JP5061555B2 - 燃料電池システム及び燃料電池の始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの始動方法に係り、特に燃料電池と共に存在する周辺機器を含めたシステムの始動を含む燃料電池システム及び燃料電池システムの始動方法に関する。

環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって必要な電力を取り出す。また、この電池化学反応によって燃料電池は発熱する。したがって、燃料電池にはその周辺機器として、燃料ガス、酸化ガスを供給するためコンプレッサやポンプ、冷却水用のポンプ等が用いられる。また、車両の電源としては、燃料電池以外に、高電圧の２次電池や、電子機器等に電力を供給する低電圧電源等が用いられる。これらを含めて、１つの燃料電池システムが構成され、燃料電池システムを始動するには、これらの要素の状態を確認する必要がある。

例えば、特許文献１には、２次電池と燃料電池とを含む車両搭載電源システムの起動時において、負荷及び補機が要求する最大電力が燃料電池と２次電池によって供給できないとき、暖機を行って最大供給電力を供給可能な状態にすることが開示されている。ここでは、燃料電池によって最大電力の供給ができない場合、２次電池の温度に基づき２次電池の充電によって暖機する必要があるか否かが判断され、２次電池のＳＯＣに基づき、２次電池を放電させるか充電させるかが判断される。これらの判断に基づき、燃料電池の発電電力を補機及び２次電池に充電させる動作と、２次電池を放電させて燃料電池及び２次電池から電力を補機に供給する動作とを繰り返すことで、暖機時間を短時間とすることが述べられている。

特開２００４−２８１２１９号公報

上記のように、特許文献１には、燃料電池システムにおいて、負荷及び補機に電力を効率的に供給するために、暖機時間を短縮することが述べられている。しかし、燃料電池システムを始動するには、特許文献１に述べられている内容のほかに、燃料電池の各周辺機器の状態がシステム始動に十分な状態かどうかを確認する必要がある。この確認が行われて、初めて燃料電池システムの始動指令が行われる。この燃料電池の各周辺機器の状態の確認に要する時間を短縮することは、燃料電池システムの早期始動を可能にするので、有益である。

本発明の目的は、始動するまでの時間の短縮が可能な燃料電池システム及び燃料電池システムの始動方法を提供することである。

本発明に係る燃料電池システムは、２次電池に電圧変換器を介して並列に接続される燃料電池と、２次電池と電圧変換器との間に設けられる２次電池用システムメインリレーと、２次電池と電圧変換器との間に接続される２次電池側平滑コンデンサと、２次電池と電圧変換器との間に接続される燃料電池用補機と、電圧変換器と燃料電池との間に設けられる燃料電池用リレーと、燃料電池の始動を制御する制御部と、を有し、制御部は、２次電池用システムメインリレーを操作して２次電池側平滑コンデンサに電流を流し、２次電池側のプリチャージを実行する手段と、２次電池側のプリチャージの後、２次電池側に接続された燃料電池用補機を用いて燃料電池を起動する手段と、燃料電池用補機の起動と並行して、電圧変換器を介し燃料電池側のプリチャージを実行する手段とを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、２次電池側平滑コンデンサに流れる電流を検出する電流検出手段を有し、制御部は、２次電池用システムメインリレーの中で溶着検出用リレーを接続する手段と、溶着検出用リレーを接続したときの電流検出手段の検出データに基づいて溶着判断を行う溶着判断手段と、溶着判断手段における結果に基づいて２次電池側平滑コンデンサに電流を流し、２次電池側のプリチャージを実行する手段とを含むことが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、電気機器が接続される低電圧電池と、
低電圧電池の電圧を検出する電圧検出手段と、を有し、制御部は、燃料電池システムの起動時に、溶着判断に先立って、予め定められた所定の判定電圧を判定するのに必要な判定時間を設定し、判定時間までに電圧検出手段の検出値が所定の判定電圧以上であるときに低電圧電池の状態を正常であると判断する低電圧電池判断手段とを含むことが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムの始動方法は、２次電池と、電圧変換器と、燃料電池とを並列に接続し、２次電池と電圧変換器との間に２次電池用システムメインリレーを設け、２次電池と電圧変換器との間に２次電池側平滑コンデンサを接続し、２次電池と電圧変換器との間に燃料電池用補機を接続し、電圧変換器と燃料電池との間に燃料電池用リレーを設けて構成される燃料電池システムの始動方法であって、２次電池用システムメインリレーを操作して２次電池側平滑コンデンサに電流を流し、２次電池側のプリチャージを実行する工程と、２次電池側に接続された燃料電池用補機を用いて燃料電池を起動する工程と、燃料電池用補機の起動と並行して、電圧変換器を介し燃料電池側のプリチャージを実行する工程とを含むことを特徴とする。

