JP2010176864A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】スタックの劣化を抑制するために、スタックが高電圧状態にならないようにして、スタックと、ディスチャージ抵抗及び車両負荷との接続を切り替えることができる燃料電池車両を提供すること。
【解決手段】燃料電池車両は、燃料電池コンタクタ６１１，６２１と、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５と、ＥＣＵ８０と、を備える。ＥＣＵ８０は、スタック１０の起動時において、燃料電池コンタクタ６１１，６２１をオンにする前に、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオンにしスタック１０の発電電力をディスチャージ抵抗６５４で消費させる。さらに、ＥＣＵ８０は、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオンにした後、ＶＣＵ５０によりバッテリ４０の出力を所定の電圧まで昇圧してから燃料電池コンタクタ６１１，６２１をオンにし、所定のラップ期間を経た後にディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオフにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。詳しくは、ディスチャージ抵抗を備える燃料電池車両に関する。

近年、動力源として燃料電池を搭載した燃料電池車両が注目されている。燃料電池車両は、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含むエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池車両が注目されている。

ところで、無負荷の状態で、すなわち燃料電池から電流を引き出さない状態で燃料電池に反応ガスを供給し続けると、燃料電池が高電圧状態となってしまう。しかしながら、燃料電池は高電圧状態において劣化するため、できるだけ高電圧状態にならないようにし、劣化を抑制する必要がある。そこで、特許文献１に示されるように、モータなどの自動車の動力を発生するための車両負荷とは別に、余分な負荷としてディスチャージ抵抗を設け、このディスチャージ抵抗と燃料電池とを適宜接続し、燃料電池の発電電力を消費させることにより、燃料電池が高電圧状態になるのを防止している。

特開２００５−２２８７０９号公報

しかしながら、従来では、燃料電池をディスチャージ抵抗に接続した状態から、車両負荷に接続し替える順序については、十分な検討がなされていない。このため、例えば燃料電池からディスチャージ抵抗を遮断した際に、燃料電池が高電圧状態になってしまい、劣化するおそれがある。

本発明は、燃料電池の劣化を抑制するために、燃料電池が高電圧状態にならないようにして、燃料電池と、ディスチャージ抵抗及び車両負荷との接続を切り替えることができる燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池（例えば、後述の燃料電池スタック１０）及び蓄電装置（例えば、後述のバッテリ４０）が並列に接続された負荷（例えば、後述の車両負荷２０）と、前記蓄電装置の出力を昇圧する昇圧装置（例えば、後述のＶＣＵ５０）と、前記蓄電装置から前記燃料電池へ電流が逆流するのを防止する逆流防止ダイオード（例えば、後述の逆流防止ダイオード６１２）と、前記燃料電池と前記負荷とを接続又は遮断する燃料電池コンタクタ（例えば、後述の正極側燃料電池コンタクタ６１１及び負極側燃料電池コンタクタ６２１）と、前記燃料電池と前記燃料電池コンタクタとの間に設けられ、前記燃料電池とディスチャージ抵抗（例えば、後述のディスチャージ抵抗６５４）とを接続又は遮断するディスチャージコンタクタ（例えば、後述の正極側ディスチャージコンタクタ６５２及び負極側ディスチャージコンタクタ６５５）と、前記昇圧装置、前記燃料電池コンタクタ、及び前記ディスチャージコンタクタを制御する制御装置（例えば、後述のＥＣＵ８０，８０Ａ）と、を備える燃料電池車両（例えば、後述の燃料電池車両１，１Ａ）を提供する。前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池コンタクタをオンにする前に、前記ディスチャージコンタクタをオンにし前記燃料電池の発電電力を前記ディスチャージ抵抗で消費させる。さらに、前記制御装置は、前記ディスチャージコンタクタをオンにした後、前記昇圧装置により前記蓄電装置の出力を所定の電圧（例えば、後述の閾値Ｖ２_ＴＨ）まで昇圧してから前記燃料電池コンタクタをオンにし、所定のラップ期間（例えば、後述の図５中の時刻ｔ_５〜ｔ_６の期間）を経た後に前記ディスチャージコンタクタをオフにする。

この発明によれば、燃料電池の起動時には、ディスチャージコンタクタをオンにし、燃料電池の発電電力をディスチャージ抵抗で消費しながら、蓄電装置の出力を所定の電圧まで昇圧する。蓄電装置の出力を昇圧した後には、先ず燃料電池コンタクタをオンにし、所定のラップ期間を経た後に、ディスチャージコンタクタをオフにする。すなわち、燃料電池コンタクタとディスチャージコンタクタとを共にオンにした期間を経た後に、ディスチャージコンタクタをオフにする。
これにより、燃料電池から電流を引き出しながら、燃料電池とディスチャージ抵抗とを遮断することができる。すなわち、ディスチャージコンタクタをオフにした際に、燃料電池から電流が引き出されなくなってしまい、燃料電池が高電圧状態となってしまい劣化するのを防止することができる。

