JP7289875B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池と、該燃料電池で発電された電力を負荷入力用の電力に変換する電力変換装置と、を備える燃料電池システムに関する。

例えば、特許文献１（ＪＰ２０２１－５７１２８Ａ）には、燃料電池で発電された電力を、モータの入力用の電力に変換するＤＣ－ＤＣコンバータを備える燃料電池システムが開示されている（ＪＰ２０２１－５７１２８Ａの［００５６］、図４）。

ここで、モータは燃料電池の負荷に該当し、ＤＣ－ＤＣコンバータは電力変換装置に該当する。

燃料電池システムを備える電動車両では、衝突時に燃料電池を負荷から孤立させるため、以下の対応が考えられる。

例えば、燃料電池と電力変換装置との間に、遮断器を挿入する。該遮断器は、電流導電路（導体）を備える。

遮断器としては、前記電流導電路を可逆的に接続・遮断可能な、例えば、電磁接触器（コンタクタ）がある。

また、遮断器としては、前記電流導電路を不可逆的に遮断する、例えば、パイロヒューズがある｛特許文献２（ＪＰ２０２１－５０１５５１Ａ）｝。

パイロヒューズは、衝突時等に前記電流導電路を物理的に切断する機構を有する。これにより、燃料電池と電力変換装置との間の電気的接続（回路）が物理的に遮断される（電気的接続が不可逆的に遮断される。）。

特開２０２１－５７１２８号公報 特表２０２１－５０１５５１号公報

燃料電池システムにおいて、遮断器が遮断状態（作動状態）にされた場合、燃料電池の正極出力端子と負極出力端子との間（出力端子間）が、いわゆる開放端になる。

燃料電池の出力端子間が開放端になっている状態において、燃料電池システムのパワースイッチをＯＦＦ状態から再びＯＮ状態にして燃料電池を再起動する。再起動して、燃料電池の発電を再開させると、燃料電池の発電電圧がＯＣＶ（開放回路電圧）まで上昇する。これにより、燃料電池を劣化（高電位劣化）させる等の問題が発生する。

また、燃料電池の出力端子間が開放端になっているために、燃料電池の発電電力をバッテリ（蓄電器）やモータに供給することができず、ユーザにこれらの状況を通知することができないという問題が発生する。

これらの問題を解決するために、以下の対応が考えられる。

燃料電池システムは、遮断器が遮断状態になったことを回路遮断情報として不揮発性メモリに記録する。燃料電池システムは、再起動時に不揮発性メモリの記録内容（回路遮断情報）を確認し、燃料電池を再起動させないように制御する。この制御により、燃料電池の発電電圧がＯＣＶまで上昇することを回避できる。この制御による、発電電圧は、実際上、ゼロボルト近傍の上昇にとどまる。

しかしながら、燃料電池システムにおいては、不揮発性メモリのメモリ容量が逼迫するという課題及び不揮発性メモリに記録されている回路遮断情報のリセット処理が煩雑であるという課題がある。

また、たとえ、不揮発性メモリに遮断器の回路遮断情報が記録されたとしても、遮断器自体が誤作動した場合には、前記不揮発性メモリに回路遮断情報が記録されないという課題がある。

この発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

この発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池の発電を制御する制御装置と、前記燃料電池で発電された電力を負荷の入力用の電力に変換する電力変換装置と、前記燃料電池と前記電力変換装置との間の電気的接続を不可逆的に遮断可能な遮断器と、前記燃料電池の出力の電力状態を検出する第１検出部と、前記電力変換装置の入力の電力状態を検出する第２検出部と、を備え、前記制御装置は、前記第１検出部及び前記第２検出部により検出された電力状態に基づき、前記遮断器による前記電気的接続の遮断状態を検出する燃料電池システムであって、さらに、前記電力変換装置の入力端子間にコンデンサを設け、前記第１検出部を、第１電圧センサ及び第１電流センサにより構成し、前記第２検出部を第２電圧センサ及び第２電流センサにより構成した場合、前記制御装置は、前記第１電流センサ及び前記第２電流センサのいずれでも、電流の通流を確認できなかったとき、前記第２電圧センサにより検出される前記電力変換装置の入力電圧の挙動に基づき、前記遮断器による前記電気的接続の遮断状態を検出する。

この発明によれば、不揮発性メモリを用いずに、燃料電池と電力変換装置との間の電気的接続の不可逆的な遮断状態（回路遮断状態）を、検出することができる。結果として、不揮発性メモリの容量の逼迫を回避でき、不揮発性メモリに記録されている回路遮断情報のリセット処理も不要にできる。遮断器自体が誤作動した場合にも、回路遮断状態を確実に検出することができる。

図１は、実施形態に係る燃料電池システムが組み込まれた燃料電池適用システムの構成を示す模式的回路ブロック図である。 図２は、図１に示すスタックセンサ盤の詳細な回路構成（遮断器非作動状態）を示す回路ブロック図である。 図３は、図１に示すスタックセンサ盤の詳細な回路構成（遮断器作動状態）を示す回路ブロック図である。 図４は、燃料電池システムの起動時の動作説明に供されるフローチャートである。 図５は、燃料電池システムの起動時の動作説明に供されるタイミングチャートである。 図６は、電力変換装置の入力端子間にコンデンサが挿入されている場合の変形例の燃料電池システムのスタックセンサ盤の詳細な回路構成（遮断器非作動状態）を示す回路ブロック図である。 図７は、電力変換装置の入力端子間にコンデンサが挿入されている場合の変形例の燃料電池システムのスタックセンサ盤の詳細な回路構成（遮断器作動状態）を示す回路ブロック図である。 図８は、変形例の燃料電池システムの起動時の動作説明に供されるフローチャートである。 図９は、変形例の燃料電池システムの起動時の動作説明に供されるタイミングチャートである。

