燃料電池システム
【課題】燃料電池の出力電圧を検知することができなくなった場合でも、適切なフェールセーフ制御を実現することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とバッテリ１２０に負荷装置１３０が接続されたものであり、それぞれにＦＣコンバータ１５０、バッテリコンバータ１８０、及び負荷インバータ１４０が接続されている。また、ＦＣコンバータ１５０の一次側及び二次側には電圧センサ１１，１２が、負荷インバータ１４０の一次側には電圧センサ１３が、バッテリコンバータ１８０の一次側及び二次側には電圧センサ１４，１５が設けられている。そして、コントローラ１６０は、電圧センサ１１の故障時に、電圧センサ１２，１３からの電圧検知信号を用いて燃料電池１１０の出力電圧を推定し、それに基づいてバッテリ１２０駆動に切り替えることなる定常的な電圧制御を実行する。
【解決手段】ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とバッテリ１２０に負荷装置１３０が接続されたものであり、それぞれにＦＣコンバータ１５０、バッテリコンバータ１８０、及び負荷インバータ１４０が接続されている。また、ＦＣコンバータ１５０の一次側及び二次側には電圧センサ１１，１２が、負荷インバータ１４０の一次側には電圧センサ１３が、バッテリコンバータ１８０の一次側及び二次側には電圧センサ１４，１５が設けられている。そして、コントローラ１６０は、電圧センサ１１の故障時に、電圧センサ１２，１３からの電圧検知信号を用いて燃料電池１１０の出力電圧を推定し、それに基づいてバッテリ１２０駆動に切り替えることなる定常的な電圧制御を実行する。
【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し、特に、燃料電池システムにおける電圧制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両に搭載される燃料電池システムとして、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するべく、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システム（ＦＣＨＶシステム）が種々提案されている。かかるハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、通常、負荷（装置）に安定して電力を供給するために、燃料電池用のコンバータとバッテリ用のコンバータとを協調して動作させる制御が行われる。
【０００３】
本出願人は、このような２つのコンバータを備える燃料電池システムの一例として、燃料電池及び燃料電池用コンバータ、並びに、バッテリ及びバッテリ用コンバータと、それらの組み合わせに並列に接続されたトラクションインバータ及びトラクションモータを備えるものを提案している（例えば特許文献１参照）。この燃料電池システムは、燃料電池用コンバータに動作不良が発生して燃料電池側から供給される電力が減少した際に、その減少分を補うためのバッテリ側からの出力（放電量）が許容量を超えてしまったときに生じ得るバッテリの過放電を抑制することを意図したものであり、燃料電池用コンバータが動作不良と判定された場合、トラクションインバータからトラクションモータへの出力電圧の上限値を、燃料電池の出力電圧以下に制御するシステムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１３５２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の燃料電池システムにおいて、もし燃料電池からの出力電圧をモニタする電圧センサが故障した場合には、制御の基準となる燃料電池の出力電圧を検知することができないため、上述したような電圧制御を実行することができなくなるおそれがある。また、燃料電池用コンバータが正常に動作しているときに、燃料電池の出力電圧をモニタする電圧センサが機能しなった場合にも、燃料電池の出力を把握することができなくなるので、燃料電池側からの電力供給を停止して、バッテリだけで車両を駆動（いわゆる退避走行モードで運転）する必要が生じてしまう。さらに、電圧センサによって検知される燃料電池の出力電圧は、燃料電池用コンバータの制御にも使用されるので、電圧センサに異常が生じると燃料電池用コンバータの運転も停止せざるを得ない場合がある。
【０００６】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力電圧を検知することができなくなった場合でも、適切なフェールセーフ制御を実現することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の発電電力を充電可能なバッテリと、燃料電池及びバッテリに接続されており、且つ、燃料電池及びバッテリからの電力を消費する負荷装置と、燃料電池と負荷装置との間に設けられたコンバータ（燃料電池コンバータ）と、そのコンバータと負荷装置との間に設けられたインバータ（負荷駆動インバータ）と、燃料電池からの出力電圧を検知する第１の電圧センサと、コンバータからの出力電圧を検知する第２の電圧センサと、インバータへの入力電圧を検知する第３の電圧センサと、第１の電圧センサ、第２の電圧センサ、及び第３の電圧センサに接続されており、且つ、第１の電圧センサが故障（動作不良の発生等）したときに、第２の電圧センサ、及び、第３の電圧センサのうち少なくとも何れか一方によって検知された電圧、及び、コンバータにおける降下電圧を用いて燃料電池の出力電圧を算定（推定、算出）し、その算定された燃料電池の出力電圧に基づいて、当該燃料電池システムにおける電圧制御を行う制御部とを備える。
【０００８】
このように構成された燃料電池システムにおいては、通常、燃料電池からの出力電圧は第１の電圧センサによって検知（モニタリング）され、制御部がその検知（検出）信号に基づいて、燃料電池に接続されたコンバータやバッテリ等を制御し、負荷装置への電力供給やバッテリの充放電が適切に行われる。一方、第１の電圧センサが故障したり動作不良になったりして、燃料電池の出力電圧が検知されなくなった場合には、コンバータからの出力電圧を検知する第２の電圧センサ、及び、インバータへの入力電圧を検知する第３の電圧センサによって検知された電圧の少なくとも何れか一方に基づいて、電圧制御が行われる。