また、昇圧装置により蓄電装置の出力を所定の電圧まで昇圧した後に、燃料電池コンタクタをオンにする。上述のように燃料電池と蓄電装置とを負荷に対し並列に接続したので、蓄電装置の出力を昇圧することにより、燃料電池から引き出される電流を制限することができる。これにより、燃料電池コンタクタをオンにした瞬間に、過電流が流れてしまい、負荷に含まれる平滑コンデンサなどの素子が破損したり、燃料電池が破損したりするのを防止することができる。

この場合、前記燃料電池車両は、前記燃料電池と前記燃料電池コンタクタの間、かつ、前記燃料電池と前記ディスチャージコンタクタとの間に設けられた電流センサ（例えば、後述の電流センサ６２２）をさらに備え、前記制御装置は、前記ディスチャージコンタクタがオフからオンとなってから、前記燃料電池コンタクタがオンとなるまでの間（例えば、後述の図５中の時刻ｔ_２〜ｔ_６の期間）に、前記燃料電池で発電を行っているにもかかわらず前記電流センサの検出値が略「０」となった場合には、故障が発生したと判定することが好ましい。

この発明によれば、ディスチャージコンタクタがオフからオンとなってから、燃料電池コンタクタがオンとなるまでの間、燃料電池で発電を行っているにもかかわらず電流センサの検出値が略「０」となった場合には、故障が発生したと判定する。これにより、上述のラップ期間が無くなるような不具合が生じたことを検知することができる。すなわち、ディスチャージ抵抗と燃料電池とが遮断された状態で燃料電池コンタクタがオンにされ、過電流が流れてしまい、負荷に含まれる平滑コンデンサなどの素子が破損したり、燃料電池が破損したりするのを防止することができる。

この場合、前記ディスチャージコンタクタは、前記ディスチャージ抵抗に対し直列に接続された２つのコンタクタで構成されることが好ましい。

この発明によれば、２つのコンタクタのうち一方がオン故障した場合であっても、他方のコンタクタをオフにすることで、コンタクタの故障により常時ディスチャージ抵抗に通電することを防止することができる。結果として、ディスチャージ抵抗には、１つのコンタクタを用いた場合と比較して、短時間定格の抵抗器を用いることができるため、小型化できる。

この場合、前記蓄電装置と車両補機（例えば、後述の車両補機９０）とを接続又は遮断する補機コンタクタ（例えば、後述の正極側補機コンタクタ９１及び負極側補機コンタクタ９２）をさらに備え、前記車両補機は、前記ディスチャージ抵抗として前記ディスチャージコンタクタを介して前記燃料電池に接続され、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池コンタクタをオンにする前に、前記ディスチャージコンタクタをオンにし前記燃料電池の発電電力を前記車両補機で消費させることが好ましい。

この発明によれば、車両補機をディスチャージ抵抗として用い、燃料電池の起動時には、ディスチャージコンタクタをオンにし、燃料電池の発電電力を車両補機で消費する。これにより、専用のディスチャージ抵抗を車両補機とは別に設ける必要がなくなるため、燃料電池車両を軽量かつ小型なものにできる。

この場合、前記制御装置は、前記燃料電池の発電電力を前記車両補機で消費させている間において、前記車両補機に要求される電力が所定値を超える場合には、前記ディスチャージコンタクタと前記補機コンタクタとを選択的にオン又はオフにするスイッチング制御を行うことが好ましい。

この発明によれば、車両補機に要求される電力が所定値を超える場合には、前記ディスチャージコンタクタと補機コンタクタとを選択的にオン又はオフにするスイッチング制御が行われる。このようなスイッチング制御を行うことにより、車両補機に要求される電力を燃料電池と蓄電装置でまかないつつ、燃料電池から過度の電力が取り出され、燃料電池が劣化するのを防止することができる。

本発明によれば、燃料電池から電流を引き出しながら、燃料電池とディスチャージ抵抗とを遮断することができる。すなわち、ディスチャージコンタクタをオフにした際に、燃料電池から電流が引き出されなくなってしまい、燃料電池が高電圧状態となり劣化してしまうのを防止することができる。また、燃料電池コンタクタをオンにした瞬間に、過電流が流れてしまい、負荷に含まれる平滑コンデンサなどの素子が破損したり、燃料電池が破損したりするのを防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池車両の構成を示すブロック図である。 上記実施形態に係る起動処理の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係るディスチャージ回路の故障を検知する処理の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る急速ディスチャージ処理の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係る起動処理の一例を示すタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池車両の構成を示すブロック図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池車両１の構成を示すブロック図である。
燃料電池車両１は、燃料電池スタック１０と、車両負荷２０と、反応ガス供給装置３０と、バッテリ４０と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）」という）８０と、を含んで構成される。

