(57)【要約】【課題】追加の部品を必要とすることなく、コネクタに何も接続されていないことを検知して、燃料電池スタックの出力電力を遮断することができる、燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、ＦＣスタック１と、ＦＣスタック１の出力に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力に接続されるコネクタ７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側に接続されているインピーダンスＺの値を測定するインピーダンス測定手段１１、１２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６とコネクタ７との間の電気的接続を制御するＥＣＵ５とを備えている。ＥＣＵ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から出力される直流電流に微小振幅の交流電流を重畳させ、その際にインピーダンス測定手段１１、１２によって測定されるインピーダンスＺの値に基いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ６とコネクタ７との間の電気的接続を遮断する。【選択図】図１
2019050092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの出力に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に接続されるコネクタと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続されているインピーダンスの値を測定するインピーダンス測定手段と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記コネクタとの間の電気的接続を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電流に微小振幅の交流電流を重畳させ、その際に前記インピーダンス測定手段によって測定される前記インピーダンスの値に基いて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記コネクタとの間の電気的接続を遮断する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定される前記インピーダンスの値が所定値に等しい場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記コネクタとの間の電気的接続を遮断する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記コネクタとの間に設けられるコンタクタをさらに備え、
前記制御手段は、前記コンタクタをオフすることによって、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記コネクタとの間の電気的接続を遮断する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定される前記インピーダンスの値に基いて、前記コネクタを介して接続されている電気機器の種別を判別する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記インピーダンス測定手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を測定する電圧センサと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を測定する電流センサとから構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記インピーダンス測定手段を構成する前記電圧センサおよび前記電流センサは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの内部に含まれる、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載する、産業車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池の出力に接続される電気機器を付け替え可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムの実用化が進められている。一般的な燃料電池システムでは、燃料電池スタック（ＦＣスタック）に水素と酸素が供給され、これら水素と酸素がＦＣスタック内で化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが生成される。
【０００３】
また、燃料電池システムの中には、ＦＣスタックの出力に接続される電気機器を付け替え可能なものがある。例えば、フォークリフト等の産業車両に搭載される燃料電池システムには、燃料電池システムの出力とフォークリフト本体とを接続する配線の途中にコネクタが設けられており、フォークリフト本体に代えて外部装置を接続することにより、燃料電池システムを停電時等の非常電源としても使用可能なものがある。
【０００４】
この際、コネクタに何も接続されていない状態の時には、ＦＣスタックから出力される電力がコネクタ部に加わらないことが望ましい。そのため、例えば特許文献１には、ＦＣスタックの出力に接続される電力供給ラインの途中にリレー接点を設け、ＦＣスタックの収容室を覆うカバー（フード）が開かれたことをリミットスイッチによって検知すると、リレー接点をオフにしてＦＣスタックの出力電力を遮断する発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−９０６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の発明では、カバーが開かれたことを検知するためのリミットスイッチが必要であり、部品コストが増大してしまう。
【０００７】
この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、追加の部品を必要とすることなく、コネクタに何も接続されていないことを検知して、燃料電池スタックの出力電力を遮断することができる、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】
【０００８】
上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの出力に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に接続されるコネクタと、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続されているインピーダンスの値を測定するインピーダンス測定手段と、ＤＣ／ＤＣコンバータとコネクタとの間の電気的接続を制御する制御手段とを備え、制御手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される直流電流に微小振幅の交流電流を重畳させ、その際にインピーダンス測定手段によって測定されるインピーダンスの値に基いて、ＤＣ／ＤＣコンバータとコネクタとの間の電気的接続を遮断する。