【０００９】
すなわち、第２の電圧センサによって検出されるコンバータからの出力電圧は、そのコンバータに入力される燃料電池からの出力電圧と相関する。また、第３の電圧センサによって検出されるインバータへの入力電圧は、バッテリからの電力供給がない場合にはコンバータからの出力電圧と略同等であり、バッテリからの電力供給がある場合には、コンバータからの出力電圧にバッテリからの出力電圧を加えたものと略同等であるから、燃料電池の出力電圧と相関する。よって、それらによって検知された電圧に、コンバータにおける降下電圧（例えば直流抵抗と電流から求められる）を考慮（補正）することにより、燃料電池の出力電圧を適正に算出（推定）することができる。
【発明の効果】
【００１０】
したがって、本発明によれば、第１の電圧センサによって燃料電池の出力電圧を検知することができなくなった場合でも、別の第２の電圧センサ及び／又は第３の電圧センサによって燃料電池の出力電圧を把握することが可能となり、これにより、燃料電池システムにおける適切なフェールセーフ（電圧）制御を実現することができる。その結果、例えば、燃料電池に接続されたコンバータの動作不良が生じた際のバッテリからの過放電を確実に抑止することができ、また、コンバータが正常に動作しており且つ第１の電圧センサの故障が生じた場合には、コンバータを停止してバッテリ駆動へ移行することなく、定常運転を続行（継続）することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の燃料電池システムの好適な一実施形態の構成を概略的に示すシステム構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける制御を実施する手順の一例（一部）を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００１３】
図１は、本発明の燃料電池システムの好適な一実施形態の構成を概略的に示すシステム構成図である。ＦＣＨＶシステム１００（燃料電池システム）は、燃料電池１１０とバッテリ１２０に負荷装置１３０が接続されたものである。負荷装置１３０には、負荷インバータ１４０（負荷駆動用インバータ）が接続されており、燃料電池１１０と負荷インバータ１４０の間にＦＣコンバータ１５０（燃料電池用コンバータ）が設けられるとともに、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にバッテリコンバータ１８０が設けられている。また、ＦＣコンバータ１５０とバッテリコンバータ１８０（バッテリ用コンバータ）とを接続する配線ラインには、補機１９０に接続された補機インバータ１７０が接続されている。
【００１４】
ここで、燃料電池１１０は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックを備えている。この燃料電池１１０では、アノード極において下記式（１）で表される水素の酸化反応が生じ、且つ、カソード極において下記式（２）で表される酸素の還元反応が生じる結果、燃料電池１１０全体としては下記式（３）式で表される起電反応（電池反応）が生起される。
【００１５】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００１６】
単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の２つの電極で挟み込んだ膜電極接合体（ＭＥＡ）が、燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟持された構造を有している。また、一般に、アノード極は、アノード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものであり、カソード極は、カソード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものである。
【００１７】
燃料電池１１０には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び、冷却液を提供する系統（いずれも図示せず；それらの一部は補機１９０に含まれる）が設けられており、後述するコントローラ１６０からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御され、これにより、燃料電池１１０から所望の電力を出力させるように構成されている。
【００１８】
また、ＦＣコンバータ１５０は、燃料電池１１０の出力電圧を制御する役割を担っており、一次側（入力側；燃料電池１１０側）に入力された燃料電池１１０の出力電圧を、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧又は降圧）して二次側（出力側；負荷インバータ１４０側）へ出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側へ出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＣコンバータ１５０により、燃料電池１１０の出力電圧が例えば負荷装置１３０の消費電力に応じた所望の電圧となるように制御される。
【００１９】
このＦＣコンバータ１５０の構成や種類は特に制されず、例えば、三相運転方式が採用されたものであり、より具体的には、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相から構成された三相ブリッジ形コンバータを好ましく用いることができる。その三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分と、その交流を再び整流して異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされたものである。
【００２０】
