(57)【要約】【課題】低圧蓄電装置を充電するために燃料電池システムを起動させる頻度を抑制できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池スタックと、高圧蓄電装置と、低圧蓄電装置と、低圧側電圧測定器と、高圧側電圧測定器と、制御部と、備えた燃料電池システムであって、制御部は、第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒに含まれている場合に第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上であれば、高圧蓄電装置から低圧蓄電装置に電力を供給させることで低圧蓄電装置を充電させ、第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒに含まれている場合に第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ未満であれば、補機を動作させることにより燃料電池スタックを動作させることで第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上となるまで高圧蓄電装置を充電させるとともに前記低圧蓄電装置を充電させる。【選択図】図３
2020123555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷と接続される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにより発電された電力を前記負荷に供給したときの余剰電力が充電される高圧蓄電装置と、
前記燃料電池スタックにより発電された電力を前記負荷に供給したときの余剰電力が充電されるとともに補機を動作させる電力が充電されている低圧蓄電装置と、
前記低圧蓄電装置の第１電圧値を計測する低圧側電圧測定器と、
前記高圧蓄電装置の第２電圧値を計測する高圧側電圧測定器と、
前記補機の動作を制御することにより前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記第１電圧値が規定範囲に含まれている場合に前記第２電圧値が規定値以上であれば、前記高圧蓄電装置から前記低圧蓄電装置に電力を供給させることで前記低圧蓄電装置を充電させ、
前記第１電圧値が前記規定範囲に含まれている場合に前記第２電圧値が前記規定値未満であれば、前記燃料電池スタックを動作させることで前記第２電圧値が前記規定値以上となるまで前記高圧蓄電装置を充電させるとともに前記低圧蓄電装置を充電させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記高圧蓄電装置は、キャパシタであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記第２電圧値が前記規定値未満から前記規定値以上となることに基づき、前記燃料電池スタックの動作を停止させるとともに前記高圧蓄電装置から前記低圧蓄電装置に電力を供給させることで前記低圧蓄電装置を充電させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックにより発電された電力を降圧する高圧コンバータと、
前記高圧コンバータにより降圧された電力を更に降圧する低圧コンバータと、を更に備え、
前記高圧コンバータは、高圧側供給配線により前記燃料電池スタックに接続されるとともに高圧側変換配線により前記高圧蓄電装置に接続され、
前記低圧コンバータは、前記高圧側変換配線に接続される低圧側供給配線により前記高圧コンバータと接続されるとともに低圧側変換配線により前記低圧蓄電装置に接続され、
前記高圧側供給配線、前記高圧側変換配線、前記低圧側供給配線、及び前記低圧側変換配線は、それぞれ正極側配線及び負極側配線を有し、
前記高圧側変換配線における前記正極側配線及び前記負極側配線の一方には、第１リレーが設けられ、
前記低圧側供給配線における前記正極側配線及び前記負極側配線の一方には、第２リレーが設けられ、
前記第１リレー及び前記第２リレーは、前記第２リレーを閉じた状態で前記第１リレーを開いた状態にしたとき、前記高圧蓄電装置に対して前記低圧コンバータが接続された閉回路を形成するとともに、前記第１リレー及び前記第２リレーは、前記燃料電池システムが停止しているときに共に開いた状態に維持され、
前記制御部は、
前記第１電圧値が前記規定範囲に含まれている場合に前記第２電圧値が前記規定値以上であれば、前記第２リレーを閉じた状態にさせるとともに前記第１電圧値が前記規定範囲の上限値以上となるときに前記第２リレーを開いた状態にさせ、