燃料電池スタック（以下、「スタック」という）１０は、例えば、数十個から数百個の燃料電池セルが積層されたスタック構造であり、スタック接続回路６０を介して車両負荷２０に接続されている。各燃料電池セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。このスタック１０は、アノード電極側に水素ガスが供給され、カソード電極側に酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。

反応ガス供給装置３０は、水素ガスやエアなどで構成される反応ガスをスタック１０に供給する。より具体的には、水素タンクを備えスタック１０に水素ガスを供給する水素供給装置３１と、エアポンプを備えスタック１０にエアを供給するエア供給装置３２と、を含んで構成される。
反応ガス供給装置３０からスタック１０に供給される水素ガスやエアの供給量は、ＥＣＵ８０から入力される制御信号に基づいて制御される。

車両負荷２０は、図示しない車輪を駆動する駆動モータ及びそのインバータや、各種補機など、車両の走行にかかる電気負荷を含んで構成される。図１に示すように、この車両負荷２０には、スタック１０及びバッテリ４０が並列に接続されている。

スタック接続回路６０は、スタック１０の正極側端子と車両負荷２０の正極側端子とを接続する正極側電力供給線６１と、スタック１０の負極側端子と車両負荷２０の負極側端子とを負極側電力供給線６２と、を含んで構成される。

正極側電力供給線６１には、スタック１０側から車両負荷２０側へ向かって順に、正極側燃料電池コンタクタ６１１と、逆流防止ダイオード６１２と、が設けられている。
負極側電力供給線６２には、負極側燃料電池コンタクタ６２１が設けられている。

正極側燃料電池コンタクタ６１１及び負極側燃料電池コンタクタ６２１は、それぞれ、機械接点と、この接点を開閉する駆動コイルとを備えた電磁スイッチである。これら燃料電池コンタクタ６１１，６２１は、ＥＣＵ８０からの制御信号に基づいて動作し、スタック１０と車両負荷２０とを接続又は遮断する。スタック１０と車両負荷２０とを接続する場合、これら燃料電池コンタクタ６１１，６２１を共にオンにする。

逆流防止ダイオード６１２は、バッテリ４０及び車両負荷２０からスタック１０へ電流が逆流するのを防止する。

また、これら電力供給線６１，６２のうち、スタック１０と燃料電池コンタクタ６１１，６２１との間には、スタック１０の電力を放電させるディスチャージ回路６５が設けられている。

ディスチャージ回路６５は、正極側電力供給線６１と負極側電力供給線６２とを接続する。このディスチャージ回路６５は、正極側電力供給線６１から負極側電力供給線６２へ向かって順に、電流ヒューズ６５１と、正極側ディスチャージコンタクタ６５２と、温度ヒューズ６５３と、ディスチャージ抵抗６５４と、負極側ディスチャージコンタクタ６５５とを直列に接続して構成される。

ディスチャージ抵抗６５４は、上述の車両負荷２０とは別に設けられた放電抵抗である。スタック１０とディスチャージ抵抗６５４を接続することにより、スタック１０で発電した電力をディスチャージ抵抗６５４でジュール熱として消費させることができる。

正極側ディスチャージコンタクタ６５２及び負極側ディスチャージコンタクタ６５５は、それぞれ、機械接点と、この接点を開閉する駆動コイルとを備えた電磁スイッチである。これらディスチャージコンタクタ６５２，６５５は、ＥＣＵ８０からの制御信号に基づいて動作し、スタック１０とディスチャージ抵抗６５４とを接続又は遮断する。

スタック１０とディスチャージ抵抗６５４とを接続する場合には、これらディスチャージコンタクタ６５２，６５５を共にオンにする。
また、スタック１０とディスチャージ抵抗６５４とを遮断する場合には、これらディスチャージコンタクタ６５２，６５５を共にオフにする。

このように、ディスチャージ抵抗６５４に直列に接続された２つのコンタクタ６５２，６５５で、スタック１０とディスチャージ抵抗６５４とを断続制御することにより、１つのコンタクタで断続制御を行う場合と比較して、ディスチャージ抵抗６５４として小型で安価なものを用いることができる。
例えば、１つのコンタクタでスタック１０とディスチャージ抵抗６５４との断続制御を行う場合、このコンタクタがオン故障することを想定して、ディスチャージ抵抗６５４としては所定の時間定格の仕様の抵抗素子を準備する必要がある。これに対して、２つのコンタクタ６５２，６５５を用いた本実施形態では、どちらかのコンタクタがオン故障した場合であっても、残りのコンタクタをオフにすることで、スタック１０とディスチャージ抵抗６５４とを確実に遮断することができる。したがって、ディスチャージ抵抗６５４としては上述の１つのコンタクタを用いた場合よりも、より短い時間定格の仕様の抵抗素子を用いても、同程度の安全性を確保することができる。