また、バッテリ１２０は、図１に示す如く、負荷装置１３０に対して燃料電池１１０と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファ等として機能する。このバッテリ１２０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池を好ましく用いることができる。
【００２１】
さらに、バッテリコンバータ１８０は、負荷インバータ１４０の入力電圧を制御する役割を担っており、負荷インバータ１４０の入力電圧の制御が可能であれば、構成や種類は特に制限されず、例えばＦＣコンバータ１５０と同様の回路構成を有するものが挙げられる。
【００２２】
また、負荷装置１３０は、例えば車両であって、その車両の主動力となり且つ車両の減速時に回生電力を発生するトラクションモータ１３１と、そのトラクションモータ１３１に接続されており且つその高速回転を所定の回転数に減速するための減速装置であるディファレンシャル１３２、及び、そのディファレンシャル１３２のシャフトに接続されたタイヤ１３３を有している。なお、シャフトには図示しない車輪速センサ等が設けられており、これにより当該車両の車速等が検知される。
【００２３】
さらに、その負荷装置１３０に接続された負荷インバータ１４０は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、後述するコントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１１０又はバッテリ１２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ１３１の回転トルクを制御する。
【００２４】
また、燃料電池１１０とＦＣコンバータ１５０の間（一次側；燃料電池１１０側）には、燃料電池１１０の出力電圧（ＦＣコンバータ１５０への入力電圧）を検知するための電圧センサ１１（第１の電圧センサ）が設けられている。また、ＦＣコンバータ１５０と負荷インバータ１４０とを結ぶ配線ラインにおけるＦＣコンバータ１５０寄り（二次側）には、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧を検知するための電圧センサ１２（第２の電圧センサ）が設けられるとともに、その配線ラインにおける負荷インバータ１４０寄りには、負荷インバータ１４０への入力電圧を検知するための電圧センサ１３（第３の電圧センサ）が設けられている。
【００２５】
さらに、バッテリ１２０とバッテリコンバータ１８０の間（一次側；バッテリ１２０側）には、バッテリ１２０の出力電圧（バッテリコンバータ１８０への入力電圧）を検知するための電圧センサ１４が設けられている。またさらに、バッテリコンバータ１８０と負荷インバータ１４０とを結ぶ配線ラインにおけるバッテリコンバータ１８０寄り（二次側）には、バッテリコンバータ１８０の出力電圧を検知するための電圧センサ１５が設けられている。
【００２６】
それらの電圧センサ１１〜１５は、コントローラ１６０（制御部）に接続されており、各電圧センサ１１〜１５による電圧検知信号（電圧測定値）がコントローラ１６０に入力されることにより、燃料電池１１０の出力電圧等が、コントローラ１６０によって定常的に検知（モニタリング、監視）される。
【００２７】
このコントローラ１６０は、ＦＣＨＶシステム１００の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等（図示せず）を備えている。コントローラ１６０には、上述した電圧センサ１１〜１５の他、例えばアクセル開度の測定センサ、車速センサ、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧を測定するセンサ等を含むセンサ群が接続されており、入力された各種の検知信号に基づいて、負荷装置１３０及び補機１９０の要求電力（システム全体の要求電力）が求められる。なお、図示の都合上、電圧センサ１１〜１５を除く各種センサとコントローラ１６０とを結ぶ配線ラインについては記載を省略した。
【００２８】
この負荷装置１３０が車両の場合、その要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値となる。この場合、車両走行電力には、車両走行に必要な装置（例えば変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力、及び、乗員空間内に配設される装置（例えば空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。また、車両に搭載される補機１９０としては、加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、冷却水循環ポンプ等が挙げられ、補機電力は、それらによって消費される電力となる。
【００２９】
ここで、図２は、ＦＣＨＶシステム１００における特徴的な制御を実施する手順の一例の一部を示すフロー図である。上述の如く、ＦＣＨＶシステム１００において、燃料電池１１０の出力電圧は、電圧センサ１１によって定常的に検知（モニタリング）されており、その検知信号がコントローラ１６０に入力・処理され、コントローラ１６０は、その値に基づいて（基準として）ＦＣＶＨシステム１１０における電力（電圧及び電流）に係る制御を適切に実行する。
【００３０】
しかし、電圧センサ１１が故障してしまうと、燃料電池１１０からの出力電圧を直接的に検知することができなくなってしまう。かかる場合、ＦＣＨＶシステム１００では、以下のとおり、燃料電池１１０の出力電圧を推定して、定常的な運転制御を継続する。すなわち、コントローラ１６０は、燃料電池１１０の出力電圧の検知信号が電圧センサ１１から送出されているか否かを監視し、電圧センサ１１の故障が生じたか否かを判定するステップＳ１０１を定常的に実施する。
【００３１】
そして、コントローラ１６０は、電圧センサ１１から検知信号の送出がされていないとき、或いは、されなくなったときに、電圧センサ１１が故障又は動作不良になったと判断し（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、処理をステップＳ１０２へ移行する。一方、電圧センサ１１からの出力が正常に行われていれば、電圧センサ１１が故障又は動作不良になったとは判断せず（ステップＳ１０１：ＮＯ）、ステップＳ１０２をスキップする。