前記第１電圧値が前記規定範囲に含まれる場合に前記第２電圧値が前記規定値未満であれば、前記第１リレー及び前記第２リレーを閉じた状態にさせ、前記第２電圧値が前記規定値以上となるときに前記燃料電池スタックの動作を停止させるとともに前記第１リレーを開いた状態にさせ、前記第１電圧値が前記規定範囲の前記上限値以上となるときに前記第２リレーを開いた状態にさせることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムが搭載された産業車両。
【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、及び燃料電池システムが搭載された産業車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に記載されるような燃料電池システムが知られている。
上記の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、高圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、高圧バッテリ（高圧蓄電装置）と、低圧バッテリ（低圧蓄電装置）と、低圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、補機と、備えている。燃料電池スタックは、高圧側供給配線により高圧コンバータと接続されている。高圧コンバータは、高圧側変換配線により高圧バッテリと接続されている。高圧コンバータは、燃料電池スタックにより発電された電力の電圧値を降圧して高圧バッテリに出力する。高圧バッテリには、高圧コンバータにより降圧された電力が充電される。低圧コンバータは、高圧側変換配線のそれぞれに接続される低圧側供給配線により高圧コンバータと接続されている。低圧コンバータは、低圧側変換配線により低圧バッテリと接続されている。低圧コンバータは、高圧コンバータにより降圧された電力を低圧コンバータにより更に降圧して低圧バッテリに出力する。低圧バッテリには、低圧コンバータにより降圧された電力が充電される。補機は、燃料電池スタックの動作を補助する機能を有している。補機には、例えば燃料電池スタックに接続される水素タンクからの水素の供給量を調整する電磁バルブ等が含まれる。補機は、低圧バッテリから電力が供給されることにより燃料電池システムの起動を補助する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１４９６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムが長期間起動されない場合や燃料電池システムの使用頻度が少ない場合、低圧バッテリの自己放電等により低圧バッテリの電圧が低下することがある。低圧バッテリの電圧が低下することで、補機の動作が不安定になり燃料電池システムが起動できなくなることが考えられる。この場合、燃料電池システムにおける低圧バッテリの電圧が低下する前に燃料電池システムを起動させて低圧バッテリを充電することが考えられるが、燃料電池スタックを起動させて低圧バッテリを充電すると、低圧バッテリの充電に時間がかかる。ひいては、燃料電池システムの起動時間が長くなってしまう。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、低圧蓄電装置を充電するために燃料電池システムを起動させる頻度を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する燃料電池システムは、負荷と接続される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにより発電された電力を前記負荷に供給したときの余剰電力が充電される高圧蓄電装置と、前記燃料電池スタックにより発電された電力を前記負荷に供給したときの余剰電力が充電されるとともに補機を動作させる電力が充電されている低圧蓄電装置と、前記低圧蓄電装置の第１電圧値を計測する低圧側電圧測定器と、前記高圧蓄電装置の第２電圧値を計測する高圧側電圧測定器と、前記補機の動作を制御することにより前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御部は、前記第１電圧値が規定範囲に含まれている場合に前記第２電圧値が規定値以上であれば、前記高圧蓄電装置から前記低圧蓄電装置に電力を供給させることで前記低圧蓄電装置を充電させ、前記第１電圧値が前記規定範囲に含まれている場合に前記第２電圧値が前記規定値未満であれば、前記燃料電池スタックを動作させることで前記第２電圧値が前記規定値以上となるまで前記高圧蓄電装置を充電させるとともに前記低圧蓄電装置を充電させる。
【０００７】