上記構成の少なくとも１つにより、燃料電池システムは、２次電池に電圧変換器を介して燃料電池が並列に接続され、２次電池と電圧変換器との間に燃料電池用補機が接続される。つまり２次電池側に燃料電池用補機が接続される。従来技術では、燃料電池側に燃料電池用補機が接続されているため、始動に際し、２次電池側のプリチャージを行い、次に燃料電池側のプリチャージを行って初めて燃料電池用の補機の駆動が可能である。上記構成によれば、２次電池のプリチャージを行った時点で燃料電池用補機の起動が可能となり、燃料電池の起動指令をその時点で出すことができ、燃料電池システムの始動時間を短縮できる。

また、燃料電池システムは、溶着検出用リレーを接続したときの２次電池側平滑コンデンサに流れる電流のデータに基づいて溶着判断を行う。従来技術では、溶着検出用リレーを接続したときの２次電池側平滑コンデンサの充電電圧の立上がりデータに基づいて溶着判断を行っている。コンデンサは、充電電流によって充電電圧が立上がるので、充電電圧の立上がりの検出よりも充電電流の変化の検出の方が短時間で行える。このように、溶着判断を短時間で行えるので、燃料電池システムの始動のための確認時間を短縮できる。

また、燃料電池システムは、低電圧電池の電圧を検出して所定の判定電圧以上であるときに低電圧電池の状態を正常であると判断する。従来技術では、低電圧電池の状態判断に一律の時間を取っている。ここでは、所定の判定電圧以上となれば、正常と判断して次へ進むので、燃料電池システムの始動のための確認時間を短縮できる。

また、２次電池と電圧変換器との間に燃料電池用補機を接続して構成される燃料電池システムの始動方法は、２次電池用システムメインリレーを操作して、２次電池側のプリチャージを実行し、２次電池側に接続された燃料電池用補機を用いて燃料電池を起動する。従来技術では、燃料電池側に燃料電池の補機が接続されていたので、２次電池側プリチャージの後、燃料電池側のプリチャージを実行し、その後、燃料電池を起動する。このように燃料電池のプリチャージを待たずに燃料電池を起動できるので、燃料電池システムの始動時間を短縮できる。

以下では、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下において、燃料電池システムの構成として、燃料電池スタックと２次電池パックとの間に双方向電圧変換器を設けるものとするが、これ以外に、電力分配機能を有する要素を燃料電池スタックと２次電池パックの間に設け、その電力分配器から負荷に電力を供給する構成としてもよい。また、以下では、これら以外に１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ、１２Ｖバッテリ、システムメインリレー、燃料電池用リレー等を燃料電池システムの構成要素に含むものとして説明するが、これらのいくつかの要素を省略したシステムでもよい。また、これ以外の要素を付加したシステムであってもよい。

図１は、燃料電池システム１０の構成図である。燃料電池システム１０は、２次電池１２と、システムメインリレー２０と、１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ２２と、２次電池側平滑コンデンサ３０と、２次電池側平滑コンデンサ３０の電流を検出する電流センサ３２と、双方向作動可能な電圧変換器３６と、燃料電池側平滑コンデンサ４０と、燃料電池用リレー３８と、燃料電池４２とを含んで構成される。また、１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ２２の出力は、１２Ｖバッテリ２４に接続され、１２Ｖバッテリ２４には電圧センサ２８が接続される。

