスイッチＳＷ１、ＳＷ２の寄生ダイオードとする。

【0040】

また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をそれぞれＭＯＳＦＥＴとする場合、インダクタＬの一方端子が燃料電池ＦＣの一方端子に接続され、インダクタＬの他方端子がスイッチＳＷ１のソース端子とスイッチＳＷ２のドレイン端子との接続点に接続されている。また、スイッチＳＷ１のドレイン端子がコンデンサＣの一方端子に接続され、スイッチＳＷ２のソース端子が燃料電池ＦＣの他方端子及びコンデンサＣの他方端子に接続されている。

【0041】

また、コンデンサＣの一方端子が外部負荷Ｌｏ及び補機のそれぞれの一方端子に接続されているとともにリレーＲｅを介して蓄電装置Ｂの正極端子に接続されている。また、コンデンサＣの他方端子が外部負荷Ｌｏ及び補機のそれぞれの他方端子に接続されているとともに蓄電装置Ｂの負極端子に接続されている。

【0042】

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から出力される電力が供給される。すなわち、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の充電量Ｃｈが増加する。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の充電量Ｃｈが減少する。なお、充電量Ｃｈ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。

【0043】

リレーＲｅは、電磁式リレーなどにより構成される。リレーＲｅの一方端子は、電圧センサＳｖｂ、電流センサＳｉｂ、補機、及び外部負荷Ｌｏを介してＤＣＤＣコンバータＣＮＶの一方の出力端子（コンデンサＣの一方端子）に接続され、リレーＲｅの他方端子は、蓄電装置Ｂの正極端子に接続されている。すなわち、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと蓄電装置Ｂとの間にリレーＲｅが接続され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶとリレーＲｅとの間に外部負荷Ｌｏや補機（エアコンプレッサＡＣＰ、水素循環ポンプＨＰ、及びウォータポンプＷＰなど）が接続されている。制御部３の動作制御によりリレーＲｅがオン（導通）すると、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶ、外部負荷Ｌｏ、及び補機と、蓄電装置Ｂとが電気的に接続される。一方、制御部３の動作制御によりリレーＲｅがオフ（遮断）すると、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶ、外部負荷Ｌｏ、及び補機と、蓄電装置Ｂとが電気的に遮断される。

【0044】

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を制御部３に送る。

【0045】

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Ｖｆを検出し、その検出した電圧Ｖｆを制御部３に送る。

【0046】

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、リレーＲｅがオンしているとき、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶ及びリレーＲｅを介して蓄電装置Ｂに流れる電流Ｉｂまたは蓄電装置ＢからリレーＲｅを介して外部負荷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３に送る。

【0047】

電圧センサＳｖｂは、分圧抵抗などにより構成され、リレーＲｅがオンしているとき、リレーＲｅと蓄電装置Ｂとが直列接続された状態での蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂを検出し、その検出した電圧Ｖｂを制御部３に送る。

【0048】

記憶部２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。なお、記憶部２は、後述する閾値Ｖｔｈなどを記憶している。例えば、閾値Ｖｔｈは、燃料電池システム１または定置式発電機Ｓｇで扱われる電圧の最小値とする。

【0049】

制御部３は、マイクロコンピュータなどにより構成され、燃料電池ＦＣの発電を制御する。

【0050】

＜発電制御開始時＞
制御部３は、車両Ｖｅに備えられるイグニッションキーがユーザにより操作されることなどで車両Ｖｅの電源がオフ状態からオン状態になると、または、定置式発電機Ｓｇに備えられる電源ボタンがユーザにより操作されることなどで定置式発電機Ｓｇの電源がオフ状態からオン状態になると、燃料電池ＦＣの発電制御を開始する。

【0051】

例えば、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御開始時、発電制御フラグをオフからオンに切り替える。制御部３は、発電制御フラグをオフからオンに切り替えると、補機制御フラグ、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、及びリレー制御フラグをオフからオンに切り替える。制御部３は、補機制御フラグをオフからオンに切り替えると、補機の駆動を開始し、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグをオフからオンに切り替えると、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶの駆動を開始し、リレー制御フラグをオフからオンに切り替えると、リレーＲｅをオフ（遮断）からオン（導通）に切り替える。