これによれば、低圧蓄電装置に充電されている電力の第１電圧値が規定範囲に含まれるまで低下した場合、高圧蓄電装置から低圧蓄電装置に電力を供給することにより低圧蓄電装置を充電することができる。したがって、低圧蓄電装置を充電するために燃料電池システムを起動させる頻度を抑制できる。
【０００８】
上記の燃料電池システムにおいて、前記高圧蓄電装置は、キャパシタであるとよい。
これによれば、高圧蓄電装置としてキャパシタが採用されている。キャパシタは、電力を充放電する瞬発性能が高い。すなわち、キャパシタは、充電時には短時間で大電力を充電することができる。そのため、高圧蓄電装置への充電において、第２電圧値を規定値以上にするために必要な燃料電池スタックの作動時間を短くすることができる。
【０００９】
上記の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第２電圧値が前記規定値未満から前記規定値以上となることに基づき、前記燃料電池スタックの動作を停止させるとともに前記高圧蓄電装置から前記低圧蓄電装置に電力を供給させることで前記低圧蓄電装置を充電させるとよい。
【００１０】
第１電圧値が規定範囲に含まれている場合に第２電圧値が規定値未満であれば、燃料電池スタックを動作させる。このとき、高圧蓄電装置が充電されるとともに低圧蓄電装置も充電される。燃料電池スタックを起動させて低圧蓄電装置を充電すると、低圧蓄電装置の充電に時間がかかる。ひいては、燃料電池システムの起動時間が長くなってしまう。
【００１１】
その点、これによれば、高圧蓄電装置の第２電圧値が規定値以上となるときに燃料電池スタックを停止させ、高圧蓄電装置から低圧蓄電装置に電力を供給することで低圧蓄電装置を充電させる。そのため、低圧蓄電装置を充電させるために燃料電池スタックを動作させる頻度、すなわち燃料電池システムを起動させる頻度をより抑制できる。
【００１２】
上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックにより発電された電力を降圧する高圧コンバータと、前記高圧コンバータにより降圧された電力を更に降圧する低圧コンバータと、を更に備え、前記高圧コンバータは、高圧側供給配線により前記燃料電池スタックに接続されるとともに高圧側変換配線により前記高圧蓄電装置に接続され、前記低圧コンバータは、前記高圧側変換配線に接続される低圧側供給配線により前記高圧コンバータと接続されるとともに低圧側変換配線により前記低圧蓄電装置に接続され、前記高圧側供給配線、前記高圧側変換配線、前記低圧側供給配線、及び前記低圧側変換配線は、それぞれ正極側配線及び負極側配線を有し、前記高圧側変換配線における前記正極側配線及び前記負極側配線の一方には、第１リレーが設けられ、前記低圧側供給配線における前記正極側配線及び前記負極側配線の一方には、第２リレーが設けられ、前記第１リレー及び前記第２リレーは、前記第２リレーを閉じた状態で前記第１リレーを開いた状態にしたとき、前記高圧蓄電装置に対して前記低圧コンバータが接続された閉回路を形成するとともに、前記第１リレー及び前記第２リレーは、前記燃料電池システムが停止しているときに共に開いた状態に維持され、前記制御部は、前記第１電圧値が前記規定範囲に含まれている場合に前記第２電圧値が前記規定値以上であれば、前記第２リレーを閉じた状態にさせるとともに前記第１電圧値が前記規定範囲の上限値以上となるときに前記第２リレーを開いた状態にさせ、前記第１電圧値が前記規定範囲に含まれる場合に前記第２電圧値が前記規定値未満であれば、前記第１リレー及び前記第２リレーを閉じた状態にさせ、前記第２電圧値が前記規定値以上となるときに前記燃料電池スタックの動作を停止させるとともに前記第１リレーを開いた状態にさせ、前記第１電圧値が前記規定範囲の前記上限値以上となるときに前記第２リレーを開いた状態にさせるとよい。
【００１３】
これによれば、燃料電池スタックが停止しているときに第１リレー及び第２リレーが開いた状態に維持される。そのため、第１リレー及び第２リレーが設けられていない構成と比較すると、高圧蓄電装置及び低圧蓄電装置の自己放電による電圧値の低下を抑制できる。また、第１電圧値が規定範囲に含まれる場合に第２電圧値が規定値未満であれば、第１リレー及び第２リレーを閉じた状態になるため、燃料電池スタックが発電した電力は、高圧蓄電装置及び低圧蓄電装置に充電される。そして、第２電圧値が規定値以上となると、燃料電池スタックが停止し、第１リレーのみが開いた状態になる。そのため、高圧蓄電装置から低圧コンバータを介して低圧蓄電装置に電力が供給され、低圧蓄電装置が充電される。よって、第１リレー及び第２リレーの開閉を制御部により制御することで高圧蓄電装置及び低圧蓄電装置の自己放電を抑制しつつ、低圧蓄電装置を充電するために燃料電池システムを起動させる頻度を抑制させる効果をより適切に得ることができる。
【００１４】
上記課題を解決する産業車両は、上記した燃料電池システムが搭載された産業車両である。