［構成］
図１は、実施形態に係る燃料電池システム１４が組み込まれた燃料電池適用システム１０の構成を示す模式的回路ブロック図である。

燃料電池適用システム１０は、制御装置１２と、燃料電池システム１４と、出力部２０と、を備える。出力部２０は、該燃料電池システム１４に電気的に接続される。出力部２０は、負荷８４と、電力変換装置８２と、を備える。電力変換装置８２は、電力変換の双方向性を有する。電力変換装置８２は、双方向性ではなく、電力が燃料電池システム１４から負荷８４に向かう単方向性でもよい。

負荷８４が走行用のモータである場合、燃料電池適用システム１０は、燃料電池車両（電動車両）として機能する。この場合、電力変換装置８２は、ＤＣ－ＤＣコンバータと、インバータと、を有する。ＤＣ－ＤＣコンバータは、直流の入力電圧Ｖｐを昇圧した昇圧直流電圧を発生する。インバータは、昇圧直流電圧を３相の交流電力に変換して負荷８４に供給する。負荷８４の仕様に基づき、ＤＣ－ＤＣコンバータ又はインバータは、電力変換装置８２から省略してもよい。

燃料電池システム１４は、基本的には、燃料電池スタック（単に、燃料電池ともいう。）１６と、水素タンク１８と、酸化剤ガス系デバイス２２と、燃料ガス系デバイス２４と、スタックセンサ盤８０と、を備える。

酸化剤ガス系デバイス２２は、エアポンプ２６と、加湿器（ＨＵＭ）２８と、を含む。

燃料ガス系デバイス２４は、インジェクタ（ＩＮＪ）３０、エジェクタ（ＥＪＴ）３２及び気液分離器３４を含む。

燃料電池スタック１６は、複数の発電セル４０が積層される。発電セル４０は、電解質膜・電極構造体４４と、該電解質膜・電極構造体４４を挟持するセパレータ４５、４６と、を備える。

電解質膜・電極構造体４４は、固体高分子電解質膜４１と、カソード電極４２及びアノード電極４３と、を備える。固体高分子電解質膜４１は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。カソード電極４２及びアノード電極４３は、固体高分子電解質膜４１を挟持する。

カソード電極４２及びアノード電極４３は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。該ガス拡散層の表面に、白金合金が担持された多孔質カーボン粒子を一様に塗布する。これにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４１の両面に形成される。

一方のセパレータ４５の電解質膜・電極構造体４４に向かう面と、カソード電極４２の電極触媒層のセパレータ４５に向かう面との間の隙間は、カソード流路（酸化剤ガス流路）４７として形成される。カソード流路４７は、酸化剤ガス入口連通口１１６と、酸化剤ガス出口連通口１０２と、を連通する。

他方のセパレータ４６の電解質膜・電極構造体４４に向かう面と、アノード電極４３の電極触媒層のセパレータ４６に向かう面との間の隙間は、アノード流路（燃料ガス流路）４８として形成される。アノード流路４８は、燃料ガス入口連通口１４６と燃料ガス出口連通口１４８と、を連通する。

アノード電極４３では、燃料ガスが供給されることにより、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンを生じる。該水素イオンは、固体高分子電解質膜４１を透過してカソード電極４２に移動する一方、水素分子から電子が解放される。

水素分子から解放された電子は、負極端子８６からスタックセンサ盤８０及び出力部２０等を通じ、正極端子８８を介してカソード電極４２に移動する。

カソード電極４２では、触媒の作用によって、水素イオン及び電子と、供給された酸化剤ガスに含まれる酸素と、が反応して水が生成される。

積層された複数の発電セル４０での酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により、燃料電池スタック１６の正極端子８８と負極端子８６との間に発電電圧（スタック電圧、出力電圧）Ｖｆｃが発生する。複数の発電セル４０が電気的に直列に接続された燃料電池スタック１６の高電圧の発電電圧Ｖｆｃは、正極導体２００及び負極導体２０２を介してスタックセンサ盤８０の入力端子２０４、２０６に印加される。

正極導体２００及び負極導体２０２は、それぞれ、大容量の電流を通流可能なバスバー等から構成される。

スタックセンサ盤８０の出力端子２０８、２１０間の電圧は、電力変換装置８２の入力端子２１２、２１４間の入力電圧Ｖｐとして、電力変換装置８２に印加される。

図２は、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１６に接続される入力端子２０４、２０６と、電力変換装置８２に接続される出力端子２０８、２１０と、を備えるスタックセンサ盤８０の詳細な回路構成を示す。

図２に示すように、正極導体２００は、燃料電池スタック１６の正極端子８８から電力変換装置８２の入力端子２１２まで配設される。負極導体２０２は、燃料電池スタック１６の負極端子８６から電力変換装置８２の入力端子２１４まで配線される。