【０００９】
制御手段は、インピーダンス測定手段によって測定されるインピーダンスの値が所定値に等しい場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータとコネクタとの間の電気的接続を遮断してもよい。
【００１０】
ＤＣ／ＤＣコンバータとコネクタとの間に設けられるコンタクタをさらに備え、制御手段は、コンタクタをオフすることによって、ＤＣ／ＤＣコンバータとコネクタとの間の電気的接続を遮断してもよい。
【００１１】
制御手段は、インピーダンス測定手段によって測定されるインピーダンスの値に基いて、コネクタを介して接続されている電気機器の種別を判別してもよい。
【００１２】
インピーダンス測定手段は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を測定する電圧センサと、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を測定する電流センサとから構成されてもよい。
【００１３】
インピーダンス測定手段を構成する電圧センサおよび電流センサは、ＤＣ／ＤＣコンバータの内部に含まれてもよい。
【００１４】
また、この発明に係る産業車両は、上記のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明に係る燃料電池システムによれば、追加の部品を必要とすることなく、コネクタに何も接続されていないことを検知して、燃料電池スタックの出力電力を遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続されるインピーダンスの測定方法を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける、コネクタの接続状態とその際に測定されるインピーダンスとの関係の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態．
この発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成を図１に示す。なお、以降の説明では、燃料電池システム１００は、フォークリフト等の産業車両に搭載されるものとして説明するが、本願発明の適用可能な範囲はこれに限定されるものではない。
【００１８】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１と、水素ガスを供給可能な水素タンク２と、酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ３とを備えている。水素タンク２から供給される水素とコンプレッサ３から供給される空気中の酸素とがＦＣスタック１の内部で化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが生成される。
【００１９】
ＦＣスタック１と水素タンク２の間には、ＦＣスタック１に供給される水素ガス量を調整するための電磁弁４が設けられており、電磁弁４およびコンプレッサ３は、マイクロコンピュータによって構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）５によって制御される。ＥＣＵ５は、電磁弁４の開度とコンプレッサ３の吐出量を制御することによって、ＦＣスタック１に供給される水素と酸素の量を調整し、ＦＣスタック１の発電電力を制御する。
【００２０】
ＦＣスタック１の出力には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、ＥＣＵ５からの制御信号Ｃｔｒｌによって出力電流を可変制御可能なスイッチングレギュレータであり、ＦＣスタック１から出力される直流電圧を所望の直流電圧に降圧して出力する。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力の先には、コネクタ７が設けられている。燃料電池システム１００の通常使用時において、コネクタ７にはフォークリフト本体８のコネクタが接続されている。フォークリフト本体８には、走行モータや荷役モータ、コントローラ、ディスプレイやライト等の補機があり、燃料電池システム１００で発電した電力が供給される。また、後述するように、フォークリフト本体８の代わりに外部装置９を接続することもできる。
【００２２】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力には、上記のコネクタ７とは並列に蓄電装置１０が接続されている。蓄電装置１０は、リチウムイオンキャパシタやリチウムイオンバッテリなどの充放電可能なものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ６からフォークリフト本体８（または外部装置９）に供給される直流電力を安定化させる。
【００２３】
また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧ｖを測定するための電圧センサ１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電流ｉを測定するための電流センサ１２とを備えており、これらのセンサによって測定された情報はＥＣＵ５に入力される。なお、電圧センサ１１と電流センサ１２は、一般的な燃料電池システムでは必ず設けられているものであり、本願発明のために特別に必要とされるものではない。
【００２４】
さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力とコネクタ７との間には、コンタクタ１３が設けられている。コンタクタ１３は通常はオンであり、コンタクタ１３のオン／オフはＥＣＵ５によって制御される。
【００２５】
ＥＣＵ５は、上述したように電磁弁４の開度とコンプレッサ３の吐出量を制御することによってＦＣスタック１の発電電力を制御すると共に、制御信号ＣｔｒｌによってＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電流ｉを制御する。
【００２６】
また、ＥＣＵ５は、図２のフローチャートに示される処理を所定周期で繰り返し実行することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側に接続されているインピーダンスＺ（図１の破線で囲まれている部分のインピーダンス）の値を、所定周期で測定する。以下、ＥＣＵ５がインピーダンスＺを測定する方法について、詳細に説明する。
【００２７】
図２のステップＳ１０１において、ＥＣＵ５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６への制御信号Ｃｔｒｌを調整することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から出力される直流電流ｉＤＣに微小振幅の交流電流ｉＡＣを重畳させる。
【００２８】
より詳細には、スイッチングレギュレータ型のＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流と出力電流とは概ね比例関係にあるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力電流に所定周波数ｆｐの交流電流を重畳させることによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から出力される直流電流ｉＤＣに所定周波数ｆｐの交流電流ｉＡＣを重畳させる。