電流ヒューズ６５１及び温度ヒューズ６５３は、ディスチャージ回路６５の回路素子を保護するヒューズである。
電流ヒューズ６５１は、所定の定格電流を超える電流が流れ続けるとディスチャージ回路６５を切断し、ディスチャージ抵抗６５４及びディスチャージコンタクタ６５２，６５５に過電流が流れ続けるのを防止する。
温度ヒューズ６５３は、ディスチャージ抵抗６５４に接して設けられ、ディスチャージ抵抗６５４とほぼ等しい温度に保たれる。この温度ヒューズ６５３は、所定の定格温度を超えた状態が続くとディスチャージ回路６５を切断し、ディスチャージ抵抗６５４が過昇温するのを防止する。

負極側電力供給線６２のうち、スタック１０と負極側燃料電池コンタクタ６２１の間、かつ、スタック１０と負極側ディスチャージコンタクタ６５５との間には、電流センサ６２２が設けられている。この電流センサ６２２は、負極側電力供給線６２を流通するスタック１０の出力電流Ｉ_ＦＣを検出し、検出値に略比例した検出信号をＥＣＵ８０に出力する。

特にここで、上述のような位置に電流センサ６２２を設けることにより、燃料電池コンタクタ６１１，６２１をオンにした通常走行時におけるスタック１０の出力電流Ｉ_ＦＣと、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオンにしたディスチャージ時におけるスタック１０の出力電流Ｉ_ＦＣとを、１つのセンサで監視することができる。

バッテリ４０は、車両の制動時における回生電力や、スタック１０で発電した電力を蓄電しておき、直流電力を出力する。このバッテリ４０は、リレー回路７０と、昇圧装置（以下、「ＶＣＵ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）という」）５０とを介して、車両負荷２０に接続されている。

ＶＣＵ５０は、バッテリ４０の出力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータを備える。ＶＣＵ５０の正極側入力端子は、リレー回路７０を介してバッテリ４０の正極側端子に接続され、ＶＣＵ５０の負極側入力端子は、リレー回路７０を介してバッテリ４０の負極側端子に接続される。ＶＣＵ５０の正極側出力端子は、正極側電力供給線６１のうち車両負荷２０と逆流防止ダイオード６１２との間に接続され、ＶＣＵ５０の負極側出力端子は、負極側電力供給線６２のうち車両負荷２０と負極側燃料電池コンタクタ６２１との間に接続される。

ＶＣＵ５０は、ＥＣＵ８０からの制御信号に基づいて動作し、バッテリ４０の端子電圧Ｖ１を昇圧し、出力電圧Ｖ２を出力端子に出力する。上述のように、スタック１０及びバッテリ４０は、車両負荷に対し並列に接続されている。したがって、このＶＣＵ５０で、スタック１０の出力電圧Ｖ_ＦＣと出力電圧Ｖ２との相対的な電位差を制御することにより、スタック１０の出力電流Ｉ_ＦＣを制御することができる。

リレー回路７０は、バッテリ４０の正極側端子とＶＣＵ５０の正極側入力端子とを接続又は遮断する正極側バッテリコンタクタ７１及びプリチャージコンタクタ７３と、バッテリ４０の負極側端子とＶＣＵ５０の負極側入力端子とを接続又は遮断する負極側バッテリコンタクタ７２と、プリチャージコンタクタ７３に直列に接続された抵抗７４と、を備える。また、プリチャージコンタクタ７３及び抵抗７４は、正極側バッテリコンタクタ７１をバイパスするように、この正極側バッテリコンタクタ７１に対し並列に設けられる。

これらバッテリコンタクタ７１，７２及びプリチャージコンタクタ７３は、それぞれ、機械接点と、この接点を開閉する駆動コイルとを備えた電磁スイッチである。これらコンタクタ７１，７２，７３は、ＥＣＵ８０からの制御信号に基づいて動作し、バッテリ４０とＶＣＵ５０とを接続又は遮断する。

バッテリ４０とＶＣＵ５０とを接続する場合、負極側バッテリコンタクタ７２をオンにし、かつ、正極側バッテリコンタクタ７１及びプリチャージコンタクタ７３の何れかをオンにする。より具体的には、ＶＣＵ５０及び車両負荷２０に含まれる平滑コンデンサを充電するプリチャージを行う場合には、抵抗７４が直列に接続されたプリチャージコンタクタ７３をオンにする。また、このプリチャージが完了した後は、正極側バッテリコンタクタ７１をオンにする。
また、バッテリ４０とＶＣＵ５０とを遮断する場合には、全てのコンタクタ７１，７２，７３をオフにする。

ＥＣＵ８０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ８０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、反応ガス供給装置３０、ＶＣＵ５０、燃料電池コンタクタ６１１，６２１、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５、バッテリコンタクタ７１，７２、及びプリチャージコンタクタ７３などに制御信号を出力し、これらを制御する出力回路と、を備える。

また、このＥＣＵ８０には、図示しないイグニッションスイッチが接続されている。イグニッションスイッチは、燃料電池車両１の運転席に設けられており、運転者の操作に応じて、車両の起動、又は、車両の停止を指令する信号をＥＣＵ８０に出力する。