正極導体２００中には、パイロヒューズ等の遮断器２２０が配設される。負極導体２０２中には、パイロヒューズ等の遮断器２２４が配設される。

遮断器２２０は、電流を通流するバスバー（導体路）２３４を有する。バスバー２３４は、切断される前は正極導体２００中に接続される。

遮断器２２０は、さらに、パイロアクチュエータ２３２を有する。パイロアクチュエータ２３２は、衝突時等に、制御装置１２等から供給される点火信号Ｓｆに基づき、ガス圧によりピストン２３０を突き出してバスバー２３４を切断する。なお、制御装置１２等は、衝突時の衝撃を図示しない加速度センサ等により検知する。

同様に、遮断器２２４は、電流を通流するバスバー（導体路）２４４を有する。バスバー２４４は、切断される前は、負極導体２０２中に接続される。

遮断器２２４は、さらに、パイロアクチュエータ２４２を有する。パイロアクチュエータ２４２は、衝突時等に、制御装置１２等から供給される点火信号Ｓｆに基づき、ガス圧によりピストン２４０を突き出してバスバー２４４を切断する。

衝突時等に、遮断器２２０、２２４のバスバー２３４、２４４が切断されることで、燃料電池スタック１６と電力変換装置８２との間の電気的接続が、導通状態（接続状態、非遮断状態）から不可逆的な遮断状態になる。

付言すれば、遮断器２２０、２２４は、衝突時等に作動して、燃料電池スタック１６と電力変換装置８２との間の電気的接続（回路）を物理的に遮断する。

図３は、遮断器２２０、２２４が作動して、燃料電池スタック１６と電力変換装置８２との間の電気的接続が遮断状態（バスバー２３４、２４４が切断状態）になっている回路構成を示す。

図２、図３に示すように、スタックセンサ盤８０中、燃料電池スタック１６の近くの正極導体２００と負極導体２０２との間には、電圧センサ９２（第１検出部）が設けられる。二点鎖線で示すように、電圧センサ９２に並列に冗長用のセンサとして電圧センサ９３（第１検出部）が設けられてもよい。電圧センサ９２、９３は、正極端子８８と負極端子８６との間に発生する発電電圧Ｖｆｃを検出（測定）する。

スタックセンサ盤８０中、電力変換装置８２の近くの正極導体２００と負極導体２０２との間には、電圧センサ９４（第２検出部）が設けられる。二点鎖線で示すように、電圧センサ９４に並列に冗長用のセンサとして電圧センサ９５（第２検出部）が設けられてもよい。

電圧センサ９４、９５は、電力変換装置８２の入力端子２１２と入力端子２１４との間の入力電圧Ｖｐを検出（測定）する。この場合、電圧センサ９４、９５は、スタックセンサ盤８０の外側であって、スタックセンサ盤８０の出力端子２０８、２１０と、電力変換装置８２の入力端子２１２、２１４との間に配置してもよい。電圧センサ９４、９５は、電力変換装置８２の入力端子２１２、２１４間に配置してもよい。

図１に戻り、エアポンプ２６は、図示しないポンプ駆動用モータにより駆動される機械式の過給機を含む。

エアポンプ２６は、該過給機により、管路１０６を通じて外部（大気）から吸入口に空気を取り込んで加圧し圧縮空気を生成し吐出口から吐出する。つまり、エアポンプ２６は、加湿器２８に圧縮空気を酸化剤ガスとして供給する機能を有する。

加湿器２８は、流路５２と流路５４とを有する。一方の流路５２には、酸化剤ガス（乾燥した空気）が流通する。他方の流路５４には、湿気を帯びた排出ガスが流通する。湿気を帯びた排出ガスは、燃料電池スタック１６のカソード流路４７から酸化剤ガス出口連通口１０２及び管路１０４を通じて流通する。

加湿器２８は、エアポンプ２６から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有する。すなわち、加湿器２８は、前記排出ガス中に含まれる水分を、流路５２と流路５４との間の多孔質膜（不図示）を介して供給ガス（酸化剤ガス）に移動させる。

エアポンプ２６の吐出口側は、管路１１０、１１２を通じて加湿器２８の流路５２の一端側に連通する。加湿器２８の流路５２の他端側は、管路１１４（酸化剤ガス供給流路）の一端側に連通し、管路１１４の他端側は、酸化剤ガス入口連通口１１６を通じて燃料電池スタック１６内のカソード流路４７に連通する。

加湿器２８の流路５４の吐出口は、管路１１７、１１８を通じて希釈器６６の一方の入口に連通する。

エアポンプ２６の吐出口の管路１１０は、分岐し、分岐した一方は、管路１１２に連通し、分岐した他方は、バイパス管路１２０、バイパス弁１２２を介して管路１１７、１１８に連通する。

水素タンク１８は、電磁作動式の遮断弁（不図示）を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。

前記遮断弁が開放されたときに、水素タンク１８から吐出される燃料ガスは、管路１４０、インジェクタ３０、管路１４２、エジェクタ３２、管路１４４（燃料ガス供給流路）及び燃料ガス入口連通口１４６を通じてアノード流路４８の入口に供給される。