【0052】

＜発電制御中＞
制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御中、蓄電装置Ｂの充電量Ｃｈに応じて目標発電電力Ｐｔを段階的に変化させる。

【0053】

また、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御中、燃料電池ＦＣの発電電力（電流Ｉｆと電圧Ｖｆ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。例えば、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御中、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との差がゼロになるように、エアコンプレッサＡＣＰのモータの回転数や水素循環ポンプＨＰのモータの回転数などを制御する。

【0054】

また、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御中、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが目標電圧Ｖｔ（例えば、４８Ｖ）より低い場合、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが目標電圧Ｖｔに昇圧されるように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を交互にオン、オフさせる。なお、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御中、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが目標電圧Ｖｔより低い場合、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが目標電圧Ｖｔまで昇圧されるように、スイッチＳＷ１を常時オフさせつつスイッチＳＷ２をオン、オフさせるように構成してもよい。この状態において、目標電圧Ｖｔが外部負荷Ｌｏの電圧より高い場合、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶを介して外部負荷Ｌｏに電流が流れる。また、目標電圧Ｖｔが蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂより高い場合で、かつ、リレーＲｅがオンしている場合、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶ及びリレーＲｅを介して蓄電装置Ｂに電流が流れる。

【0055】

また、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御中、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが目標電圧Ｖｔ以上である場合、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが降圧されるように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を常時オフさせる。なお、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御中、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが目標電圧Ｖｔ以上である場合、スイッチＳＷ１を常時オンさせるとともにスイッチＳＷ２を常時オフさせるように構成してもよい。この状態において、目標電圧Ｖｔが外部負荷Ｌｏの電圧より高い場合、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶを介して外部負荷Ｌｏに電流が流れる。また、目標電圧Ｖｔが蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂより高い場合で、かつ、リレーＲｅがオンしている場合、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶ及びリレーＲｅを介して蓄電装置Ｂに電流が流れる。

【0056】

＜発電制御終了時＞
制御部３は、車両Ｖｅに備えられるイグニッションキーがユーザにより操作されることなどで車両Ｖｅの電源がオン状態からオフ状態になると、または、定置式発電機Ｓｇに備えられる電源ボタンがユーザにより操作されることなどで定置式発電機Ｓｇの電源がオン状態からオフ状態になると、燃料電池ＦＣの発電制御を終了する。

【0057】

例えば、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御終了時、発電制御フラグをオンからオフに切り替える。制御部３は、発電制御フラグをオンからオフに切り替えると、補機制御フラグをオンからオフに切り替えて補機を停止させる。

【0058】

また、制御部３は、発電制御フラグをオンからオフに切り替えてから燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になるまでの期間、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶを駆動させるとともにリレーＲｅを常時オンさせる。これにより、燃料電池ＦＣの発電制御終了時において、発電制御フラグがオンからオフに切り替わってから燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になるまでの期間、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶ及びリレーＲｅを介して蓄電装置Ｂに積極的に電流を流すことができるため、すなわち、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷を蓄電装置Ｂに積極的に移動させることができるため、燃料電池ＦＣの電圧ＶｆやＤＣＤＣコンバータＣＮＶの電圧を所望な電圧に低下させることができる。

【0059】

また、制御部３は、発電制御フラグをオンからオフに切り替えてから燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になると、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグをオンからオフに切り替えてＤＣＤＣコンバータＣＮＶを停止させるとともに、リレー制御フラグをオンからオフに切り替えてリレーＲｅを常時オフさせる。

【0060】

＜非常停止時／異常停止時＞
制御部３は、車両Ｖｅまたは定置式発電機Ｓｇに備えられる不図示の非常停止ボタンがユーザにより押されると、または、燃料電池システム１内の部品（水素循環ポンプＨＰなど）に異常が発生したと判断すると、外部負荷Ｌｏや蓄電装置Ｂに電力が供給されることをすぐに停止させるために、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えて非常停止／異常停止処理を開始する。例えば、制御部３は、燃料電池ＦＣの発電制御中、水素循環ポンプＨＰに印加される電流を検出する不図示の電流センサにより検出される電流が所定電流値以上になると、水素循環ポンプＨＰに異常が発生したと判断する。