また、１２Ｖバッテリ２４には、低電圧で駆動される低電圧負荷２６が接続される。また、２次電池１２と電圧変換器３６の間の正極母線と負極母線との間には、燃料電池用補機３４が接続される。また、これらの要素の作動を全体的に制御するものとして、制御部５０
が設けられる。なお、ここでは燃料電池システム１０の構成要素としてはいないが、燃料電池側の正極母線と負極母線の間には、インバータ４４が接続され、インバータ４４には、車両用モータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）４６が接続される。

２次電池１２は、リチウムイオン単電池を複数組み合わせ、またはニッケル水素単電池を複数組み合わせて、２００Ｖから４００Ｖ程度の高電圧バッテリとした電池パックである。

システムメインリレー２０は、２次電池１２側において高電圧電力ラインのオン・オフを行うためのリレーである。高電圧電力を遮断する際のリレー溶着を考慮して、正極母線側と負極母線側にそれぞれ１つずつのリレーが設けられる。また、いずれか側の母線に、電流制限抵抗を接続したもう１つのリレーが設けられる。この電流制限抵抗付きリレーは、これをオンして充電を徐々に行う機能を有する他に、リレーの溶着判断のために用いられる。システムメインリレー２０を用いた溶着判断と、充電手順については後述する。

１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、高電圧電力を１２Ｖの低電圧に調整し、低電圧電源である１２Ｖバッテリ２４に供給する機能を有する電圧変換器である。双方向作動とするときは、緊急の場合等に、１２Ｖバッテリ２４からの電力を高電圧側に戻すこともできる。

１２Ｖバッテリ２４は、鉛蓄電池等で構成され、車両において１２Ｖの一定電圧で作動するマイクロコンピュータ（マイコン）、各種センサ、ラジオ等の車載電子機器、エアコンディショナー、各種小型モータ等の低電圧負荷２６に電力を供給する機能を有する。

１２Ｖバッテリ２４に接続される電圧センサ２８は、１２Ｖバッテリ２４の電圧状態を監視する機能を有する電圧計である。電圧センサ２８の検出データは、制御部５０に伝送され、後述するように、燃料電池システム１０の始動の際に用いられる。

２次電池側平滑コンデンサ３０は、２次電池側の正極母線、負極母線の間の電圧等の変動を吸収し、直流電力として脈動を抑制する機能を有する大容量コンデンサである。

２次電池側平滑コンデンサ３０に直列に配置される電流センサ３２は、２次電池側平滑コンデンサ３０に流れる電流を検出する機能を有する電流計である。電流センサ３２の検出データは、制御部５０に伝送され、後述するように、燃料電池システム１０の始動の際に用いられる。

電圧変換器３６は、２次電池側の高電圧電力と、燃料電池側の高電圧電力とのあいだで電圧変換を行って、電力のやり取りを行う機能を有する高電圧用の双方向電圧変換器である。

２次電池１２と電圧変換器３６との間の配置において、正極母線と負極母線の間に燃料電池用補機３４が接続される。燃料電池用補機とは、燃料電池４２を作動させるときに用いられる電気機器である。燃料電池用補機としては、酸化ガスを圧縮して燃料電池スタックに供給するエアコンプレッサ（ＡＣＰ）、燃料ガスである水素を燃料電池スタックに送りこむための水素ポンプ、燃料電池スタック等を冷却する冷却水ポンプ等が含まれる。

燃料電池側平滑コンデンサ４０は、燃料電池側の正極母線、負極母線の間の電圧等の変動を吸収し、直流電力として脈動を抑制する機能を有する大容量コンデンサである。

燃料電池用リレー３８は、燃料電池４２側において高電圧電力ラインのオン・オフを行うためのリレーである。システムメインリレー２０のときに述べたように、ここでも高電圧電力を遮断する際のリレー溶着を考慮して、正極母線側と負極母線側にそれぞれ１つずつのリレーが設けられる。