【００３２】
次に、ステップＳ１０２において、コントローラ１６０は、ＦＣコンバータ１５０からの出力電圧を検知する電圧センサ１２、及び／又は、負荷インバータ１４０への入力電圧を検知する電圧センサ１３から送出される検知信号から燃料電池１１０の出力電圧を間接的に求める演算を実行する。
【００３３】
すなわち、電圧センサ１２によって検出されるＦＣコンバータ１５０の出力電圧は、そのＦＣコンバータ１５０に入力される燃料電池１１０の出力電圧と相関する。また、電圧センサ１３によって検出される負荷インバータ１４０への入力電圧は、バッテリ１２０及びバッテリコンバータ１８０からの電力供給（電圧出力）がない場合には、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧と略同等であり、或いは、バッテリ１２０及びバッテリコンバータ１８０からの電力供給（電圧出力）がある場合には、ＦＣコンバータ１５０からの出力電圧にバッテリコンバータ１８０からの電圧出力を加えたものと略同等であることから、燃料電池１１０からの出力電圧と相関する。
【００３４】
よって、電圧センサ１２によるＦＣコンバータ１５０の出力電圧の測定値を用いる場合、その電圧センサ１２によって検知された電圧に、ＦＣコンバータ１５０における降下電圧（例えば直流抵抗と電流から求められる）分を加える補正を施すことにより、燃料電池１１０の出力電圧を算出（推定）することができる。
【００３５】
一方、電圧センサ１３による負荷インバータ１４０への入力電圧の測定値を用いる場合、コントローラ１６０は、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧とバッテリコンバータ１８０の出力電圧の比率を把握しているので、その比率と負荷インバータ１４０への入力電圧の測定値から、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧を逆算し、その逆算値に対して、ＦＣコンバータ１５０における降下電圧分を加える補正を更に施すことにより、燃料電池１１０の出力電圧を算出（推定）することができる。
【００３６】
そして、コントローラ１６０は、こうして算定された燃料電池１１０の出力電圧に基づいて、負荷装置１３０及び補機１９０の要求電力に応じたＦＣＶＨシステム１１０における電力（電圧及び電流）に係る制御を行う。
【００３７】
換言すれば、ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とバッテリ１２０に負荷装置１３０が接続されたものであり、それぞれにＦＣコンバータ１５０、バッテリコンバータ１８０、及び負荷インバータ１４０が接続されている。また、ＦＣコンバータ１５０の一次側及び二次側には電圧センサ１１，１２が、負荷インバータ１４０の一次側には電圧センサ１３が、バッテリコンバータ１８０の一次側及び二次側には電圧センサ１４，１５が設けられている。そして、コントローラ１６０は、電圧センサ１１の故障時に、電圧センサ１２，１３からの電圧検知信号を用いて燃料電池１１０の出力電圧を推定し、それに基づいてシステムの電圧制御を実行する。
【００３８】
したがって、ＦＣＶＨシステム１１０によれば、電圧センサ１１によって燃料電池１１０の出力電圧を直接的に検知することができなくなった場合でも、電圧センサ１２及び／又は電圧センサ１３によって燃料電池１１０の出力電圧を確実に把握することができ、これにより、ＦＣＶＨシステム１１０における適切なフェールセーフ制御を実現することが可能となる。その結果、例えば、燃料電池１１０に接続されたＦＣコンバータ１５０の動作不良が生じた場合でも、バッテリ１２０からの過放電を確実に抑止することができ、また、ＦＣコンバータ１５０が正常に動作しており且つ電圧センサ１１の故障が生じた場合には、ＦＣコンバータ１５０を停止してバッテリ１２０による駆動運転へ移行することなく、定常運転を継続することができる。
【００３９】
なお、上述したとおり、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、ＦＣコンバータ１５０は、ソフトスイッチによって駆動される昇圧コンバータであってもよい。また、図２に示すステップＳ１０２において、電圧センサ１３による負荷インバータ１４０への入力電圧の測定値から、燃料電池１１０の出力電圧を求める場合、電圧センサ１２によるＦＣコンバータ１５０の出力電圧の実測値、及び、電圧センサ１５によるバッテリコンバータ１８０の出力電圧の実測値から、ＦＣコンバータ１５０とバッテリコンバータ１８０の出力電圧の比率を算出しても好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上説明したとおり、本発明は、燃料電池システムにおける適切なフェールセーフ制御を実現することができるので、燃料電池に接続されたコンバータを有する燃料電池システム全般、それを備える車両、それらを含む機器、システム、設備等、並びに、それらの製造及び使用等に広く且つ有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１１ 電圧センサ（第１の電圧センサ）
１２ 電圧センサ（第２の電圧センサ）
１３ 電圧センサ（第３の電圧センサ）
１４ 電圧センサ
１５ 電圧センサ
１００ ＦＣＨＶシステム（燃料電池システム）
１１０ 燃料電池
１２０ バッテリ
１３０ 負荷装置
１３１ トラクションモータ
１３２ ディファレンシャル
１３３ タイヤ
１４０ 負荷インバータ
１５０ ＦＣコンバータ（燃料電池用コンバータ）
１６０ コントローラ（制御部）
１７０ 補機インバータ
１８０ バッテリコンバータ（バッテリ用コンバータ）
１９０ 補機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムにおける電圧制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両に搭載される燃料電池システムとして、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するべく、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システム（ＦＣＨＶシステム）が種々提案されている。かかるハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、通常、負荷（装置）に安定して電力を供給するために、燃料電池用のコンバータとバッテリ用のコンバータとを協調して動作させる制御が行われる。