これによれば、産業車両を移送中である場合、もしくは産業車両の使用時間が短い場合等の状況であっても、低圧蓄電装置を充電するために燃料電池システムを起動させる頻度を抑制できる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、低圧蓄電装置を充電するために燃料電池システムを起動させる頻度を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】産業車両を示す概略図。
【図２】燃料電池システムを示すブロック図。
【図３】燃料電池システムの制御部の制御フロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、燃料電池システム、及び燃料電池システムが搭載された産業車両を具体化した実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、産業車両としてのフォークリフト１００の車体１０１には、荷役装置１０９が装備されている。荷役装置１０９は、左右一対のアウタマスト１０４ａとインナマスト１０４ｂからなるマスト１０４を備えている。アウタマスト１０４ａには油圧作動装置として油圧式のティルトシリンダ１０８が連結され、インナマスト１０４ｂには油圧作動装置として油圧式のリフトシリンダ１０５が連結されている。マスト１０４は、ティルトシリンダ１０８に対する作動油の給排によって車体の前後方向に前傾動作又は後傾動作を行う。インナマスト１０４ｂは、リフトシリンダ１０５に対する作動油の給排によって車体１０１の上下方向に昇降動作を行う。また、インナマスト１０４ｂには、リフトブラケット１０７を介して荷役具としてのフォーク１０６が設けられている。フォーク１０６は、リフトシリンダ１０５の作動によってインナマスト１０４ｂがアウタマスト１０４ａに沿って昇降動作を行うことにより、リフトブラケット１０７とともに昇降動作を行う。
【００１８】
車体１０１には、燃料電池システム１及び車両負荷９０が搭載されている。車両負荷９０は、走行モータ９１及び荷役モータ９２により構成される。燃料電池システム１は、車両負荷９０に供給する電力を発電するシステムである。走行モータ９１は、燃料電池システム１により発電された電力によって駆動する。走行モータ９１の出力軸（図示略）は、前輪１０２の回転軸（図示略）に減速機を介して連結されている。走行モータ９１が燃料電池システム１により発電された電力により駆動することで、走行モータ９１の出力軸が回転し、当該回転が減速機を介して前輪１０２の回転軸に伝達される。ひいては、前輪１０２が回転するため、フォークリフト１００が走行する。
【００１９】
荷役モータ９２は、燃料電池システム１により発電された電力によって駆動する。荷役モータ９２は、各シリンダ１０５，１０８への作動油の給排を制御する油圧機構（図示略）に作動油を供給する荷役ポンプを駆動させる動力源である。荷役モータ９２が燃料電池システム１により発電された電力により駆動することで、荷役ポンプから油圧機構に対して作動油が供給される。ひいては、油圧機構により各シリンダ１０５，１０８に対して作動油が給排されるため、各シリンダ１０５，１０８が伸縮動作する。
【００２０】
次に、燃料電池システム１について説明する。
図２に示すように、燃料電池システム１は、負荷としての車両負荷９０を駆動させるための電力源として使用される。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セルをスタック化したものである。燃料電池セルとは、例えば、固定高分子型燃料電池である。燃料電池スタック１０は、燃料ガスと、酸化剤ガスとの化学反応によって発電を行う。本実施形態では、水素ガスを燃料ガス、空気中の酸素を酸化剤ガスとして発電が行われる。すなわち、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０の発電した電力によって車両負荷９０を駆動させるシステムである。なお、燃料電池スタック１０により発電される電力の電圧値は、例えば８０Ｖである。
【００２１】
燃料電池システム１は、高圧コンバータ２０と、高圧蓄電装置３０と、低圧コンバータ４０と、低圧蓄電装置５０と、制御部７０とを備えている。
高圧コンバータ２０は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータが採用されている。高圧コンバータ２０は、燃料電池スタック１０により発電された電力を降圧する機能を有している。高圧コンバータ２０は、燃料電池スタック１０により発電された電力を、例えば４８Ｖまで降圧する機能を有している。高圧コンバータ２０は、燃料電池スタック１０に高圧側供給配線Ｌ１により接続されている。高圧側供給配線Ｌ１は、正極側配線Ｌ１´及び負極側配線Ｌ１´´を有している。正極側配線Ｌ１´及び負極側配線Ｌ１´´は、燃料電池スタック１０及び高圧コンバータ２０における同じ極性を有する電極端子同士を接続している。
