特許 7455735 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-15

(45)【発行日】2024-03-26

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04228 20160101AFI20240318BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240318BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20240318BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20240318BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20240318BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04228

H01M8/00 A

H01M8/04303

H01M8/04537

H01M8/04858

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020193452

(22)【出願日】2020-11-20

(65)【公開番号】P2022082092

(43)【公開日】2022-06-01

【審査請求日】2023-01-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(73)【特許権者】

【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】垣見 洋輔

【審査官】藤森 一真

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０９５９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２５３２２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７２４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１５６０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２１８３９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１５８１６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／００４４８９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４ － ８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの発電を制御する制御部と、
蓄電装置と、
ダイオードを有する第１経路を有し、前記燃料電池スタックの電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
を有し、
前記制御部が前記燃料電池スタックによる発電を停止すると、前記燃料電池スタックの電圧が前記蓄電装置の電圧よりも高くなり、
前記発電が停止した際に前記燃料電池スタック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、前記燃料電池スタックの劣化が抑制される
ことを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記昇圧コンバータは、前記ダイオードに並列接続されるスイッチング素子を有する第２経路を有し、
前記制御部が前記燃料電池スタックによる発電を停止すると、前記燃料電池スタックの電圧が前記蓄電装置の電圧よりも高くなり、
前記発電が停止した際に前記燃料電池スタックで発生する電力が前記第１経路または前記第２経路のうち少なくとも一方によって前記蓄電装置に充電可能な状態になり、前記燃料電池スタックの劣化が抑制される
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】

前記制御部による前記燃料電池スタックの発電中、前記燃料電池スタックから電力が出力されているとき、前記燃料電池スタックの電圧が前記蓄電装置の電圧よりも低くなる
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料電池スタックの発電電圧範囲のうち最も低い電圧は、前記蓄電装置の利用電圧範囲のうち最も低い電圧よりも低い
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴであり、前記ダイオードは前記ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードである
ことを特徴とする請求項２～４のうち何れかに記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記発電を停止した状態の前記燃料電池スタックの電圧は、前記蓄電装置の電圧に加えて前記ダイオードの閾値電圧を加算した電圧よりも高くなるようにされている
ことを特徴とする請求項２～５のうち何れかに記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記燃料電池スタックの電圧を検出するスタック電圧検出手段と、
前記蓄電装置の電圧を検出する蓄電電圧検出手段と、
を有し、
前記制御部は前記スタック電圧検出手段の電圧が前記蓄電電圧検出手段の電圧よりも高いことを検出したときに、
前記スイッチング素子を閉じ状態とする
ことを特徴とする請求項２～６のうち何れかに記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記第１経路および前記第２経路を流れる電流を検出する電流検出手段を有し、
前記制御部は前記スイッチング素子の開閉状態を検知可能で、
前記制御部は前記スイッチング素子を開閉動作させていない場合に電流が流れるのを検出したときに、
前記スイッチング素子を閉じ状態とする
ことを特徴とする請求項２～７のうち何れか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】

燃料電池スタック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。燃料電池スタックの電圧を昇圧コンバータで昇圧させる構成とすることにより、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの枚数を減らして、燃料電池システムを低コストで構成することができる。例えば、燃料電池スタックから出力した電圧を昇圧式のＤＣＤＣコンバータにより昇圧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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５３０８２６８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、昇圧コンバータで燃料電池スタックの電圧を昇圧させる構成とした場合、燃料電池スタックの電圧が、蓄電装置の電圧よりも小さくなるように燃料電池セルの枚数を調整すると、燃料電池セルの枚数が少なくなり過ぎる場合がある。その結果、燃料電池スタック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いおそれがある。そのため、必要十分な燃料電池セルの枚数を確保する必要がある。

【0005】

また、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックから出力される電流が減少すると、燃料電池スタックの電圧が増加するため、燃料電池スタックの電圧が閾値を超える結果、燃料電池スタックが劣化するおそれがある。そのため、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの電圧が所定の値以上とならないように、蓄電装置に電流を引いて充電し、電圧を下げる必要がある。

【0006】

しかしながら、燃料電池スタックの電圧が、蓄電装置が充電を許容できる電圧よりも高くなると、これ以上燃料電池スタックの電流を引くことができないため、高電位回避を行うことが難しい。