燃料電池４２は、燃料電池セルを複数組み合わせて、２００Ｖから４００Ｖ程度の高電圧の発電電力を取り出せるように構成された一種の組電池で、燃料電池スタックと呼ばれる。ここで、各燃料電池セルは、アノード側に燃料ガスとして水素を供給し、カソード側に酸化ガスとして空気を供給し、固体高分子膜である電解質膜を通しての電池化学反応によって必要な電力を取り出す機能を有する。この燃料電池４２を作動させるためには、上記の燃料電池用補機の作動が必要である。

このように、２次電池１２と燃料電池４２とによって構成される電源の直流電力は、インバータ４４によって３相電力に変換され、モータ・ジェネレータ４６を駆動することができる。また、車両制動時にはモータ・ジェネレータ４６の回生電力をインバータ４４によって直流電力に変換し、これを２次電池１２に充電させることができる。

制御部５０は、上記の各要素の作動制御、特に始動制御を行う機能を有する。かかる制御部５０は、車載用コンピュータで構成できる。制御部５０は、独立したコンピュータで構成することもできるが、その機能を他の車載用コンピュータの機能とすることもできる。例えば、ハイブリッドＣＰＵを有する車両の場合、制御部５０の機能をハイブリッドＣＰＵにもたせてもよい。

制御部５０は始動制御の機能として、次の内容を有する。すなわち、始動の順番から述べると、１２Ｖバッテリ２４の電圧状態を判断する低電圧電池状態判断モジュール６０、システムメインリレー２０の溶着の有無を判断する溶着判断モジュール５８、２次電池側平滑コンデンサ等へ充電を行う２次電池側プリチャージ実行モジュール５２と、燃料電池用補機３４を用いて燃料電池４２を起動させる燃料電池起動モジュール５４と、燃料電池側平滑コンデンサ４０等へ充電を行う燃料電池側プリチャージ実行モジュール５６を含む。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池システム始動プログラムを実行することで実現できる。

上記構成の燃料電池システム１０の作用、特に、制御部５０の始動制御に関する各機能について以下に説明する。なお、以下では、図１で用いた各要素の符号を用いる。比較しやすいように、最初に図２を用いて、従来技術における燃料電池システムの始動制御の手順について説明し、次に図３を用いて、上記構成の燃料電池システム１０の始動制御の手順について説明する。なお、従来技術の燃料電池システムは、図１の構成において２つ相違点がある。１つは、燃料電池用補機３４が、電圧変換器３６と燃料電池４２との間において正極母線と負極母線との間に接続されて配置されていることと、もう１つは、制御部５０の始動制御の内容である。

図２は、従来技術の燃料電池システムの始動制御の手順を示すフローチャートである。図では、始動制御の各手順の所要時間が分かるように、横軸に時間をとって、各手順についてのタイムチャートとして示されている。

車両においてイグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされると、制御部５０は燃料電池システムの始動を開始する。最初に、マイクロコンピュータ、各種センサ、車載用電子機器等の低電圧負荷２６が作動できる状態かどうか、低電圧電池の状態をチェックする（Ｓ１０）。具体的には、１２Ｖバッテリ２４の出力電圧が十分か否かをチェックする。これには、ＩＧのオンから一定時間後に、電圧センサ２８の検出データを取得し、予め定めた値と比較し、仮にその値より低い電圧であるときは、警告信号を出力し、ユーザに１２Ｖバッテリの充電不足を知らせる。予め定めた値としては、例えば１１．５Ｖ等と定めることができる。ＩＧオンからの一定時間としては、例えば５００ｍｓｅｃ程度等と定めることができる。