【0061】

また、制御部３は、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えると、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグをオンからオフに切り替えてスイッチＳＷ１、ＳＷ２を常時オフさせるとともに、リレー制御フラグをオンからオフに切り替えてリレーＲｅを常時オフさせる。このように、非常停止時／異常停止時において、リレーＲｅを常時オフさせることで燃料電池ＦＣから蓄電装置Ｂに電力が供給されることを停止させることができる。

【0062】

また、制御部３は、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えてから燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になるまでの期間、補機制御フラグをオンに維持し、燃料電池ＦＣが発電しないように補機を駆動させる。例えば、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えてから燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になるまでの期間において、エアコンプレッサＡＣＰを駆動させる場合、制御部３は、エアコンプレッサＡＣＰに備えられるモータが回転しないようにモータの動作を制御することで、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶを介してエアコンプレッサＡＣＰのモータに電流を流す。このように、非常停止時／異常停止時において、燃料電池ＦＣが発電しないように補機を駆動させているため、燃料電池ＦＣの発電がすぐに停止し、外部負荷Ｌｏに電力が供給されることをすぐに停止させることができる。また、非常停止時／異常停止時において、燃料電池ＦＣからインダクタＬ、ダイオードＤ１、及びコンデンサＣを介して補機に積極的に電流を流すことができるため、すなわち、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷を補機により消費させることができるため、燃料電池ＦＣの電圧ＶｆまたはＤＣＤＣコンバータＣＮＶの電圧を所望な電圧に低下させることができる。また、非常停止時／異常停止時において、水素循環ポンプＨＰを駆動させる場合、燃料電池ＦＣ内の水を燃料電池ＦＣの外に積極的に排出する処理（掃気処理）を行うことができるため、燃料電池ＦＣ内に水が残ることによって起因する燃料電池ＦＣの劣化を抑制することができる。なお、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えた場合、燃料電池ＦＣから外部負荷への電力の供給は基本的には行われない。

【0063】

また、制御部３は、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えてから燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になるまでの期間、２つ以上の補機を駆動させるように構成してもよい。例えば、制御部３は、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えてから燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になるまでの期間、水素循環ポンプＨＰ及びウォータポンプＷＰを駆動させるように構成してもよい。これにより、水素循環ポンプＨＰが故障していることで、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷を水素循環ポンプＨＰで消費させることができない状態であっても、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷をウォータポンプＷＰにより消費させることができるため、燃料電池ＦＣの電圧ＶｆまたはＤＣＤＣコンバータＣＮＶの電圧を所望な電圧に低下させることができる。

【0064】

また、制御部３は、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えてから燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になるまでの期間、消費電力が比較的大きい補機を選択的に駆動させるように構成してもよい。これにより、非常停止時／異常停止時において、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷をより短時間で消費させることができ、燃料電池ＦＣの電圧ＶｆまたはＤＣＤＣコンバータＣＮＶの電圧を所望な電圧により早く低下させることができる。

【0065】

また、制御部３は、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えた後、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になると、補機制御フラグをオンからオフに切り替えて補機を停止させる。

【0066】

ここで、図４は、発電制御開始時における発電制御フラグ、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆ、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、リレー制御フラグ、及び補機制御フラグの一例を示す図である。なお、図４（ａ）～図４（ｅ）に示す各二次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示し、図４（ａ）に示す実線は発電制御フラグを示し、図４（ｂ）に示す実線は燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆを示し、図４（ｃ）に示す実線はＤＣＤＣコンバータ制御フラグを示し、図４（ｄ）に示す実線はリレー制御フラグを示し、図４（ｅ）に示す実線は補機制御フラグを示す。

【0067】

図４（ａ）～図４（ｅ）に示す例では、時刻ｔ１１において、発電制御フラグがオン（電圧Ｖｈｉｇｈ）からオフ（電圧Ｖｌｏｗ）に切り替わると、補機制御フラグがオン（電圧Ｖｈｉｇｈ）からオフ（電圧Ｖｌｏｗ）に切り替わる。また、発電制御フラグがオンからオフに切り替わっても、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ及びリレー制御フラグはオン（電圧Ｖｈｉｇｈ）に維持されている。これにより、燃料電池ＦＣの発電が停止するとともに、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶを介して蓄電装置Ｂに電流が流れ、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが徐々に低下していく。