【0007】

本発明の一側面に係る目的は、高電位回避を行うとともに、燃料電池システムの出力を向上することが可能な燃料電池システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る一つの態様の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの発電を制御する制御部と、蓄電装置と、ダイオードを有する第１経路を有する昇圧コンバータと、を有する。制御部は、燃料電池スタックによる発電を停止した際に、燃料電池スタックの電圧が蓄電装置の電圧よりも高くなるようにし、発電を停止した際に燃料電池で発生する電力を第１経路によって蓄電装置に充電可能な状態とする。これにより、燃料電池スタックの電圧が蓄電装置の電圧よりも高くなった際に、第１経路または第２経路の少なくとも一方で高電位回避を行うことができるとともに、必要十分な燃料電池スタックの枚数を確保できるシステムとなるため、燃料電池システムの出力を向上することができる。

【0009】

また、昇圧コンバータは、ダイオードを有する第１経路及びスイッチング素子を有する第２経路を有してもよい。昇圧コンバータは、燃料電池スタックによる発電を停止した際に、燃料電池スタックの電圧が蓄電装置の電圧よりも高くなるようにし、発電を停止した際に燃料電池で発生する電力を第１経路または第２経路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。これにより昇圧コンバータに三相交流ＤＣＤＣコンバータを利用することができ、部品の汎用性を高めることができる。

【0010】

また、制御部は、燃料電池スタックによる発電中は燃料電池スタックの電圧が蓄電装置の電圧よりも低くなるように制御してもよい。これにより、昇圧コンバータを動作すべきタイミングが明確になるため、制御が容易となる。

【0011】

また、制御部は、燃料電池スタックの発電電圧範囲のうち最も低い電圧を、蓄電装置の利用電圧範囲のうち最も低い電圧よりも低くしてもよい。これにより、蓄電装置の性能を最大限活用することができる。

【0012】

また、スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴであり、ダイオードはＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードとしてもよい。これにより、昇圧コンバータ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、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

【0013】

また、発電を停止した状態の燃料電池スタックの電圧は、蓄電装置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されてもよい。これにより、ダイオードによる電力（電圧）の損失がなくなる分、燃料電池セルの枚数をさらに増やすことができる。

【0014】

また、燃料電池システムは、燃料電池スタックの電圧を検出するスタック電圧検出手段と、蓄電装置の電圧を検出する蓄電電圧検出手段と、を有する。制御部は、スタック電圧検出手段の電圧が蓄電電圧検出手段の電圧よりも高いことを検出したときに、スイッチング素子を閉じ状態としてもよい。これにより、ダイオードによる電力の消費を抑制することができ、燃料電池で出力した電力を蓄電装置に効率よく充電することができる。

【0015】

また、燃料電池システムは、第１経路および第２経路を流れる電流を検出する電流検出手段を有する。制御部はスイッチング素子の開閉状態を検知可能で、制御部はスイッチング素子を開閉動作させていない場合に電流が流れるのを検出したときに、スイッチング素子を閉じ状態としてもよい。これにより、ダイオードによる電力の消費を抑制することができ、燃料電池で出力した電力を蓄電装置に効率よく充電することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、高電位回避を行うとともに、燃料電池システムの出力を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】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2】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。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

【0019】

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。

【0020】

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。また、燃料電池システム１は、非常用電源などの定置型発電機にも適用可能である。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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ＣＳ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。

【0030】

三相交流のＤＣＤＣコンバータＣｎｖは、入力される制御信号ＣＳ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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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（スタック電圧検出手段）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（蓄電電圧検出手段）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。

【0039】

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ＣＳ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。

【0040】

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ＣＳ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ＣＳ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ＣＳ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。

【0041】

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。

【0042】

燃料電池ＦＣの電圧≦高電位回避電圧×セル枚数・・・式１

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

セル枚数×高電位回避電圧＝発電停止電圧＋Ｖｆ・・・式２

【0049】

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の電圧は、セル枚数×高電位回避電圧により決定される。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

燃料電池ＦＣの電圧＞蓄電装置Ｓの電圧・・・式３

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

＜その他の実施形態＞
上述の燃料電池システム１は、出力を単相により構成しているがこの限りではない。燃料電池システム１は、ｕ相、ｖ相、ｗ相の三相の構成であってもよいし、三相以上のシステムにより構成してもよい。

【0064】

また、上述の燃料電池システム１は、ＤＣＤＣコンバータに三相交流のＤＣＤＣコンバータを用いた構成としているがこの限りではない。燃料電池システム１は、図２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、燃料電池ＦＣによる発電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。

【0065】

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４により決定される。

【0066】

セル枚数×高電位回避電圧＝発電停止電圧・・・式４

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【符号の説明】

【0070】

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

【図1】

【図2】