アノード流路４８の出口は、燃料ガス出口連通口１４８及び管路１５０（燃料排ガス路）を通じて気液分離器３４の入口１５１に連通する。これにより、気液分離器３４の入口１５１には、アノード流路４８から水素含有ガスである燃料排ガス（アノードオフガス）が供給さる。

気液分離器３４は、前記燃料排ガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。燃料排ガスの気体成分（燃料排ガス）は、気液分離器３４の気体排出口１５２から排出され、管路１５４を通じてエジェクタ３２に供給される。

エジェクタ３２には、その上流側に設けられたインジェクタ３０から管路１４２を介して燃料ガスが供給される。このため、気液分離器３４を介し管路１５４を通じて供給されている燃料排ガス（前記気体成分）は、エジェクタ３２で吸引され燃料ガスと混合される。燃料ガスと燃料排ガスとの混合ガスは、エジェクタ３２から管路１４４及び燃料ガス入口連通口１４６を通じてアノード流路４８に供給される。

気液分離器３４で分離された燃料排ガスの液体成分は、気液分離器３４の液体排出口１６０から管路１６２、ドレン弁１６４、及び管路１６６を通じ、希釈器６６の他方の入口に供給される。

管路１６６には、ドレン弁１６４から液体成分と共に、一部の燃料排ガスが排出される。この燃料排ガス中の水素ガスを希釈して外部（大気）に排出するために、エアポンプ２６から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス管路１２０、管路１１８を通じて希釈器６６の前記一方の入口に供給されている。

よって、希釈器６６の中で燃料排ガス中の水素ガスが酸化剤ガスにより希釈され、希釈された水素ガスが管路１２４を介して外部（大気）に排出される。

燃料電池システム１４は、さらに、燃料電池スタック１６内に設けられた冷却媒体流路（不図示）に、冷却媒体を供給・排出するための冷却媒体供給流路７４ａ及び冷却媒体排出流路７４ｂを備える。冷却媒体排出流路７４ｂ中の燃料電池スタック１６の近くに温度センサ７６が設けられる。温度センサ７６は、冷却媒体排出流路７４ｂに流れる冷却媒体の温度Ｔｗ［℃］を検出（測定）する。燃料電池スタック１６から排出され冷却媒体排出流路７４ｂを流れる冷却媒体の温度Ｔｗは、燃料電池スタック１６の温度（内部温度）であると推定される。

冷却媒体供給流路７４ａと冷却媒体排出流路７４ｂとの間には、冷却媒体を環流させる循環ポンプ６７及び冷却媒体を冷却するラジエータ（ＲＡＤ）６８が設けられる。ラジエータ６８には、ラジエータ６８を強制冷却するためのファンを設けてもよい。

制御装置１２は、ＣＰＵ（不図示）、記憶部（ＲＯＭとＲＡＭ）、タイマ・カウンタ等を備えるマイクロコンピュータを含んでＥＣＵ（電子制御ユニット）として構成される。

記憶部には、当該燃料電池適用システム１０及び燃料電池システム１４の制御プログラム等が記憶される。

制御装置１２のＣＰＵは、前記制御プログラムに従って演算を実行することで、燃料電池適用システム１０及び燃料電池システム１４の運転制御を行う。

制御装置１２には、燃料電池適用システム１０及び燃料電池システム１４のＯＮ・ＯＦＦ用のパワースイッチ（パワーＳＷ）７０が接続されている。

制御装置１２は、パワースイッチ７０がＯＮ状態になっているときに、各部（各種センサ等）からの検出値に基づき、酸化剤ガス系デバイス２２及び燃料ガス系デバイス２４を構成する各構成要素を駆動制御することで燃料電池システム１４の発電制御を行う。

また、制御装置１２は、パワースイッチ７０がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替えられた再起動時に、遮断器２２０、２２４の作動・非作動状態を検出する。制御装置１２は、２つ以上用いてもよい。

なお、図１に示すように、スタックセンサ盤８０の出力端子２０８、２１０間の電圧（前記入力電圧Ｖｐ）は、双方向性を有する他の電力変換装置３０２の入力端子間にも印加される。該電力変換装置３０２の出力端子（output terminals）は、バッテリ３０４（蓄電器）に接続される。

バッテリ３０４は、スタックセンサ盤８０及び電力変換装置３０２を介して、燃料電池スタック１６の発電電力により充電される。バッテリ３０４は、燃料電池システム１４の補機負荷等に電力を供給する。補機負荷には、制御装置１２、エアポンプ２６、インジェクタ３０、循環ポンプ６７及び空調装置（不図示）等が含まれる。

[動作]
基本的には以上のように構成される燃料電池システム１４を含む燃料電池適用システム１０の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。なお、フローチャートに係るプログラムを実行するのは、制御装置１２のＣＰＵであるが、これをその都度参照するのは繁雑になるので、必要に応じて参照する。

ステップＳ１にて、制御装置１２は、パワースイッチ７０がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移したか否かを判定する。制御装置１２によりＯＮ状態に遷移した（ステップＳ１：ＹＥＳ）ことが検出されると、ステップＳ２にて、制御装置１２は、燃料電池システム（ＦＣＳ）１４を起動する。