【０００３】
本出願人は、このような２つのコンバータを備える燃料電池システムの一例として、燃料電池及び燃料電池用コンバータ、並びに、バッテリ及びバッテリ用コンバータと、それらの組み合わせに並列に接続されたトラクションインバータ及びトラクションモータを備えるものを提案している（例えば特許文献１参照）。この燃料電池システムは、燃料電池用コンバータに動作不良が発生して燃料電池側から供給される電力が減少した際に、その減少分を補うためのバッテリ側からの出力（放電量）が許容量を超えてしまったときに生じ得るバッテリの過放電を抑制することを意図したものであり、燃料電池用コンバータが動作不良と判定された場合、トラクションインバータからトラクションモータへの出力電圧の上限値を、燃料電池の出力電圧以下に制御するシステムである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１３５２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の燃料電池システムにおいて、もし燃料電池からの出力電圧をモニタする電圧センサが故障した場合には、制御の基準となる燃料電池の出力電圧を検知することができないため、上述したような電圧制御を実行することができなくなるおそれがある。また、燃料電池用コンバータが正常に動作しているときに、燃料電池の出力電圧をモニタする電圧センサが機能しなった場合にも、燃料電池の出力を把握することができなくなるので、燃料電池側からの電力供給を停止して、バッテリだけで車両を駆動（いわゆる退避走行モードで運転）する必要が生じてしまう。さらに、電圧センサによって検知される燃料電池の出力電圧は、燃料電池用コンバータの制御にも使用されるので、電圧センサに異常が生じると燃料電池用コンバータの運転も停止せざるを得ない場合がある。
【０００６】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力電圧を検知することができなくなった場合でも、適切なフェールセーフ制御を実現することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の発電電力を充電可能なバッテリと、燃料電池及びバッテリに接続されており、且つ、燃料電池及びバッテリからの電力を消費する負荷装置と、燃料電池と負荷装置との間に設けられたコンバータ（燃料電池コンバータ）と、そのコンバータと負荷装置との間に設けられたインバータ（負荷駆動インバータ）と、燃料電池からの出力電圧を検知する第１の電圧センサと、コンバータからの出力電圧を検知する第２の電圧センサと、インバータへの入力電圧を検知する第３の電圧センサと、第１の電圧センサ、第２の電圧センサ、及び第３の電圧センサに接続されており、且つ、第１の電圧センサが故障（動作不良の発生等）したときに、第２の電圧センサ、及び、第３の電圧センサのうち少なくとも何れか一方によって検知された電圧、及び、コンバータにおける降下電圧を用いて燃料電池の出力電圧を算定（推定、算出）し、その算定された燃料電池の出力電圧に基づいて、当該燃料電池システムにおける電圧制御を行う制御部とを備える。
【０００８】
このように構成された燃料電池システムにおいては、通常、燃料電池からの出力電圧は第１の電圧センサによって検知（モニタリング）され、制御部がその検知（検出）信号に基づいて、燃料電池に接続されたコンバータやバッテリ等を制御し、負荷装置への電力供給やバッテリの充放電が適切に行われる。一方、第１の電圧センサが故障したり動作不良になったりして、燃料電池の出力電圧が検知されなくなった場合には、コンバータからの出力電圧を検知する第２の電圧センサ、及び、インバータへの入力電圧を検知する第３の電圧センサによって検知された電圧の少なくとも何れか一方に基づいて、電圧制御が行われる。
【０００９】
すなわち、第２の電圧センサによって検出されるコンバータからの出力電圧は、そのコンバータに入力される燃料電池からの出力電圧と相関する。また、第３の電圧センサによって検出されるインバータへの入力電圧は、バッテリからの電力供給がない場合にはコンバータからの出力電圧と略同等であり、バッテリからの電力供給がある場合には、コンバータからの出力電圧にバッテリからの出力電圧を加えたものと略同等であるから、燃料電池の出力電圧と相関する。よって、それらによって検知された電圧に、コンバータにおける降下電圧（例えば直流抵抗と電流から求められる）を考慮（補正）することにより、燃料電池の出力電圧を適正に算出（推定）することができる。
【発明の効果】
【００１０】
したがって、本発明によれば、第１の電圧センサによって燃料電池の出力電圧を検知することができなくなった場合でも、別の第２の電圧センサ及び／又は第３の電圧センサによって燃料電池の出力電圧を把握することが可能となり、これにより、燃料電池システムにおける適切なフェールセーフ（電圧）制御を実現することができる。その結果、例えば、燃料電池に接続されたコンバータの動作不良が生じた際のバッテリからの過放電を確実に抑止することができ、また、コンバータが正常に動作しており且つ第１の電圧センサの故障が生じた場合には、コンバータを停止してバッテリ駆動へ移行することなく、定常運転を続行（継続）することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の燃料電池システムの好適な一実施形態の構成を概略的に示すシステム構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける制御を実施する手順の一例（一部）を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００１３】