【００２９】
なお、重畳させる交流電流ｉＡＣの具体的な波形としては、例えば正弦波や矩形波とすることができる。また、微小振幅の大きさは、直流電流ｉＤＣの大きさの１０％未満であることが好ましい。
【００３０】
次に、ステップＳ１０２において、上記微小振幅の交流電流ｉＡＣが重畳された状態における、電圧センサ１１によって測定されるＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧ｖと、電流センサ１２によって測定されるＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電流ｉ（＝ｉＤＣ＋ｉＡＣ）とを、所定時間に渡ってそれぞれサンプリングする。
【００３１】
次に、ステップＳ１０３において、ステップＳ１０２でサンプリングされた電圧と電流の各サンプリング系列に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、上記所定周波数ｆｐに対応する電圧の複素周波数成分Ｖ（ｆｐ）と電流の複素周波数成分Ｉ（ｆｐ）とをそれぞれ抽出する。
【００３２】
最後に、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で抽出された電圧の複素周波数成分Ｖ（ｆｐ）と電流の複素周波数成分Ｉ（ｆｐ）とから、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側に接続されている複素インピーダンスＺ（ｆｐ）の値を、以下の式に従って算出する。
【００３３】
Ｚ（ｆｐ）＝Ｖ（ｆｐ）／Ｉ（ｆｐ）
【００３４】
ＥＣＵ５は、上記ステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理を所定周期で繰り返し実行することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側に接続されているインピーダンスＺの値を、所定周期で測定することができる。
【００３５】
上記の方法で測定されるインピーダンスＺの値は、コネクタ７の接続状態によって異なる。例えば、コネクタ７にフォークリフト本体８が接続されている場合には、インピーダンスＺの値は、蓄電装置１０のインピーダンスと走行モータや荷役モータ等のフォークリフト本体８に含まれる機器のインピーダンスとを合成したものになる。
【００３６】
また、コネクタ７に外部装置９が接続されている場合には、インピーダンスＺの値は、蓄電装置１０のインピーダンスと外部装置９のインピーダンスとを合成したものになる。
【００３７】
さらに、コネクタ７に何も接続されていない場合には、インピーダンスＺの値は、蓄電装置１０のインピーダンスにほぼ等しくなる。
【００３８】
コネクタ７の接続状態とその際に測定されるインピーダンスＺとの間の関係は、例えば図３に示されるようになる。なお、図３の各値は、複素インピーダンスの絶対値をとって示されている。
【００３９】
ＥＣＵ５は、図２の処理を所定周期で繰り返し実行することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力側に接続されているインピーダンスＺの値を所定周期で測定し、測定されたインピーダンス値Ｚが所定値Ｚ０に等しい場合には、コネクタ７に何も接続されていないと判断し、コンタクタ１３をオフすることによって、ＦＣスタック１の出力電力を遮断する。
【００４０】
これにより、本願発明では、特許文献１のようにカバーが開かれたことを検知するセンサ等の追加の部品を必要とすることなく、コネクタ７に何も接続されていないことを検知して、ＦＣスタック１の出力電力を遮断することができる。また、引用文献１では、カバーが開かれたことを検知して出力電力を遮断するため、カバーを開いたままの状態で電力供給をおこなうことができないが、本願発明においては、カバーを開いたままの状態でも電力供給をおこなうことができる。
【００４１】
なお、本願発明において、インピーダンスの測定値Ｚが所定値Ｚ０に「等しい」という場合には、複素インピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜が｜Ｚ０｜と完全に一致する場合だけでなく、｜Ｚ｜が｜Ｚ０｜±数ｍΩの範囲内にある場合を含むものとする。このような事項の判定方法としては、例えば、正数εを所定の微小値として、以下の関係が成立するか否かによって判定することができる。
【００４２】
｜Ｚ０｜−ε＜｜Ｚ｜＜｜Ｚ０｜＋ε
【００４３】
あるいは、上記の値の範囲を記憶したマップに基いて判定することもできる。
【００４４】
また、ＥＣＵ５は、図３に示されるようなマップを内部メモリに格納しておくことにより、測定されたインピーダンスＺの値に基いて、コネクタ７に何も接続されていないかだけでなく、コネクタ７に接続されているのがフォークリフト本体８であるか、外部装置９であるかを判別することもできる。
【００４５】
ＥＣＵ５は、コネクタ７に接続されている電気機器の種別を判別することにより、現在接続されている電気機器に適した出力制御をおこなうことができる。例えば、フォークリフト本体８が接続されている場合には、最大定格まで出力可能なように出力優先の制御をおこない、外部装置９が接続されている場合には効率優先の制御をおこなうことができる。
【００４６】
なお、上記の実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧ｖを測定する電圧センサ１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電流ｉを測定する電流センサ１２とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６とは別個の部品として構成されていたが、これらはＤＣ／ＤＣコンバータ６の内部に含まれていてもよい。
【００４７】
また、上記の実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力に、コネクタ７と並列に蓄電装置１０が接続されていたが、この蓄電装置１０はなくてもよい。その場合には、コネクタ７に何も接続されていないときに測定されるインピーダンスＺの値は、ほぼ無限大になる。
【００４８】
また、上記の実施の形態では、燃料電池システム１００はフォークリフト等の産業車両に搭載されるものとして説明した。その場合には、フォークリフト本体８に代えて接続される外部装置９を移動可能にすることができる。しかしながら、先述したように、本願発明の適用可能な範囲はこれに限定されるものではない。例えば、燃料電池システム１００は、特定の場所に固定されて使用されるものであってもよい。また、通常の用途に代えて接続される外部装置９の非常電源としての用途だけでなく、外部装置９に電力が必要な際に使用してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１００  燃料電池システム、１  ＦＣスタック（燃料電池スタック）、５  ＥＣＵ（制御手段）、６  ＤＣ／ＤＣコンバータ、７  コネクタ、１１  電圧センサ（インピーダンス測定手段）、１２  電流センサ（インピーダンス測定手段）、１３  コンタクタ。
【図１】
2019050092.tif 000003
【図２】
2019050092.tif 000004
【図３】
2019050092.tif 000005