次に、図２及び図３を参照して本実施形態に係るスタックの起動処理の手順について詳細に説明する。
図２は、起動処理の手順を示すフローチャートである。この起動処理は、イグニッションスイッチをオンにしたことに応じて、ＥＣＵ８０により実行される。なお、この起動処理を開始する時点では、全てのコンタクタはオフにされ、また後述の故障検知許可フラグ及び故障確定フラグは「０」にセットされている。

ステップＳ１では、スタックのディスチャージが必要であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２に移り、ＮＯの場合にはステップＳ４に移る。より具体的には、前回イグニッションスイッチをオフにしスタックによる発電を停止してから、今回イグニッションスイッチをオンにしスタックを起動するまでのソーク時間を計測しておき、このソーク時間が所定の判定時間よりも短い場合にはスタックのディスチャージを行う必要は無いと判別する。また、ソーク時間が上述の判定時間以上である場合には、スタックの内部がＮ_２置換されており、スタックのディスチャージを行う必要があると判別する。

ステップＳ２では、ディスチャージコンタクタをオンにし、ステップＳ３に移る。より具体的には、２つのディスチャージコンタクタ６５２，６５５（図１参照）を共にオンにし、スタックとディスチャージ抵抗を接続する。

ステップＳ３では、故障検知許可フラグを「１」にし、ステップＳ４に移る。この故障検知許可フラグは、後述の図３に示す故障検知処理の実行を許可することを示すフラグである。なお、この故障検知許可フラグは、後述のステップＳ１１において「０」に戻される。

ステップＳ４では、ＶＣＵ及び車両負荷のプリチャージを実行するとともに、スタックの起動を開始し、ステップＳ５に移る。より具体的には、上述のように正極側バッテリコンタクタ７１をオフにしたまま、負極側バッテリコンタクタ７２及びプリチャージコンタクタ７３をオンにすることにより、プリチャージを実行する（図１参照）。また、このステップＳ４では、スタックへの反応ガスの供給を開始することにより、スタックの起動を開始する。

ステップＳ５では、バッテリコンタクタをオンにし、ステップＳ６に移る。より具体的には、プリチャージが完了したことに伴い、プリチャージコンタクタ７３をオフにするとともに、正極側バッテリコンタクタ７１及び負極側バッテリコンタクタ７２をオンにする。

ステップＳ６では、ＶＣＵによるバッテリの出力の昇圧制御を開始し、ステップＳ７に移る。

ステップＳ７では、スタックの起動が完了し、かつ、ＶＣＵによるバッテリの出力の昇圧制御が完了したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１０に移り、ＮＯの場合にはステップＳ８に移る。
スタックの起動が完了したか否かは、例えば、スタックの出力電圧Ｖ_ＦＣが所定の起動判定値Ｖ_ＯＣＶより大きくなったか否かによって判別することができる。この他、例えば、上述のステップＳ４において反応ガスの供給を開始してから、所定の時間が経過したか否かによって判別することもできる。

また、ＶＣＵによるバッテリの出力の昇圧制御が完了したか否かは、ＶＣＵの出力電圧Ｖ２が所定の閾値Ｖ２_ＴＨより大きくなったか否かによって判別することができる。ここで、閾値Ｖ２_ＴＨは、例えば、起動判定値Ｖ_ＯＣＶよりもやや小さな値に設定される。これにより、スタックの出力電圧Ｖ_ＦＣとＶＣＵの出力電圧Ｖ２との電位差を小さくし、後述のステップＳ１０において燃料電池コンタクタをオンにした際に、車両負荷に過電流が流れるのを防止することができる。

ステップＳ８では、ディスチャージ抵抗の通電時間が所定の許容時間内であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ７に移り、ＮＯの場合にはステップＳ９に移る。この許容時間は、ディスチャージ抵抗を保護できるように、その定格に応じて適宜設定される。

ステップＳ９では、ディスチャージ抵抗の通電時間が許容時間を超えたと判別されたことに応じて、ディスチャージコンタクタをオフにし、スタックとディスチャージ抵抗とを遮断し、ステップＳ７に移る。

ステップＳ１０では、燃料電池コンタクタをオンにし、ステップＳ１１に移る。より具体的には、正極側燃料電池コンタクタ６１１及び負極側燃料電池コンタクタ６２１を共にオンにする。

ステップＳ１１では、故障検知許可フラグを「０」に戻し、ステップＳ１２に移る。
ステップＳ１２では、ディスチャージコンタクタがオンであるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１３に移り、ＮＯの場合にはこの起動処理を終了する。

ステップＳ１３では、ディスチャージコンタクタをオフにし、この起動処理を終了する。

図３は、ディスチャージ回路の故障を検知する処理の手順を示すフローチャートである。この故障検知処理は、イグニッションをオンにした後、ＥＣＵ８０により所定の周期で実行される割り込み処理である。

ステップＳ２１では、故障検知許可フラグが「１」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２２に移り、ＮＯの場合にはこの処理を終了する。