起動時に、制御装置１２は、燃料電池スタック１６の目標発電電圧Ｖｔａｒを設定する。目標発電電圧Ｖｔａｒは、燃料電池スタック１６で発電される発電電力が所定値以下となるように設定される。

目標発電電圧Ｖｔａｒは、燃料電池スタック１６の高電位劣化を促進する開放回路電圧ＯＣＶ（以降、開放回路電圧Ｖｏｃｖという。）より充分に低い電圧である。

起動後のアイドリング状態において、バイパス弁１２２は、主にドレン弁１６４を開弁したときに希釈のために開弁される。

ステップＳ２以降、酸化剤ガス系デバイス２２では、バッテリ３０４の電力を動力源として動作を開始するエアポンプ２６から吐出される酸化剤ガスが、管路１１０、１１２、加湿器２８、管路１１４を通じて燃料電池スタック１６の酸化剤ガス入口連通口１１６に供給される。

一方、燃料ガス系デバイス２４では、インジェクタ３０が所定デューティで開弁され、開弁されているとき、高圧の水素タンク１８から管路１４２に燃料ガス（水素ガス）が供給される。この燃料ガスは、管路（循環路）１５４を通じてエジェクタ３２に吸引された燃料排ガスと混合される。燃料排ガスと混合された燃料ガスは、エジェクタ３２を通った後、燃料電池スタック１６の燃料ガス入口連通口１４６に供給される。

燃料電池スタック１６内で、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通口１１６から各発電セル４０のカソード流路４７を介してカソード電極４２に供給される。一方、水素ガスは、燃料ガス入口連通口１４６から各発電セル４０のアノード流路４８を介してアノード電極４３に供給される。従って、各発電セル４０では、カソード電極４２に供給される空気中に含まれる酸素ガスと、アノード電極４３に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応（燃料電池反応）により消費されて発電が行われる。

カソード電極４２に供給されて、酸素が消費された空気からなるカソード排ガス及び反応生成水は、酸化剤ガス出口連通口１０２に排出される。

酸化剤ガス出口連通口１０２から排出されたカソード排ガス及び反応生成水は、管路１０４、流路５４、管路１１７、１１８、希釈器６６及び管路１２４を通じて燃料電池システム１４の外部（大気）に排出される。

一方、アノード電極４３に供給されて消費された水素ガスは、燃料排ガス（一部が消費された燃料ガス）として燃料ガス出口連通口１４８に排出される。

燃料ガス出口連通口１４８から排出された燃料排ガスは、管路１５０を通じて気液分離器３４に導入される。気液分離器３４は、燃料排ガス中の液体成分（液水）を除去する。液体成分（液水）の除去された燃料排ガスは、管路１５４を通じてエジェクタ３２により吸引され燃料電池スタック１６内での発電反応に供される。

燃料電池スタック１６で発電された高電圧の発電電圧Ｖｆｃの電力は、アイドリング時は、スタックセンサ盤８０中の正極導体２００及び負極導体２０２、電力変換装置３０２及びバッテリ３０４を通じてエアポンプ２６等の補機負荷に供給される。

次いで、制御装置１２は、遮断器２２０、２２４の作動の有無を判定する。そのため、まず、ステップＳ３にて、電圧センサ９２で検出されている発電電圧Ｖｆｃと、電圧センサ９４で検出されている入力電圧Ｖｐと、の差電圧（Ｖｆｃ－Ｖｐ）を算出する。算出した差電圧（Ｖｆｃ－Ｖｐ）が、閾値電圧Ｖｔｈを上回っているか否かをステップＳ３にて判定する。

遮断器２２０、２２４が非作動状態（回路導通状態、図２参照）であれば、差電圧（Ｖｆｃ－Ｖｐ）は、ゼロボルトである。遮断器２２０、２２４が作動状態（回路遮断状態、図３参照）であれば、入力電圧Ｖｐはゼロボルトであり、発電電圧Ｖｆｃは、開放回路電圧Ｖｏｃｖまで上昇する。閾値電圧Ｖｔｈは、例えば、目標発電電圧Ｖｔａｒと開放回路電圧Ｖｏｃｖとの間の電圧値に設定する。

ステップＳ３にて、制御装置１２は、差電圧（Ｖｆｃ－Ｖｐ）が閾値電圧Ｖｔｈより低い（ステップＳ３：ＮＯ）場合には、遮断器２２０、２２４が非作動状態（回路導通状態、図２参照）にあると判定する。この場合、制御装置１２は、ステップＳ４にて、燃料電池システム１４を通常起動する。

ステップＳ４の通常起動の完了は、例えば、発電電圧Ｖｆｃが目標発電電圧Ｖｔａｒに到達した時点から、温度センサ７６により測定される冷媒温度Ｔｗに応じて定まる規定時間経過時点までの経過時間で判定される。

一方、ステップＳ３にて、差電圧（Ｖｆｃ－Ｖｐ）が閾値電圧Ｖｔｈより高い（ステップＳ３：ＹＥＳ）と判定した場合には、ステップＳ５に進む。

このステップＳ５にて、遮断器２２０、２２４が作動状態（回路非導通状態）にあると仮定して、遮断器２２０、２２４の遮断状態を意味する遮断フラグＦｆを、Ｆｆ＝１に仮設定する。