図１は、本発明の燃料電池システムの好適な一実施形態の構成を概略的に示すシステム構成図である。ＦＣＨＶシステム１００（燃料電池システム）は、燃料電池１１０とバッテリ１２０に負荷装置１３０が接続されたものである。負荷装置１３０には、負荷インバータ１４０（負荷駆動用インバータ）が接続されており、燃料電池１１０と負荷インバータ１４０の間にＦＣコンバータ１５０（燃料電池用コンバータ）が設けられるとともに、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にバッテリコンバータ１８０が設けられている。また、ＦＣコンバータ１５０とバッテリコンバータ１８０（バッテリ用コンバータ）とを接続する配線ラインには、補機１９０に接続された補機インバータ１７０が接続されている。
【００１４】
ここで、燃料電池１１０は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックを備えている。この燃料電池１１０では、アノード極において下記式（１）で表される水素の酸化反応が生じ、且つ、カソード極において下記式（２）で表される酸素の還元反応が生じる結果、燃料電池１１０全体としては下記式（３）式で表される起電反応（電池反応）が生起される。
【００１５】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００１６】
単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の２つの電極で挟み込んだ膜電極接合体（ＭＥＡ）が、燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟持された構造を有している。また、一般に、アノード極は、アノード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものであり、カソード極は、カソード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものである。
【００１７】
燃料電池１１０には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び、冷却液を提供する系統（いずれも図示せず；それらの一部は補機１９０に含まれる）が設けられており、後述するコントローラ１６０からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御され、これにより、燃料電池１１０から所望の電力を出力させるように構成されている。
【００１８】
また、ＦＣコンバータ１５０は、燃料電池１１０の出力電圧を制御する役割を担っており、一次側（入力側；燃料電池１１０側）に入力された燃料電池１１０の出力電圧を、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧又は降圧）して二次側（出力側；負荷インバータ１４０側）へ出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側へ出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＣコンバータ１５０により、燃料電池１１０の出力電圧が例えば負荷装置１３０の消費電力に応じた所望の電圧となるように制御される。
【００１９】
このＦＣコンバータ１５０の構成や種類は特に制されず、例えば、三相運転方式が採用されたものであり、より具体的には、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相から構成された三相ブリッジ形コンバータを好ましく用いることができる。その三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分と、その交流を再び整流して異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされたものである。
【００２０】
また、バッテリ１２０は、図１に示す如く、負荷装置１３０に対して燃料電池１１０と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファ等として機能する。このバッテリ１２０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池を好ましく用いることができる。
【００２１】
さらに、バッテリコンバータ１８０は、負荷インバータ１４０の入力電圧を制御する役割を担っており、負荷インバータ１４０の入力電圧の制御が可能であれば、構成や種類は特に制限されず、例えばＦＣコンバータ１５０と同様の回路構成を有するものが挙げられる。
【００２２】
また、負荷装置１３０は、例えば車両であって、その車両の主動力となり且つ車両の減速時に回生電力を発生するトラクションモータ１３１と、そのトラクションモータ１３１に接続されており且つその高速回転を所定の回転数に減速するための減速装置であるディファレンシャル１３２、及び、そのディファレンシャル１３２のシャフトに接続されたタイヤ１３３を有している。なお、シャフトには図示しない車輪速センサ等が設けられており、これにより当該車両の車速等が検知される。
【００２３】
さらに、その負荷装置１３０に接続された負荷インバータ１４０は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、後述するコントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１１０又はバッテリ１２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ１３１の回転トルクを制御する。
【００２４】
また、燃料電池１１０とＦＣコンバータ１５０の間（一次側；燃料電池１１０側）には、燃料電池１１０の出力電圧（ＦＣコンバータ１５０への入力電圧）を検知するための電圧センサ１１（第１の電圧センサ）が設けられている。また、ＦＣコンバータ１５０と負荷インバータ１４０とを結ぶ配線ラインにおけるＦＣコンバータ１５０寄り（二次側）には、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧を検知するための電圧センサ１２（第２の電圧センサ）が設けられるとともに、その配線ラインにおける負荷インバータ１４０寄りには、負荷インバータ１４０への入力電圧を検知するための電圧センサ１３（第３の電圧センサ）が設けられている。