ステップＳ２２では、スタックに反応ガスを供給し、発電を行っているか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２３に移り、ＮＯの場合にはこの処理を終了する。

ステップＳ２３では、電流センサの検出値Ｉ_ＦＣが略「０」であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ２４に移り、ＮＯの場合にはこの処理を終了する。上述のように、故障検知許可フラグは、図２のステップＳ２においてディスチャージコンタクタをオンにしてから、ステップＳ１０において燃料電池コンタクタをオンにするまでの間、「１」にされる。また、このようにディスチャージコンタクタがオンになった状態で反応ガスを供給すると、ディスチャージ回路が故障していなければ、電流センサの検出値Ｉ_ＦＣは、「０」より大きな値を示すと考えられる。

ステップＳ２４では、電流センサの検出値Ｉ_ＦＣが略「０」であると判別されたことに応じて、ディスチャージ回路に故障が発生したと判定し、故障確定フラグを「１」にする。この故障確定フラグは、ディスチャージ回路に故障が発生したことを示すフラグである。

次に、図４を参照して、急速ディスチャージ処理の手順について説明する。
図４は、急速ディスチャージ処理の手順を示すフローチャートである。この急速ディスチャージ処理は、通常走行中に車両が衝突した場合に、ＥＣＵ８０により実行される割り込み処理である。この急速ディスチャージ処理は、通常走行中に車両が衝突した場合に、スタックに蓄積されたエネルギーをディスチャージ抵抗で放電することで、より安全を確保するための処理である。なお、この処理は通常走行時における割り込み処理であるので、この処理が実行される時点では、燃料電池コンタクタはオンとなっており、ディスチャージコンタクタはオフとなっている。

ステップＳ３１では、ディスチャージコンタクタをオフからオンにし、ステップＳ３２に移る。
ステップＳ３２では、燃料電池コンタクタをオンからオフにし、ステップＳ３３に移る。
ステップＳ３３では、ディスチャージコンタクタを再びオフにし、この処理を終了する。

次に、図５を参照して、上述の起動処理の一例について説明する。
図５は、起動処理の一例を示すタイムチャートである。

先ず、時刻ｔ_０において、イグニッションスイッチがオンにされ、これにより車両の起動処理が開始する。
時刻ｔ_１において、スタックのディスチャージが必要であると判別されたことに応じて、ディスチャージコンタクタがオンにされる（図２のステップＳ１，Ｓ２参照）。

時刻ｔ_２では、ＶＣＵ及び車両負荷に備えられた平滑コンデンサのプリチャージを開始する（図２のステップＳ４参照）。なお、このプリチャージは、時刻ｔ_２から時刻ｔ_４まで実行される。ここで、図５に示すように、プリチャージを開始することにより、時刻ｔ_２から時刻ｔ_４にかけて、ＶＣＵより車両負荷側の出力電圧Ｖ２は上昇し、所定値に漸近的に収束する。

時刻ｔ_３では、反応ガスの供給が開始される（図２のステップＳ４参照）。ここで、図５に示すように、反応ガスの供給を開始することにより、スタックで発電が開始し、スタックの出力電圧Ｖ_ＦＣが上昇し始める。またこの時、上述のようにディスチャージコンタクタをオンにしているので、ディスチャージ抵抗に電流が流通するとともに、電流センサの検出値Ｉ_ＦＣも上昇し始める。

時刻ｔ_４では、プリチャージが完了したことに応じて、バッテリコンタクタがオンにされるとともに、ＶＣＵによるバッテリの出力の昇圧制御が実行される（図２のステップＳ５，Ｓ６参照）。これに伴い、時刻ｔ_４から時刻ｔ_５にかけて、ＶＣＵの出力電圧Ｖ２が上昇する。

時刻ｔ_５では、スタックの出力電圧Ｖ_ＦＣが所定の起動判定値Ｖ_ＯＣＶよりも大きくなり、かつ、ＶＣＵの出力電圧Ｖ２が所定の閾値Ｖ２_ＴＨよりも大きくなったと判別されたことに応じて、燃料電池コンタクタがオンにされる（図２のステップＳ７，Ｓ１０参照）。
上述のように、閾値Ｖ２_ＴＨは、起動判定値Ｖ_ＯＣＶよりもやや小さな値に設定される。これにより、時刻ｔ_５において燃料電池コンタクタをオンにした際に、過電流が流れるのを防止することができる。

ここで、図５中の、時刻ｔ_３〜時刻ｔ_５の故障判定期間とは、ディスチャージコンタクタをオンにしてから燃料電池コンタクタをオンにするまでの間であり、かつ、反応ガスを供給してスタックで発電を行っている期間である。この故障判定期間において、電流センサの検出値Ｉ_ＦＣが略「０」となった場合には、ディスチャージ回路に故障が発生したと判定される（図３のステップＳ２３，Ｓ２４参照）。