【００２２】
高圧蓄電装置３０には、リチウムイオンキャパシタが採用されている。高圧蓄電装置３０には、高圧コンバータ２０により降圧された燃料電池スタック１０の電力が充電される。高圧蓄電装置３０は、高圧コンバータ２０に高圧側変換配線Ｌ２により接続されている。高圧側変換配線Ｌ２は、高圧蓄電装置３０だけでなく、車両負荷９０とも接続されている。すなわち、燃料電池スタック１０は、車両負荷９０と接続されている。高圧側変換配線Ｌ２は、正極側配線Ｌ２´及び負極側配線Ｌ２´´を有している。正極側配線Ｌ２´及び負極側配線Ｌ２´´は、高圧コンバータ２０及び車両負荷９０における同じ極性を有する電極端子同士を接続している。また、正極側配線Ｌ２´及び負極側配線Ｌ２´´は、高圧コンバータ２０及び高圧蓄電装置３０における同じ極性を有する電極端子同士を接続している。よって、燃料電池スタック１０により発電された電力は、高圧コンバータ２０により降圧され、車両負荷９０に供給される。高圧蓄電装置３０には、燃料電池スタック１０により発電された電力を車両負荷９０に供給したときの余剰電力が充電される。
【００２３】
低圧コンバータ４０は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータが採用されている。低圧コンバータ４０は、高圧コンバータ２０から出力される電力を更に降圧する機能を有している。低圧コンバータ４０は、高圧コンバータ２０から出力される電力を、例えば１２Ｖまで降圧する機能を有している。低圧コンバータ４０は、低圧側供給配線Ｌ３を介して高圧側変換配線Ｌ２に接続されている。低圧側供給配線Ｌ３は、正極側配線Ｌ３´及び負極側配線Ｌ３´´を有している。低圧側供給配線Ｌ３の正極側配線Ｌ３´は、同じ極性を有する高圧側変換配線Ｌ２の正極側配線Ｌ２´に接続されている。低圧側供給配線Ｌ３の負極側配線Ｌ３´´は、同じ極性を有する高圧側変換配線Ｌ２の負極側配線Ｌ２´´に接続されている。よって、低圧コンバータ４０は、低圧側供給配線Ｌ３により高圧コンバータ２０に接続されている。
【００２４】
低圧蓄電装置５０には、１２Ｖバッテリが採用されている。低圧蓄電装置５０は、低圧コンバータ４０に低圧側変換配線Ｌ４により接続されている。低圧側変換配線Ｌ４は、正極側配線Ｌ４´及び負極側配線Ｌ４´´を有している。正極側配線Ｌ４´及び負極側配線Ｌ４´´は、低圧コンバータ４０及び低圧蓄電装置５０における同じ極性を有する電極端子同士を接続している。よって、低圧蓄電装置５０は、低圧コンバータ４０により降圧された電力が充電される。すなわち、低圧蓄電装置５０には、燃料電池スタック１０により発電された電力を車両負荷９０に供給したときの余剰電力が充電される。
【００２５】
燃料電池スタック１０には、水素供給配管６４を介して水素タンク６３が接続されている。燃料電池スタック１０には、空気供給配管６５を介して電動圧縮機６２が接続されている。
【００２６】
水素タンク６３と燃料電池スタック１０とを接続する水素供給配管６４には、電磁弁６１が設けられている。電磁弁６１は、水素供給配管６４の開度を調整する機能を有している。電磁弁６１は、弁体と、弁体を動作させるソレノイド等のアクチュエータとを有しており、低圧蓄電装置５０からアクチュエータに電力が供給されることにより、弁体を動作させることで水素供給配管６４の開度を調整する。
【００２７】
電動圧縮機６２は、大気中の空気を吸引して圧縮した空気を空気供給配管６５を介して燃料電池スタック１０に吐出する機能を有している。電動圧縮機６２は、電動モータを有しており、低圧蓄電装置５０から電動モータに電力が供給されることにより、大気中の空気を吸引して圧縮した空気を空気供給配管６５を介して燃料電池スタック１０に吐出する。
【００２８】
制御部７０は、電磁弁６１及び電動圧縮機６２の動作を制御する。制御部７０は、予め設定された駆動周期や開弁時間に応じて、電磁弁６１のアクチュエータを動作させることで弁体を駆動させ、水素供給配管６４の開度を調整する。すなわち、制御部７０は、電磁弁６１の動作を制御し、水素供給配管６４の開度を調整することで水素タンク６３から燃料電池スタック１０に供給される水素の供給量を制御している。また、制御部７０は、電動圧縮機６２に設けられた電動モータのトルクを制御することで燃料電池スタック１０への空気の供給量を制御している。よって、制御部７０は、電磁弁６１及び電動圧縮機６２の動作を制御し、水素の供給量及び空気の供給量を制御することで燃料電池スタック１０の発電量を制御している。なお、電磁弁６１及び電動圧縮機６２は、水素供給配管６４の開度の調整、及び燃料電池スタック１０に供給する空気の供給量の調整といった燃料電池スタック１０の動作を補助する補機である。