低電圧電池状態チェックのための一定時間が経過すると、次にシステムメインリレー２０の溶着チェックが行われる（Ｓ１２）。システムメインリレー２０の溶着判断は、上記のように、システムメインリレー２０の３つのリレーのうち、抵抗が接続されたリレーをオンし、そのときの２次電池側平滑コンデンサ３０の両端電圧が上昇するかしないかで判断される。この場合、システムメインリレー２０を構成する他の２つのリレーはオフのままである。このオフのままのリレーが溶着していなければ、２次電池側平滑コンデンサ３０に電流が流れない。仮にこのオフのリレーが溶着していれば、特に、抵抗が接続されたリレーが設けられる母線と異なる母線に設けられるリレーが溶着していれば、２次電池側平滑コンデンサ３０に電流が流れ、充電と共に、その両端電圧が上昇する。この電圧上昇を図１では図示されていない電圧計で検出し、予め定めた閾値を超えれば、システムメインリレー２０が溶着していると判断し、警告信号を出力し、ユーザにシステムメインリレーの溶着を知らせる。システムメインリレー２０は、高電圧ラインの遮断を行う機能を有するので、溶着による電圧上昇の有無は慎重に判断され、したがって、溶着チェックにはかなりの時間を要する。例えば、低電圧電池状態チェックと同程度の時間を要することがある。

溶着チェックが終了すると、次にプリチャージが実行される。プリチャージとは、高電圧ラインの正極母線と負極母線との間に、特に２次電池側平滑コンデンサ３０、燃料電池側平滑コンデンサ４０に、徐々に充電し、２次電池１２の電圧レベルまで引き上げる予備充電のことである。すなわち、始動時には高電圧ラインの正極母線と負極母線との間に電圧差がなく、２次電池側平滑コンデンサ３０、燃料電池側平滑コンデンサ４０に電荷がない状態であるので、この状態で高電圧の２次電池を接続すると、これらの平滑コンデンサ等に過大な突入電流が流れるので、プリチャージによって、これを防止するのである。

プリチャージは、２段階に分けて実行される。最初は２次電池側プリチャージが実行される（Ｓ１４）。ここでは、燃料電池用リレー３８がオフの状態で、システムメインリレー２０がオンされる。これによって、２次電池側平滑コンデンサ３０等に充電が行われる。プリチャージに要する時間は、大容量コンデンサである２次電池側平滑コンデンサ３０の容量値等で定められ、かなりの時間を要する。例えば、低電圧電池状態チェックと同程度の時間を要することがある。

次に、燃料電池側プリチャージが実行される（Ｓ１６）。これは、メインシステムリレーをオンした状態で、電圧変換器３６を介して行われ、これによって、燃料電池側平滑コンデンサ４０等に充電が行われる。このプリチャージに要する時間も、大容量コンデンサである燃料電池側平滑コンデンサ４０の容量値等で定められ、２次電池側プリチャージと同程度の時間を要する。

燃料電池側プリチャージが完了すると、電圧変換器３６と燃料電池４２との間において正極母線と負極母線との間に接続されて配置されている燃料電池用補機３４の起動が可能となるので、ここで、燃料電池の起動指令が出される（Ｓ１８）。

これらの各工程によって燃料電池システム１０の始動制御が行われる。従来技術では、ＩＧオンから燃料電池起動指令まで、約１ｓｅｃから約２ｓｅｃの時間を要することがある。

図３は、図１に説明した構成の燃料電池システム１０における始動制御の手順を示すフローチャートである。図３も、図２と同様に、始動制御の各手順の所要時間が分かるように、横軸に時間をとって、各手順についてのタイムチャートとして示されている。図３に示される各手順は、制御部５０によって実行される燃料電池システム始動制御プログラムの各処理手順に対応する。