【0068】

そして、時刻ｔ１２において、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になると、すなわち、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが燃料電池システム１または定置式発電機Ｓｇで扱われる電圧の最小値まで低下すると、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグがオンからオフ（電圧Ｖｌｏｗ）に切り替わりスイッチＳＷ１、ＳＷ２が常時オフするとともに、リレー制御フラグがオンからオフ（電圧Ｖｌｏｗ）に切り替わりリレーＲｅが常時オフする。

【0069】

ところで、非常停止時／異常停止時において、外部負荷Ｌｏや蓄電装置Ｂに電力が供給されることをすぐに停止させようとする場合では、非常停止／異常停止フラグがオフからオンに切り替わってからすぐにＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、リレー制御フラグ、及び補機制御フラグをオンからオフに切り替えることが考えられる。

【0070】

図５は、このように非常停止／異常停止フラグがオフからオンに切り替わってからすぐに、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、リレー制御フラグ、及び補機制御フラグをオンからオフに切り替える場合における発電制御フラグ、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆ、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、リレー制御フラグ、及び補機制御フラグの一例を示す図である。なお、図５（ａ）～図５（ｅ）に示す各二次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示し、図５（ａ）に示す実線は非常停止／異常停止フラグを示し、図５（ｂ）に示す実線は燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆを示し、図５（ｃ）に示す実線はＤＣＤＣコンバータ制御フラグを示し、図５（ｄ）に示す実線はリレー制御フラグを示し、図５（ｅ）に示す実線は補機制御フラグを示す。

【0071】

図５（ａ）～図５（ｅ）に示す例では、時刻ｔ２１において、非常停止／異常停止フラグがオフ（電圧Ｖｌｏｗ）からオン（電圧Ｖｈｉｇｈ）に切り替わると、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、リレー制御フラグ、及び補機制御フラグがそれぞれオン（電圧Ｖｈｉｇｈ）からオフ（電圧Ｖｌｏｗ）に切り替わる。これにより、非常停止時／異常停止時において、外部負荷Ｌｏや蓄電装置Ｂに電力が供給されることをすぐに停止させることができる。

【0072】

しかしながら、非常停止時／異常停止時において、すぐにＤＣＤＣコンバータＣＮＶ及び補機を停止させるとともにリレーＲｅを遮断させる場合、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに比較的小さい電流（暗電流）が流れるだけで、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷が燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶから移動し難い状態になるため、図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ２１において非常停止／異常停止フラグがオフからオンに切り替わってから時刻ｔ２３において燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になるまでの期間が比較的長くなってしまう。

【0073】

そこで、実施形態の燃料電池システム１では、非常停止／異常停止フラグがオフからオンに切り替わってから燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になるまで期間、燃料電池ＦＣが発電しないように補機を駆動させている。

【0074】

図６は、実施形態の燃料電池システム１における非常停止／異常停止時の発電制御フラグ、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆ、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ、リレー制御フラグ、及び補機制御フラグの一例を示す図である。なお、図６（ａ）～図６（ｅ）に示す各二次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示し、図６（ａ）に示す実線は非常停止／異常停止フラグを示し、図６（ｂ）に示す実線は燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆを示し、図６（ｃ）に示す実線はＤＣＤＣコンバータ制御フラグを示し、図６（ｄ）に示す実線はリレー制御フラグを示し、図６（ｅ）に示す実線は補機制御フラグを示す。

【0075】

まず、時刻ｔ２１において、非常停止／異常停止フラグがオフ（電圧Ｖｌｏｗ）からオン（電圧Ｖｈｉｇｈ）に切り替わると、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグ及びリレー制御フラグがそれぞれオン（電圧Ｖｈｉｇｈ）からオフ（電圧Ｖｌｏｗ）に切り替わることで、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及びリレーＲｅが常時オフする。このように、非常停止時／異常停止時において、リレーＲｅが常時オフすることにより、燃料電池ＦＣから蓄電装置Ｂへの電力供給をすぐに停止させることができる。

【0076】

また、時刻ｔ２１において、非常停止／異常停止フラグがオフからオンに切り替わると、補機制御フラグがオンを維持しつつ、燃料電池ＦＣが発電しないように補機が駆動する。これにより、非常停止時／異常停止時において、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷を補機により消費させることができる。