次いで、ステップＳ６にて、制御装置１２は、ステップＳ３の判定（ＹＥＳ）が閾値時間（所定時間）Ｔｔｈ（数秒程度）の間、成立しているか（Ｔ＞Ｔｔｈ）否かを判定する。

ステップＳ６の計時判定が成立した（ステップＳ６：ＹＥＳ）とき、ステップＳ７にて、制御装置１２は、遮断器２２０、２２４が作動状態（回路非導通状態、図３参照）にあるとして、遮断器２２０の遮断状態を意味する遮断フラグＦｆを、Ｆｆ＝１に確定する。

確定したとき、ステップＳ８にて、制御装置１２は、エアポンプ２６を停止し、水素タンク１８の遮断弁を閉状態にして、燃料電池システム１４を停止させる。

このように、上記実施形態によれば、パワースイッチ７０のＯＦＦ状態からＯＮ状態への遷移時（再起動時）に、不揮発性メモリを用いずに、制御装置１２が、遮断器２２０、２２４の電気的接続の不可逆的な遮断状態（回路遮断状態）を検出することができる。結果として、不揮発性メモリの容量の逼迫を回避でき、不揮発性メモリに記録されている回路遮断情報のリセット処理も不要にできる。遮断器２２０、２２４自体が誤作動した場合にも、図４に示したフローチャートによる処理を実行することで、回路遮断状態を確実に検出することができる。制御装置１２のプログラムの更新により回路遮断状態を検出することができるので、コストの上昇が抑制される。

［タイムチャート（波形図）による遮断器２２０、２２４の作動・非作動状態の説明］
図５は、図４のフローチャートを参照して説明した燃料電池システム１４を含む燃料電池適用システム１０の動作の一例を説明するタイムチャートである。図５中、特性２５２は、遮断器２２０、２２４が作動状態にあるときの発電電圧Ｖｆｃの起動時特性を示す。特性２５４は、遮断器２２０、２２４が非作動状態にある通常起動時の発電電圧Ｖｆｃの起動時特性を示す。

パワースイッチ７０がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移した時点ｔ０（ステップＳ１対応）で燃料電池システム１４を起動する（ステップＳ２対応）。以降、発電電圧Ｖｆｃと入力電圧Ｖｐとの差電圧（Ｖｆｃ－Ｖｐ）が閾値電圧Ｖｔｈより大きいか否かを判定する（ステップＳ３対応）。

大きい場合（図５中の時点ｔ１）には、遮断器２２０、２２４が作動状態（回路非導通状態）にあると仮定して、遮断器２２０の遮断状態を意味する遮断フラグＦｆを、Ｆｆ＝１に仮設定する（ステップＳ５対応）。

さらに時点ｔ１から所定時間Ｔｔｈが経過する時点ｔ２まで発電電圧Ｖｆｃと入力電圧Ｖｐとの差電圧（Ｖｆｃ－Ｖｐ）が閾値電圧Ｖｔｈより大きいか否かの判定を継続する（ステップＳ６：ＮＯ→ステップＳ３：ＹＥＳ→ステップＳ５→ステップＳ６）。

閾値時間Ｔｔｈの経過時点ｔ２（ステップＳ６：ＹＥＳ）にて、差電圧（Ｖｆｃ－Ｖｐ）が閾値電圧Ｖｔｈより高い場合には、遮断器２２０、２２４が遮断状態になっていると確定し（ステップＳ７対応）、燃料電池システム１４の起動を停止する（ステップＳ８対応）。

［変形例］
上記実施形態は、以下のような変形も可能である。

なお、以下に参照する図面において、上記実施形態と同一構成については、同一の参照符号を付け、異なる部分だけを説明する。

［構成］
図６は、変形例の燃料電池適用システム１０のスタックセンサ盤８０Ａの詳細な回路構成（遮断器２２０、２２４が非作動状態）を示す回路ブロック図である。

図７は、変形例の燃料電池適用システム１０のスタックセンサ盤８０Ａの詳細な回路構成（遮断器２２０、２２４が作動状態）を示す回路ブロック図である。

変形例の燃料電池適用システム１０では、電力変換装置８２の入力端子２１２、２１４の近くの正極導体２００と負極導体２０２との間に、コンデンサ２５０が配置されている。コンデンサ２５０は、比較的に大きな静電容量値を有し、入力電圧Ｖｐ（発電電圧Ｖｆｃが印加されているとき。）を平滑する。また、コンデンサ２５０は、入力電圧Ｖｐに乗る雑音電圧を低減させる。

変形例の燃料電池適用システム１０のスタックセンサ盤８０Ａでは、燃料電池スタック１６の正極端子８８の近くの正極導体２００中に、電流センサ２６０（第１検出部）を挿入する。電流センサ２６０は、正極導体２００を流れる電流、すなわち発電電流Ｉｆｃを検出（測定）する。

変形例の燃料電池適用システム１０のスタックセンサ盤８０Ａでは、電力変換装置８２の入力端子２１２の近くの正極導体２００中に、電流センサ２６２（第２検出部）を挿入する。電流センサ２６２は、正極導体２００を流れる電流、すなわち発電電流Ｉｆｃを電力変換装置８２の入力電流Ｉｐとして検出（測定）する。