車両においてイグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされると、制御部５０は燃料電池システムの始動を開始する。最初に、マイクロコンピュータ等の低電圧負荷２６が作動できる状態かどうか、低電圧電池の状態を１２Ｖバッテリ２４の出力電圧の検出によって行う（Ｓ２０）。この工程の処理は、制御部５０の低電圧電池状態判断モジュール６０の機能によって実行される。従来技術では、ＩＧオンから所定時間後に電圧センサ２８の検出値を予め定めた値と比較したが、ここでは、ＩＧオンから電圧センサ２８による１２Ｖバッテリ２４の端子電圧の検出を開始し、判定電圧としての閾値を予め定めておき、その判定電圧に達したときに、低電圧電池の状態は正常であると判断し、この工程を終了する。

電圧センサ２８の検出値が立ち上がって、ある短時間に１０Ｖ程度の出力があれば、１２Ｖバッテリ２４の状態は正常と判断できるので、判定時間を設定し、その判定時間までに判定電圧に達すれば正常であると判断することができる。判定時間としては、従来技術の所定時間の半分程度とすることができる。例えば、判定電圧を約１０Ｖとするときは、判定時間を約２００ｍｓｅｃ程度とすることができる。このように、従来技術のように一律の所定時間を待って判断するのではなく、一定の判定電圧になることを確認することで、低電圧電池の状態確認のための時間を短縮できる。

次に溶着判断が行われる（Ｓ２２）。この工程の処理は、制御部５０の溶着判断モジュール５８の機能によって実行される。その様子を図４と図５を用いて説明する。溶着判断は、システムメインリレー２０の３つのリレー１４，１５，１６の中の電流制限抵抗付きリレー１４をオンし、残りの２つのリレー１５，１６はオフのままで行われることは、従来技術と同じである。図４では、高電圧ラインの正極母線に電流制限抵抗付きリレー（ＣＯＮＴ１）１４と、通常のリレー（ＣＯＮＴ２）１５が設けられ、負極母線にも通常のリレー（ＣＯＮＴ３）１６が設けられる。このとき、燃料電池用リレー３８はオフのままである。なお、図４では、システムメインリレー２０の負極母線に設けられたリレー（ＣＯＮＴ３）がオンの状態を示しているが、これは溶着していることを示しており、溶着判断で制御部５０の指令によってオンされるのは、あくまで電流制限抵抗付きリレー（ＣＯＮＴ１）１４のみである。

このように、何らかの原因で、システムメインリレー２０のリレーが溶着していると、図４で示されるように、２次電池側平滑コンデンサ３０を通って電流７０が流れ、充電が行われる。図５にその様子を示す。図５は横軸に時間をとり、縦軸に２次電池側平滑コンデンサ３０を流れる充電電流（Ｉ）と、２次電池側平滑コンデンサ３０の両端電圧（Ｖ）をとって、これらの時間変化を示したものである。なお、電流制限抵抗付きリレー（ＣＯＮＴ１）１４のオン時刻が示されている。図５に示されるように、両端電圧（Ｖ）の立上がりよりも、充電電流（Ｉ）の立ち上がりの方が早い。このことは、一般的によく知られている、コンデンサに定電圧を印加した場合の電流と電圧の特性と同じ傾向である。

したがって、充電電流（Ｉ）の立上がりについて適当な閾値を定め、その閾値を超えるときはシステムメインリレー２０に溶着が生じていると判断することにすれば、その判断に要する時間は、図５に示されるｔ（Ｉ）である。これに対し、従来技術のように、両端電圧（Ｖ）の立上がりで溶着を判断する場合は、両端電圧（Ｖ）の立上がりについて適当な閾値を定め、その閾値を超えるときにシステムメインリレー２０に溶着が生じていると判断するものとして、その判断に要する時間は、図５に示されるｔ（Ｖ）である。充電電流（Ｉ）の立上がり特性と両端電圧（Ｖ）の立上がり特性との差から、充電電流（Ｉ）に基づく判断時間ｔ（Ｉ）は、両端電圧（Ｖ）に基づく判断時間ｔ（Ｖ）よりかなり短い。

このように、２次電池側平滑コンデンサ３０に流れる電流の検出データに基づいて溶着判断を行うことで、従来技術のように２次電池側平滑コンデンサ３０の両端電圧の検出データに基づく判断よりも、溶着判断に要する時間を短縮できる。例えば、従来技術に比べ、およそ１／２の時間で溶着判断を行うことができる。