【0077】

そして、時刻ｔ２２において、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆが閾値Ｖｔｈ以下になると、補機制御フラグがオンからオフに切り替わり、補機が停止する。

【0078】

このように、実施形態の燃料電池システム１では、非常停止時／異常停止時において、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷を蓄電装置Ｂによって消費できないような状況であっても、補機により消費させることができるため、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷をＤＣＤＣコンバータが備える比較的抵抗値が小さい素子で消費させる場合に比べて、燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷の単位時間あたりの消費量を増加させることができ、燃料電池ＦＣの電圧ＶｆやＤＣＤＣコンバータＣＮＶの電圧を閾値Ｖｔｈ以下にするためにかかる時間を短縮することができる。また、燃料電池システム１で電荷を消費させる制御が完結するため、外部負荷によって燃料電池ＦＣやＤＣＤＣコンバータＣＮＶに残留する電荷を消費させる機能を持たせる必要が無い。そのため、燃料電池システム１を適用するアプリケーション自体に、設計変更を施さなくてよい。

【0079】

また、実施形態の燃料電池システム１では、非常停止時／異常停止時において、燃料電池ＦＣの電圧ＶｆやＤＣＤＣコンバータＣＮＶの電圧を比較的短い時間で低下させることができるため、燃料電池システム１内の故障部品をすぐに交換することができる。

【0080】

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。

【0081】

＜変形例１＞
上記実施形態では、制御部３は、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えると、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグをオンからオフに切り替えてスイッチＳＷ１、ＳＷ２を常時オフさせる構成であるが、非常停止／異常停止フラグをオフからオンに切り替えると、ＤＣＤＣコンバータ制御フラグをオンからオフに切り替えてスイッチＳＷ１を常時オンさせるとともにスイッチＳＷ２を常時オフさせるように構成してもよい。

【0082】

＜変形例２＞
ＤＣＤＣコンバータＣＮＶにおいて、スイッチＳＷ１を省略してもよい。すなわち、スイッチＳＷ１を省略する場合、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、ハイサイドのダイオードＤ１と、ローサイドのスイッチＳＷ２と、ダイオードＤ１及びスイッチＳＷ２の接続点と燃料電池ＦＣとの間に接続されるインダクタＬと、ダイオードＤ１及びスイッチＳＷ２に並列接続されるコンデンサＣとを備え、スイッチＳＷ２をオン、オフさせることで燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆを昇圧し、スイッチＳＷ２を常時オフさせることで燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆを降圧する。

【0083】

＜変形例３＞
上記実施形態では、インダクタＬ、ハイサイドの素子（スイッチＳＷ１やダイオードＤ１）、及びローサイドの素子（スイッチＳＷ２やダイオードＤ２）からなる１相のＤＣＤＣコンバータＣＮＶを採用しているが、２相以上のＤＣＤＣコンバータＣＮＶを採用してもよい。なお、２相以上のＤＣＤＣコンバータＣＮＶを採用する場合、制御部３は、各相のハイサイドの素子及びローサイドの素子のそれぞれのオン、オフの位相を互いにずらすことで、燃料電池ＦＣの電圧Ｖｆを目標電圧Ｖｔに昇圧させる。

【符号の説明】

【0084】

１ 燃料電池システム
２ 記憶部
３ 制御部
Ｖｅ 車両
Ｌｏ 外部負荷
Ｓｇ 定置式発電機
ＦＣ 燃料電池
Ｔｋ 燃料タンク
ＳＶ 主止弁
ＩＮＪ インジェクタ
ＧＬＳ 気液分離機
ＨＰ 水素循環ポンプ
ＥＤＶ 排気排水弁
ＤＩＬ 希釈器
ＡＣＰ エアコンプレッサ
ＡＲＶ エア調圧弁
ＡＳＶ エアシャット弁
Ｒ ラジエタ
Ｆ ファン
ＷＰ ウォータポンプ
ＩＣ インタークーラ
ＣＮＶ ＤＣＤＣコンバータ
Ｂ 蓄電装置
Ｓｉｆ 電流センサ
Ｓｖｆ 電圧センサ
Ｓｉｂ 電流センサ
Ｓｖｂ 電圧センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】