なお、電流センサは、負極導体２０２中に挿入配置してもよい。正極導体２００及び負極導体２０２の両方に冗長配置してもよい。

［動作］
図８は、変形例の燃料電池適用システム１０の起動時の動作説明に供されるフローチャートである。この変形例のフローチャートでは、図４のフローチャートに比較して、ステップＳ２とステップＳ３の間にステップＳ２ａの待機時間処理を追加すると共に、ステップＳ３：ＮＯとステップＳ４との間にステップＳ３ａの判定処理を追加している。

衝突後にパワースイッチ７０がＯＦＦ状態にされ、その後、直ちにパワースイッチ７０がＯＮ状態にされるケースを考える。このケースでは、コンデンサ２５０が充電されていたため、コンデンサ２５０には、電荷が蓄積された状態で残っている。

コンデンサ２５０に電荷が蓄積された状態で、コンデンサ２５０の両端に発電電圧Ｖｆｃが残っていることを考える。残っている発電電圧Ｖｆｃを初期電圧Ｖｉｎｔという（Ｖｐ＝Ｖｉｎｔ）。初期電圧Ｖｉｎｔは、開放回路電圧Ｖｏｃｖより低い値になっている（Ｖｉｎｔ＜Ｖｏｃｖ）。

この場合、遮断器２２０、２２４が作動状態（回路遮断状態、図７参照）になっても、電圧センサ９４で検出（測定）される入力電圧Ｖｐは、Ｖｐ≒Ｖｉｎｔと、衝突直前の発電電圧Ｖｆｃに等しい値になる。

従って、ステップＳ３の判定「（Ｖｆｃ－Ｖｐ）＞Ｖｔｈ」は成立しない（ステップＳ３：ＮＯ）。

そこで、ステップＳ２ａにて、制御装置１２は、ステップＳ２の起動開始時点ｔ０から所定時間（待機時間）Ｔｓｔの経過時点ｔ１’まで待つ。この所定時間Ｔｓｔは、以下の第１時間又は第２時間のいずれか長い時間に若干の冗長時間を加算した時間に設定される。第１時間は、遮断器２２０、２２４が作動していない起動開始時に、発電電圧Ｖｆｃがゼロボルトから目標発電電圧Ｖｔａｒまで上昇する時間である。第２時間は、遮断器２２０、２２４が作動している起動開始時に、初期電圧Ｖｉｎｔが充分に小さな所定電圧Ｖｔｈ´まで減少する時間である。

図９は、図５のタイミングチャートに所定時間Ｔｓｔ、初期電圧Ｖｉｎｔ、及び所定電圧Ｖｔｈ´を例示したタイミングチャートである。図９中、特性２５３は、遮断器２２０、２２４が作動状態にあるときの入力電圧Ｖｐが初期電圧Ｖｉｎｔから減少遷移するときの起動時特性を示す。特性２５４は、時点ｔ０´にて、入力電圧Ｖｐが減少傾向から増加傾向になる、遮断器２２０、２２４が非作動状態にあるときの入力電圧Ｖｐの起動時特性を示す。

次いで、ステップＳ３ａにて、制御装置１２は、電流センサ２６０、２６２及び電圧センサ９２、９４で測定されている発電電流Ｉｆｃ、入力電流Ｉｐ、発電電圧Ｖｆｃ及び入力電圧Ｖｐを参照して、次の３条件の同時成立の有無を判定する。
３条件：Ｉｆｃ＝０、Ｉｐ＝０且つ（Ｖｐ＞Ｖｔｈ´）

コンデンサ２５０に蓄積されている電荷は、遮断器２２０、２２４の遮断直後から図７の放電電流Ｉｄの電流経路に示すように、電力変換装置８２の入力抵抗値で自然放電する。自然放電によりコンデンサ２５０の端子間電圧、すなわち、入力電圧Ｖｐは、緩やかに減少する。

従って、遮断器２２０、２２４が遮断状態になった直後では、ステップＳ２ａにて、所定時間Ｔｓｔが経過して、発電電圧Ｖｆｃが目標発電電圧Ｖｔａｒを上回っていたとしても、発電電流Ｉｆｃ及び入力電流Ｉｐは、Ｉｆｃ＝０、Ｉｐ＝０とゼロ値になっているが、入力電圧Ｖｐは、Ｖｐ＞Ｖｔｈ´になっている。つまり、ステップＳ３ａの判定が成立する（ステップＳ３ａ：ＹＥＳ）のでステップＳ３に戻る。

なお、ステップＳ３ａの上記３条件が成立していない場合には、遮断器２２０、２２４が非作動状態にあるとして、ステップＳ４にて、燃料電池システム１４を通常起動する。

ステップＳ３：ＮＯ→ステップＳ３ａ：ＹＥＳ→ステップＳ３を繰り返している途中で、ステップＳ３の判定が成立する（ステップＳ３：ＹＥＳ）。

次いで、ステップＳ５にて、遮断器２２０、２２４が作動状態（回路非導通状態）にあると仮定して、遮断器２２０の遮断状態を意味する遮断フラグＦｆをＦｆ＝１に仮設定する。