【００２９】
また、制御部７０は、電磁弁６１及び電動圧縮機６２の動作を制御することにより燃料電池スタック１０が発電する発電量を段階的に切り替える。詳しくは、制御部７０は、燃料電池スタック１０が発電する発電量が比較的少ない低出力状態と、燃料電池スタック１０が発電する発電量が比較的に多い高出力状態と、燃料電池スタック１０が発電する発電量が低出力状態と高出力状態との間となる中出力状態とを段階的に切り替える。なお、制御部７０は、制御部７０が起動するときには低圧蓄電装置５０に充電されている電力を用いる。
【００３０】
このように構成された燃料電池システム１では、燃料電池システム１を起動させる場合、制御部７０により電磁弁６１及び電動圧縮機６２（補機）が動作させられることで燃料電池スタック１０が発電を開始する。燃料電池スタック１０により発電された電力は、高圧コンバータ２０を介して車両負荷９０に供給される一方で、車両負荷９０の駆動に用いられなかった余剰電力が高圧側変換配線Ｌ２を介して高圧蓄電装置３０に充電される。同様に、燃料電池スタック１０により発電された電力は、高圧コンバータ２０を介して車両負荷９０に供給される一方で、車両負荷９０の駆動に用いられなかった余剰電力が高圧側変換配線Ｌ２、低圧側供給配線Ｌ３、低圧コンバータ４０、及び低圧側変換配線Ｌ４を介して低圧蓄電装置５０に充電される。
【００３１】
また、制御部７０は、燃料電池システム１を停止させるときに高圧蓄電装置３０に充電されている電力の残量を確認する。制御部７０は、高圧蓄電装置３０に充電されている電力の残量が十分である場合、電磁弁６１及び電動圧縮機６２の動作を停止させることで燃料電池スタック１０の動作を停止させる。制御部７０は、高圧蓄電装置３０に充電されている電力の残量が十分でない場合、電磁弁６１及び電動圧縮機６２、ひいては燃料電池スタック１０の動作を維持し、高圧蓄電装置３０に十分な電力が充電されたときに電磁弁６１及び電動圧縮機６２の動作を停止させることで燃料電池スタック１０の動作を停止させる。
【００３２】
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池システム１が長期間起動されない状況において、低圧蓄電装置５０に充電されている電力の電圧値に応じて高圧蓄電装置３０から低圧コンバータ４０を介して電力を供給することで低圧蓄電装置５０を充電する構成を備えている。以下、その構成について説明する。
【００３３】
燃料電池システム１において、高圧コンバータ２０と高圧蓄電装置３０とを接続している高圧側変換配線Ｌ２の正極側配線Ｌ２´には、高圧側変換配線Ｌ２の正極側配線Ｌ２´を開閉する第１リレーＲ１が設けられている。燃料電池システム１の低圧側供給配線Ｌ３の正極側配線Ｌ３´には、低圧側供給配線Ｌ３の正極側配線Ｌ３´を開閉する第２リレーＲ２が設けられている。第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２に関して、第２リレーＲ２を閉じた状態で第１リレーＲ１を開いた状態にしたとき、高圧蓄電装置３０に対して低圧蓄電装置５０が接続された閉回路が形成される。第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２は、燃料電池スタック１０が停止しているとき、すなわち燃料電池システム１が停止しているときに共に開いた状態に維持される。これは、高圧蓄電装置３０及び低圧蓄電装置５０と車両負荷９０との間を導通させないようにするためである。
【００３４】
低圧蓄電装置５０は、低圧蓄電装置５０に充電されている電力の電圧値を示す電圧信号Ｖｓ１を出力する第１電圧信号検出器５１を備えている。高圧蓄電装置３０は、高圧蓄電装置３０に充電されている電力の電圧値を示す電圧信号Ｖｓ２を出力する第２電圧信号検出器３１を備えている。電圧信号Ｖｓ１，Ｖｓ２は、制御部７０に出力される。
【００３５】
制御部７０は、電圧信号Ｖｓ１が入力されることにより低圧蓄電装置５０に充電されている電力の第１電圧値Ｖ１を演算する第１演算部８１を備えている。制御部７０は、電圧信号Ｖｓ２が入力されることにより高圧蓄電装置３０に充電されている電力の第２電圧値Ｖ２を演算する第２演算部８２を備えている。ここで、第１電圧信号検出器５１及び第１演算部８１により、低圧蓄電装置５０に充電されている電力の第１電圧値Ｖ１を計測する低圧側電圧測定器が構成されている。また、第２電圧信号検出器３１及び第２演算部８２により、高圧蓄電装置３０に充電されている電力の第２電圧値Ｖ２を計測する高圧側電圧測定器が構成されている。制御部７０は、第１電圧値Ｖ１及び第２電圧値Ｖ２に応じて第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２の開閉を制御するとともに、電磁弁６１及び電動圧縮機６２の動作を制御することで燃料電池スタック１０の動作、ひいては燃料電池システム１の動作を制御する。