【００２５】
さらに、バッテリ１２０とバッテリコンバータ１８０の間（一次側；バッテリ１２０側）には、バッテリ１２０の出力電圧（バッテリコンバータ１８０への入力電圧）を検知するための電圧センサ１４が設けられている。またさらに、バッテリコンバータ１８０と負荷インバータ１４０とを結ぶ配線ラインにおけるバッテリコンバータ１８０寄り（二次側）には、バッテリコンバータ１８０の出力電圧を検知するための電圧センサ１５が設けられている。
【００２６】
それらの電圧センサ１１〜１５は、コントローラ１６０（制御部）に接続されており、各電圧センサ１１〜１５による電圧検知信号（電圧測定値）がコントローラ１６０に入力されることにより、燃料電池１１０の出力電圧等が、コントローラ１６０によって定常的に検知（モニタリング、監視）される。
【００２７】
このコントローラ１６０は、ＦＣＨＶシステム１００の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等（図示せず）を備えている。コントローラ１６０には、上述した電圧センサ１１〜１５の他、例えばアクセル開度の測定センサ、車速センサ、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧を測定するセンサ等を含むセンサ群が接続されており、入力された各種の検知信号に基づいて、負荷装置１３０及び補機１９０の要求電力（システム全体の要求電力）が求められる。なお、図示の都合上、電圧センサ１１〜１５を除く各種センサとコントローラ１６０とを結ぶ配線ラインについては記載を省略した。
【００２８】
この負荷装置１３０が車両の場合、その要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値となる。この場合、車両走行電力には、車両走行に必要な装置（例えば変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力、及び、乗員空間内に配設される装置（例えば空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。また、車両に搭載される補機１９０としては、加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、冷却水循環ポンプ等が挙げられ、補機電力は、それらによって消費される電力となる。
【００２９】
ここで、図２は、ＦＣＨＶシステム１００における特徴的な制御を実施する手順の一例の一部を示すフロー図である。上述の如く、ＦＣＨＶシステム１００において、燃料電池１１０の出力電圧は、電圧センサ１１によって定常的に検知（モニタリング）されており、その検知信号がコントローラ１６０に入力・処理され、コントローラ１６０は、その値に基づいて（基準として）ＦＣＶＨシステム１１０における電力（電圧及び電流）に係る制御を適切に実行する。
【００３０】
しかし、電圧センサ１１が故障してしまうと、燃料電池１１０からの出力電圧を直接的に検知することができなくなってしまう。かかる場合、ＦＣＨＶシステム１００では、以下のとおり、燃料電池１１０の出力電圧を推定して、定常的な運転制御を継続する。すなわち、コントローラ１６０は、燃料電池１１０の出力電圧の検知信号が電圧センサ１１から送出されているか否かを監視し、電圧センサ１１の故障が生じたか否かを判定するステップＳ１０１を定常的に実施する。
【００３１】
そして、コントローラ１６０は、電圧センサ１１から検知信号の送出がされていないとき、或いは、されなくなったときに、電圧センサ１１が故障又は動作不良になったと判断し（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、処理をステップＳ１０２へ移行する。一方、電圧センサ１１からの出力が正常に行われていれば、電圧センサ１１が故障又は動作不良になったとは判断せず（ステップＳ１０１：ＮＯ）、ステップＳ１０２をスキップする。
【００３２】
次に、ステップＳ１０２において、コントローラ１６０は、ＦＣコンバータ１５０からの出力電圧を検知する電圧センサ１２、及び／又は、負荷インバータ１４０への入力電圧を検知する電圧センサ１３から送出される検知信号から燃料電池１１０の出力電圧を間接的に求める演算を実行する。
【００３３】
すなわち、電圧センサ１２によって検出されるＦＣコンバータ１５０の出力電圧は、そのＦＣコンバータ１５０に入力される燃料電池１１０の出力電圧と相関する。また、電圧センサ１３によって検出される負荷インバータ１４０への入力電圧は、バッテリ１２０及びバッテリコンバータ１８０からの電力供給（電圧出力）がない場合には、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧と略同等であり、或いは、バッテリ１２０及びバッテリコンバータ１８０からの電力供給（電圧出力）がある場合には、ＦＣコンバータ１５０からの出力電圧にバッテリコンバータ１８０からの電圧出力を加えたものと略同等であることから、燃料電池１１０からの出力電圧と相関する。
【００３４】
よって、電圧センサ１２によるＦＣコンバータ１５０の出力電圧の測定値を用いる場合、その電圧センサ１２によって検知された電圧に、ＦＣコンバータ１５０における降下電圧（例えば直流抵抗と電流から求められる）分を加える補正を施すことにより、燃料電池１１０の出力電圧を算出（推定）することができる。
【００３５】
一方、電圧センサ１３による負荷インバータ１４０への入力電圧の測定値を用いる場合、コントローラ１６０は、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧とバッテリコンバータ１８０の出力電圧の比率を把握しているので、その比率と負荷インバータ１４０への入力電圧の測定値から、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧を逆算し、その逆算値に対して、ＦＣコンバータ１５０における降下電圧分を加える補正を更に施すことにより、燃料電池１１０の出力電圧を算出（推定）することができる。
【００３６】