時刻ｔ_５において燃料電池コンタクタをオンにされ、所定のラップ期間を経た後、時刻ｔ_６では、ディスチャージコンタクタがオフにされる（図２のステップＳ１３参照）。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）本実施形態によれば、スタック１０の起動時には、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオンにし、スタック１０の発電電力をディスチャージ抵抗６５４で消費しながら、バッテリ４０の出力を所定の電圧まで昇圧する。バッテリ４０の出力を昇圧した後には、先ず燃料電池コンタクタ６１１，６２１をオンにし、所定のラップ期間を経た後に、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオフにする。すなわち、燃料電池コンタクタ６１１，６２１とディスチャージコンタクタ６５２，６５５とを共にオンにした期間を経た後に、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオフにする。
これにより、スタック１０から電流を引き出しながら、スタック１０とディスチャージ抵抗６５４とを遮断することができる。すなわち、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオフにした際に、スタック１０から電流が引き出されなくなってしまい、スタック１０が高電圧状態となってしまい劣化するのを防止することができる。

また、ＶＣＵ５０によりバッテリ４０の出力を所定の電圧まで昇圧した後に、燃料電池コンタクタ６１１，６２１をオンにする。上述のようにスタック１０とバッテリ４０とを車両負荷２０に対し並列に接続したので、バッテリ４０の出力を昇圧することにより、スタック１０から引き出される電流を制限することができる。これにより、燃料電池コンタクタ６１１，６２１をオンにした瞬間に、過電流が流れてしまい、車両負荷２０に含まれる平滑コンデンサなどの素子が破損したり、スタック１０が破損したりするのを防止することができる。

（２）本実施形態によれば、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５がオフからオンとなってから、燃料電池コンタクタ６１１，６２１がオンとなるまでの間、スタック１０で発電を行っているにもかかわらず電流センサ６２２の検出値Ｉ_ＦＣが略「０」となった場合には、ディスチャージ回路に故障が発生したと判定する。これにより、上述のラップ期間が無くなるような不具合が生じたことを検知することができる。すなわち、ディスチャージ抵抗６５４とスタック１０とが遮断された状態で燃料電池コンタクタ６１１，６２１がオンにされ、過電流が流れてしまい、車両負荷２０に含まれる平滑コンデンサなどの素子が破損したり、スタックが破損したりするのを防止することができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について、図６を参照して説明する。
以下の第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。

図６は、本実施形態に係る燃料電池車両１Ａの構成を示すブロック図である。
燃料電池車両１Ａは、スタック接続回路６０Ａ及びＥＣＵ８０Ａの構成が第１実施形態の燃料電池車両１と異なる。より具体的には、図６に示すように、スタック１０の電力を放電させるディスチャージ抵抗として車両補機９０が正極側ディスチャージコンタクタ６５２及び負極側ディスチャージコンタクタ６５５を介してスタック１０に接続されている。すなわち、本実施形態の燃料電池車両１Ａは、第１実施形態の燃料電池車両１と異なり、スタック１０で発電した電力を消費するためだけの専用のディスチャージ抵抗６５４を備えない。

車両補機９０は、暖房ヒータを含んでおり、スタック１０の電力が供給されることで、燃料電池車両１Ａの車内を暖めることができる。また、この車両補機９０は、正極側補機コンタクタ９１及び負極側補機コンタクタ９２を介してバッテリ４０の正極側端子及び負極側端子に接続されており、バッテリ４０の電力を供給することで駆動することもできる。

正極側補機コンタクタ９１及び負極側補機コンタクタ９２は、それぞれ、機械接点と、この接点を開閉する駆動コイルとを備えた電磁スイッチである。これら補機コンタクタ９１，９２は、ＥＣＵ８０Ａからの制御信号に基づいて動作し、バッテリ４０と車両補機９０とを接続又は遮断する。

次に、本実施形態に係るスタックの起動処理について詳細に説明する。
本実施形態の起動処理は、図２及び図３に示す起動処理と、基本的には同じである。すなわち、スタック１０の起動時において、燃料電池コンタクタ６１１，６２１をオンにする前に、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオンにし、スタック１０の発電電力を車両補機９０で消費することにより、燃料電池車両１Ａの車内を暖めることができる。

ここで、本実施形態の起動処理では、スタック１０の発電電力を車両補機９０で消費させている間において、車両補機９０に要求される電力が、所定値を超える場合には、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５と補機コンタクタ９１，９２とを選択的にオン又はオフにするスイッチング制御を実行する。このスイッチング制御とは、より具体的には、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオンにしかつ補機コンタクタ９１，９２をオフにした状態と、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオフにしかつ補機コンタクタ９１，９２をオンにした状態とを、交互に繰り返す制御をいう。

また、上記所定値は、スタック１０の起動時において、スタック１０から取り出される電力の上限値に相当する。すなわち、上記所定値は、スタック１０の起動時において、スタック１０から過度な電力が取り出されることで、スタック１０が劣化するのを防止することを目的として設定される。このようなスイッチング制御を行うことにより、車両補機９０においてスタック１０の発電電力を上記上限値以下で消費しつつ、電力の不足分をバッテリ４０で補うことができる。