以降、ステップＳ６：ＮＯ→ステップＳ３：ＹＥＳ→ステップＳ５を繰り返してステップＳ６が成立したとき、ステップＳ７にて、遮断器２２０、２２４が作動状態（回路非導通状態）にあるとする。この場合、遮断器２２０の遮断状態を意味する遮断フラグＦｆをＦｆ＝１に確定する。次いで、ステップＳ８にて、エアポンプ２６を停止し、水素タンク１８の遮断弁を閉状態にして、燃料電池システム１４を停止させる。

［実施形態及び変形例から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態及び変形例から把握し得る発明について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には、上記実施形態及び変形例で用いた符号を付けているが、該構成要素は、その符号を付けたものに限定されない。

この発明に係る燃料電池システム１４は、燃料電池と、該燃料電池の発電を制御する制御装置１２と、前記燃料電池で発電された電力を負荷の入力用の電力に変換する電力変換装置８２と、前記燃料電池と前記電力変換装置８２との間の電気的接続を不可逆的に遮断可能な遮断器２２０、２２４と、前記燃料電池の出力の電力状態を検出する第１検出部と、前記電力変換装置８２の入力の電力状態を検出する第２検出部と、を備え、前記制御装置１２は、前記第１検出部及び前記第２検出部により検出された電力状態に基づき、前記遮断器２２０、２２４による前記電気的接続の遮断状態を検出する。

この構成により、不揮発性メモリを用いずに、燃料電池と電力変換装置８２との間の電気的接続の不可逆的な遮断状態（回路遮断状態）を、検出することができる。結果として、不揮発性メモリの容量の逼迫を回避でき、不揮発性メモリに記録されている回路遮断情報のリセット処理も不要にできる。遮断器２２０、２２４自体が誤作動した場合にも、回路遮断状態を確実に検出することができる。

また、燃料電池システム１４においては、前記制御装置１２は、該燃料電池システム１４の起動時に、前記遮断器２２０、２２４による前記電気的接続の遮断状態を検出したとき、前記燃料電池システム１４の起動を中止する。

これにより、電気的接続の遮断状態で燃料電池システム１４が通常起動状態に移行することを禁止できる。

さらに、燃料電池システム１４においては、前記制御装置１２は、前記第１検出部により検出された前記電力状態としての前記燃料電池の出力電圧と、前記第２検出部により検出された前記電力状態としての前記電力変換装置８２の入力電圧との差電圧が閾値電圧以上の場合、前記電気的接続状態が遮断状態であると判断してもよい。

これにより、燃料電池の出力電力が電力変換装置８２の入力に供給されていないことを容易に検出できる。

さらにまた、燃料電池システム１４においては、前記電力変換装置８２の入力端子２１２、２１４間にコンデンサ２５０を設け、前記第１検出部を、第１電圧センサ（電圧センサ９２）及び第１電流センサ（電流センサ２６０）により構成し、前記第２検出部を第２電圧センサ（電圧センサ９４）及び第２電流センサ（電流センサ２６２）により構成した場合、制御装置１２は、前記第１電流センサ及び前記第２電流センサのいずれでも、電流の通流を確認できなかったとき、前記第２電圧センサにより検出される前記電力変換装置８２の入力電圧の挙動に基づき、前記遮断器２２０、２２４による前記電気的接続の遮断状態を検出することができる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

１０…燃料電池適用システム １２…制御装置
１４…燃料電池システム １６…燃料電池スタック
２０…出力部 ２２…酸化剤ガス系デバイス
２４…燃料ガス系デバイス ４０…発電セル
７０…パワースイッチ ８０、８０Ａ…スタックセンサ盤
８２…電力変換装置 ８４…負荷
９２、９３、９４、９５…電圧センサ
２００…正極導体 ２０２…負極導体
２２０、２２４…遮断器 ２３４、２４４…バスバー
２３０、２４０…ピストン
２３２、２４２…パイロアクチュエータ
２５０…コンデンサ ２６０、２６２…電流センサ

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   該燃料電池の発電を制御する制御装置と、
   前記燃料電池で発電された電力を負荷の入力用の電力に変換する電力変換装置と、
   前記燃料電池と前記電力変換装置との間の電気的接続を不可逆的に遮断可能な遮断器と、
   前記燃料電池の出力の電力状態を検出する第１検出部と、
   前記電力変換装置の入力の電力状態を検出する第２検出部と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記第１検出部及び前記第２検出部により検出された電力状態に基づき、前記遮断器による前記電気的接続の遮断状態を検出する
   燃料電池システムであって、
   さらに、前記電力変換装置の入力端子間にコンデンサを設け、
   前記第１検出部を、第１電圧センサ及び第１電流センサにより構成し、前記第２検出部を第２電圧センサ及び第２電流センサにより構成した場合、
   前記制御装置は、
   前記第１電流センサ及び前記第２電流センサのいずれでも、電流の通流を確認できなかったとき、前記第２電圧センサにより検出される前記電力変換装置の入力電圧の挙動に基づき、前記遮断器による前記電気的接続の遮断状態を検出する
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   該燃料電池システムの起動時に、前記遮断器による前記電気的接続の遮断状態を検出したとき、前記燃料電池システムの起動を中止する
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記第１検出部により検出された前記電力状態としての前記燃料電池の出力電圧と、前記第２検出部により検出された前記電力状態としての前記電力変換装置の入力電圧との差電圧が閾値電圧以上の場合、前記電気的接続状態が遮断状態であると判断する
   燃料電池システム。

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