そして、コントローラ１６０は、こうして算定された燃料電池１１０の出力電圧に基づいて、負荷装置１３０及び補機１９０の要求電力に応じたＦＣＶＨシステム１１０における電力（電圧及び電流）に係る制御を行う。
【００３７】
換言すれば、ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とバッテリ１２０に負荷装置１３０が接続されたものであり、それぞれにＦＣコンバータ１５０、バッテリコンバータ１８０、及び負荷インバータ１４０が接続されている。また、ＦＣコンバータ１５０の一次側及び二次側には電圧センサ１１，１２が、負荷インバータ１４０の一次側には電圧センサ１３が、バッテリコンバータ１８０の一次側及び二次側には電圧センサ１４，１５が設けられている。そして、コントローラ１６０は、電圧センサ１１の故障時に、電圧センサ１２，１３からの電圧検知信号を用いて燃料電池１１０の出力電圧を推定し、それに基づいてシステムの電圧制御を実行する。
【００３８】
したがって、ＦＣＶＨシステム１１０によれば、電圧センサ１１によって燃料電池１１０の出力電圧を直接的に検知することができなくなった場合でも、電圧センサ１２及び／又は電圧センサ１３によって燃料電池１１０の出力電圧を確実に把握することができ、これにより、ＦＣＶＨシステム１１０における適切なフェールセーフ制御を実現することが可能となる。その結果、例えば、燃料電池１１０に接続されたＦＣコンバータ１５０の動作不良が生じた場合でも、バッテリ１２０からの過放電を確実に抑止することができ、また、ＦＣコンバータ１５０が正常に動作しており且つ電圧センサ１１の故障が生じた場合には、ＦＣコンバータ１５０を停止してバッテリ１２０による駆動運転へ移行することなく、定常運転を継続することができる。
【００３９】
なお、上述したとおり、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、ＦＣコンバータ１５０は、ソフトスイッチによって駆動される昇圧コンバータであってもよい。また、図２に示すステップＳ１０２において、電圧センサ１３による負荷インバータ１４０への入力電圧の測定値から、燃料電池１１０の出力電圧を求める場合、電圧センサ１２によるＦＣコンバータ１５０の出力電圧の実測値、及び、電圧センサ１５によるバッテリコンバータ１８０の出力電圧の実測値から、ＦＣコンバータ１５０とバッテリコンバータ１８０の出力電圧の比率を算出しても好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上説明したとおり、本発明は、燃料電池システムにおける適切なフェールセーフ制御を実現することができるので、燃料電池に接続されたコンバータを有する燃料電池システム全般、それを備える車両、それらを含む機器、システム、設備等、並びに、それらの製造及び使用等に広く且つ有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１１ 電圧センサ（第１の電圧センサ）
１２ 電圧センサ（第２の電圧センサ）
１３ 電圧センサ（第３の電圧センサ）
１４ 電圧センサ
１５ 電圧センサ
１００ ＦＣＨＶシステム（燃料電池システム）
１１０ 燃料電池
１２０ バッテリ
１３０ 負荷装置
１３１ トラクションモータ
１３２ ディファレンシャル
１３３ タイヤ
１４０ 負荷インバータ
１５０ ＦＣコンバータ（燃料電池用コンバータ）
１６０ コントローラ（制御部）
１７０ 補機インバータ
１８０ バッテリコンバータ（バッテリ用コンバータ）
１９０ 補機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の発電電力を充電可能なバッテリと、
前記燃料電池及び前記バッテリに接続されており、且つ、前記燃料電池及び前記バッテリからの電力を消費する負荷装置と、
前記燃料電池と前記負荷装置との間に設けられたコンバータと、
前記コンバータと前記負荷装置との間に設けられたインバータと、
前記燃料電池からの出力電圧を検知する第１の電圧センサと、
前記コンバータからの出力電圧を検知する第２の電圧センサと、
前記インバータへの入力電圧を検知する第３の電圧センサと、
前記第１の電圧センサ、前記第２の電圧センサ、及び前記第３の電圧センサに接続されており、且つ、前記第１の電圧センサが故障したときに、第２の電圧センサ、及び、前記第３の電圧センサのうち少なくとも何れか一方によって検知された電圧、及び、前記コンバータにおける降下電圧を用いて前記燃料電池の出力電圧を算定し、該算定された燃料電池の出力電圧に基づいて、当該燃料電池システムにおける電圧制御を実行する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池の発電電力を充電可能なバッテリと、
前記燃料電池及び前記バッテリに接続されており、且つ、前記燃料電池及び前記バッテリからの電力を消費する負荷装置と、
前記燃料電池と前記負荷装置との間に設けられたコンバータと、
前記コンバータと前記負荷装置との間に設けられたインバータと、
前記燃料電池からの出力電圧を検知する第１の電圧センサと、
前記コンバータからの出力電圧を検知する第２の電圧センサと、
前記インバータへの入力電圧を検知する第３の電圧センサと、
前記第１の電圧センサ、前記第２の電圧センサ、及び前記第３の電圧センサに接続されており、且つ、前記第１の電圧センサが故障したときに、第２の電圧センサ、及び、前記第３の電圧センサのうち少なくとも何れか一方によって検知された電圧、及び、前記コンバータにおける降下電圧を用いて前記燃料電池の出力電圧を算定し、該算定された燃料電池の出力電圧に基づいて、当該燃料電池システムにおける電圧制御を実行する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−１０９８６０（Ｐ２０１３−１０９８６０Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１９１８（Ｐ２０１１−２５１９１８）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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