溶着判断の結果、溶着があると判断されると、その旨の警告信号が出力され、ユーザにシステムメインリレーの溶着を知らせる。溶着がないと判断されると、溶着判断に用いられたＣＯＮＴ１は、元のオフ状態に戻される。

Ｓ２２において溶着がない判断されると、次に、２次電池側プリチャージが実行される（Ｓ２４）。この工程の処理は、制御部５０の２次電池側プリチャージ実行モジュール５２の機能により実行される。２次電池側プリチャージは、図２に関連して説明したように、燃料電池用リレー３８がオフの状態で、システムメインリレー２０がオンされ、これによって、２次電池側平滑コンデンサ３０等に充電が行われるものである。

２次電池側プリチャージにおいて、図４で述べたシステムメインリレー２０の３つのリレーは、次の手順で接続制御が行われる。溶着判断が終了した時点で、システムメインリレー２０の３つのリレーはすべてオフ状態である。２次電池側プリチャージは、ＣＯＮＴ１とＣＯＮＴ３が同時にオンされ、あるいはいずれかが先にオンしその後すぐに他方がオンされることから開始される。この状態は、ＣＯＮＴ３が、溶着がなくて制御部５０によってオンされるところが異なるが、ちょうど図４と同じ状態で、ＣＯＮＴ１の電流制限抵抗を通って、２次電池側平滑コンデンサ３０等に電流７０が流れる。ＣＯＮＴ１の電流制限抵抗は、高電圧ラインに２次電池１２から過大な突入電量が流れないように抑制し、徐々に充電を行う機能を有する。そして、２次電池側平滑コンデンサ３０の両端電圧が上がり切ったら、ＣＯＮＴ２をオンし、ＣＯＮＴ１がオフされ、ここで２次電池側プリチャージが完了する。２次電池側プリチャージに要する時間は、従来技術において要する時間と実質的に同じである。

２次電池側プリチャージが完了すると、２次電池１２と電圧変換器３６との間において、正極母線と負極母線の間に接続されている燃料電池用補機３４が起動でき、したがって燃料電池４２の起動が可能になるので、燃料電池起動指令が出される（Ｓ２６）。この工程の処理は、制御部５０の燃料電池起動モジュール５４の機能によって実行される。従来技術では、上記のように、燃料電池用補機３４が、電圧変換器３６と燃料電池４２の間において、正極母線と負極母線の間に接続されているので、図２で説明したように、その次の燃料電池側プリチャージが終わる（Ｓ１６）まで、燃料電池起動指令（Ｓ１８）が出されない。したがって、図１の燃料電池システム１０においては、燃料電池起動指令が出されるまでの時間が、従来技術にくらべ、少なくとも、燃料電池側プリチャージに要する時間分は、短くなる。さらに、低電圧電池状態判断（Ｓ２０）及び溶着判断（Ｓ２２）においても、上記のように、従来技術に比べ、判断に要する時間がそれぞれ従来技術より短いので、全体として、燃料電池システムの始動に要する時間をかなり短縮することが可能になる。

Ｓ２４において２次電池側プリチャージが終了すると、上記のように燃料電池用補機３４の起動が始まるが、それと平行し、燃料電池側プリチャージが行われる（Ｓ２８）。この工程の処理は、制御部５０の燃料電池側プリチャージ実行モジュール５６の機能により実行される。燃料電池側プリチャージは、図２に関連して説明したように、システムメインリレー２０がオンの状態で、電圧変換器３６を介して行われ、これによって、燃料電池側平滑コンデンサ４０等に充電が行われるものである。

図６は、燃料電池側プリチャージが行われる様子を示す図である。システムメインリレー２０がオンされている状態で、電圧変換器３６を介し、２次電池１２から電流７２が流れ、これによって、燃料電池側平滑コンデンサ４０等に充電が行われる。このようにして、燃料電池システム１０における始動制御が、従来技術に比べ、短縮された時間で実行される。