本実施形態によれば、以下の効果がある。
（３）本実施形態によれば、車両補機９０をディスチャージ抵抗として用い、スタック１０の起動時には、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５をオンにし、スタック１０の発電電力を車両補機９０で消費する。これにより、専用のディスチャージ抵抗を車両補機９０とは別に設ける必要がなくなるため、燃料電池車両１Ａを軽量かつ小型なものにできる。

（４）本実施形態によれば、車両補機９０に要求される電力が所定値を超える場合には、ディスチャージコンタクタ６５２，６５５と補機コンタクタ９１，９２とを選択的にオン又はオフにするスイッチング制御が行われる。このようなスイッチング制御を行うことにより、車両補機９０に要求される電力をスタック１０とバッテリ４０でまかないつつ、スタック１０から過度の電力が取り出され、スタック１０が劣化するのを防止することができる。

（５）ところで、暖房ヒータは、外気温度が高い夏場には使用されることが少ない。このため、夏場に暖房ヒータに故障が発生しても、運転者がこれに気付くことが少ない。しかしながら、本実施形態では、車両補機９０の暖房ヒータをディスチャージ抵抗として用いるので、スタック１０を起動するたびに暖房ヒータに通電する。このため、使用頻度の低い夏場であっても、暖房ヒータの故障を検知することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。

１，１Ａ…燃料電池車両
１０…燃料電池スタック（燃料電池）
２０…車両負荷（負荷）
３０…反応ガス供給装置
４０…バッテリ（蓄電装置）
５０…ＶＣＵ（昇圧装置）
６０，６０Ａ…スタック接続回路
６１１…正極側燃料電池コンタクタ（燃料電池コンタクタ）
６１２…逆流防止ダイオード（逆流防止ダイオード）
６２１…負極側燃料電池コンタクタ（燃料電池コンタクタ）
６２２…電流センサ（電流センサ）
６５，６５Ａ…ディスチャージ回路
６５２…正極側ディスチャージコンタクタ（ディスチャージコンタクタ）
６５４…ディスチャージ抵抗
６５５…負極側ディスチャージコンタクタ（ディスチャージコンタクタ）
８０，８０Ａ…ＥＣＵ（制御装置）
９０…車両補機
９１…正極側補機コンタクタ（補機コンタクタ）
９２…負極側補機コンタクタ（補機コンタクタ）

Claims (5)

1. 燃料電池及び蓄電装置が並列に接続された負荷と、
   前記蓄電装置の出力を昇圧する昇圧装置と、
   前記蓄電装置から前記燃料電池へ電流が逆流するのを防止する逆流防止ダイオードと、
   前記燃料電池と前記負荷とを接続又は遮断する燃料電池コンタクタと、
   前記燃料電池と前記燃料電池コンタクタとの間に設けられ、前記燃料電池とディスチャージ抵抗とを接続又は遮断するディスチャージコンタクタと、
   前記昇圧装置、前記燃料電池コンタクタ、及び前記ディスチャージコンタクタを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池コンタクタをオンにする前に、前記ディスチャージコンタクタをオンにし前記燃料電池の発電電力を前記ディスチャージ抵抗で消費させる燃料電池車両であって、
   前記制御装置は、前記ディスチャージコンタクタをオンにした後、前記昇圧装置により前記蓄電装置の出力を所定の電圧まで昇圧してから前記燃料電池コンタクタをオンにし、所定のラップ期間を経た後に前記ディスチャージコンタクタをオフにすることを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記燃料電池と前記燃料電池コンタクタの間、かつ、前記燃料電池と前記ディスチャージコンタクタとの間に設けられた電流センサをさらに備え、
   前記制御装置は、前記ディスチャージコンタクタがオフからオンとなってから、前記燃料電池コンタクタがオンとなるまでの間に、前記燃料電池で発電を行っているにもかかわらず前記電流センサの検出値が略「０」となった場合には、故障が発生したと判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記ディスチャージコンタクタは、前記ディスチャージ抵抗に対し直列に接続された２つのコンタクタで構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池車両。
4. 前記蓄電装置と車両補機とを接続又は遮断する補機コンタクタをさらに備え、
   前記車両補機は、前記ディスチャージ抵抗として前記ディスチャージコンタクタを介して前記燃料電池に接続され、
   前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において、前記燃料電池コンタクタをオンにする前に、前記ディスチャージコンタクタをオンにし前記燃料電池の発電電力を前記車両補機で消費させることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池車両。
5. 前記制御装置は、前記燃料電池の発電電力を前記車両補機で消費させている間において、前記車両補機に要求される電力が所定値を超える場合には、前記ディスチャージコンタクタと前記補機コンタクタとを選択的にオン又はオフにするスイッチング制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両。

Images