本発明に係る実施の形態における燃料電池システムの構成図である。 従来技術における燃料電池システムの始動制御の手順を説明する図である。 本発明に係る実施の形態における燃料電池システムの始動制御の手順を説明する図である。 本発明に係る実施の形態における溶着判断の様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態における溶着判断と、従来技術における溶着判断を比較して説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、燃料電池側プリチャージが行われる様子を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、１２ ２次電池、１４，１５，１６ リレー、２０ システムメインリレー、２２ １２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ、２４ １２Ｖバッテリ、２６ 低電圧負荷、２８ 電圧センサ、３０ ２次電池側平滑コンデンサ、３２ 電流センサ、３４ 燃料電池用補機、３６ 電圧変換器、３８ 燃料電池用リレー、４０ 燃料電池側平滑コンデンサ、４２ 燃料電池、４４ インバータ、４６ モータ・ジェネレータ、５０ 制御部、５２ ２次電池側プリチャージ実行モジュール、５４ 燃料電池起動モジュール、５６ 燃料電池側プリチャージ実行モジュール、５８ 溶着判断モジュール、６０ 低電圧電池状態判断モジュール、７０，７２ 電流。

Claims (4)

1. ２次電池に電圧変換器を介して並列に接続される燃料電池と、
   ２次電池と電圧変換器との間に設けられる２次電池用システムメインリレーと、
   ２次電池と電圧変換器との間に接続される２次電池側平滑コンデンサと、
   ２次電池と電圧変換器との間に接続される燃料電池用補機と、
   電圧変換器と燃料電池との間に設けられる燃料電池用リレーと、
   燃料電池の始動を制御する制御部と、
   を有し、
   制御部は、
   ２次電池用システムメインリレーを操作して２次電池側平滑コンデンサに電流を流し、２次電池側のプリチャージを実行する手段と、
   ２次電池側のプリチャージの後、２次電池側に接続された燃料電池用補機を用いて燃料電池を起動する手段と、
   燃料電池用補機の起動と並行して、電圧変換器を介し燃料電池側のプリチャージを実行する手段と、
   を含むことを特徴と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、
   ２次電池側平滑コンデンサに流れる電流を検出する電流検出手段を有し、
   制御部は、
   ２次電池用システムメインリレーの中で溶着検出用リレーを接続する手段と、
   溶着検出用リレーを接続したときの電流検出手段の検出データに基づいて溶着判断を行う溶着判断手段と、
   溶着判断手段における結果に基づいて２次電池側平滑コンデンサに電流を流し、２次電池側のプリチャージを実行する手段と、
   を含むことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   電気機器が接続される低電圧電池と、
   低電圧電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   を有し、
   制御部は、
   燃料電池システムの起動時に、溶着判断に先立って、予め定められた所定の判定電圧を判定するのに必要な判定時間を設定し、判定時間までに電圧検出手段の検出値が所定の判定電圧以上であるときに低電圧電池の状態を正常であると判断する低電圧電池判断手段とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
4. ２次電池と、電圧変換器と、燃料電池とを並列に接続し、２次電池と電圧変換器との間に２次電池用システムメインリレーを設け、２次電池と電圧変換器との間に２次電池側平滑コンデンサを接続し、２次電池と電圧変換器との間に燃料電池用補機を接続し、電圧変換器と燃料電池との間に燃料電池用リレーを設けて構成される燃料電池システムの始動方法であって、
   ２次電池用システムメインリレーを操作して２次電池側平滑コンデンサに電流を流し、２次電池側のプリチャージを実行する工程と、
   ２次電池側に接続された燃料電池用補機を用いて燃料電池を起動する工程と、
   燃料電池用補機の起動と並行して、電圧変換器を介し燃料電池側のプリチャージを実行する工程と、
   を含むことを特徴とする燃料電池システムの始動方法。

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