【００３６】
さらに、制御部７０には、タイマー（図示略）が設けられている。制御部７０は、燃料電池システム１が停止している状態において、タイマーにより予め設定された時間が経過する度に、いわゆる所定周期で自身を起動させ、所定の処理を実施する機能を有している。当該所定の処理とは、各電圧信号検出器３１，５１から常に出力されている電圧信号Ｖｓ１，Ｖｓ２に基づき各演算部８１，８２で各電圧値Ｖ１，Ｖ２を演算する処理、及び各電圧値Ｖ１，Ｖ２に基づき第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２の開閉、及び燃料電池スタック１０の動作を制御しつつ低圧蓄電装置５０を充電させる処理である。
【００３７】
ここで、燃料電池システム１の制御部７０の制御フローについて詳しく説明する。
図３に示すように、制御部７０は、低圧蓄電装置５０の第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒに含まれているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。制御部７０は、第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒの下限値Ｖｍｉｎ以上であり、上限値Ｖｍａｘ未満であるか否かを判定する。制御部７０は、ステップＳ１０１がＮＯであれば、第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２を開いた状態に維持し、制御処理を終了する（ステップＳ１０８）。制御部７０は、第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒに含まれている場合（ステップＳ１０１がＹＥＳ）、第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。制御部７０は、第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上である場合（ステップＳ１０２がＹＥＳ）、高圧蓄電装置３０から低圧コンバータ４０を介して低圧蓄電装置５０に電力を供給することで低圧蓄電装置５０を充電する（ステップＳ１０３）。このとき、制御部７０は、第２リレーＲ２を閉じ、第１リレーＲ１を開いた状態にさせることで高圧蓄電装置３０対して低圧コンバータ４０が接続された閉回路を形成することで高圧蓄電装置３０から低圧コンバータ４０を介して低圧蓄電装置５０を充電する。制御部７０は、ステップＳ１０３の後、低圧蓄電装置５０の充電状態を確認するため、再度ステップＳ１０１を実施する。このとき、制御部７０は、低圧蓄電装置５０に充電されている電力の第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒの上限値Ｖｍａｘ以上となるとき（ステップＳ１０１がＮＯ）、第１リレーＲ１だけでなく第２リレーＲ２も開いた状態とすることで制御処理を終了する（ステップＳ１０８）。制御部７０は、ステップＳ１０１がＹＥＳであり、且つ第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ未満である場合（ステップＳ１０２がＮＯ）、低圧蓄電装置５０から電磁弁６１及び電動圧縮機６２に電力を供給することにより燃料電池スタック１０を動作させる、すなわち燃料電池システム１を起動させる（ステップＳ１０４）。制御部７０は、燃料電池システム１を起動させるとともに第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２を閉じた状態にする。そのため、燃料電池システム１が起動している状態では、燃料電池スタック１０が発電することにより高圧蓄電装置３０及び低圧蓄電装置５０が充電される。このとき、制御部７０は、高圧蓄電装置３０に充電されている電力の第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上となるまで高圧蓄電装置３０を充電させる。制御部７０は、ステップＳ１０４の後、高圧蓄電装置３０の充電状態を確認するために再度第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。制御部７０は、第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上となることに基づき（ステップＳ１０５がＹＥＳ）、電磁弁６１及び電動圧縮機６２の動作を停止させ、燃料電池スタック１０の動作を停止させることで燃料電池システム１の発電を停止させる（ステップＳ１０６）。同時に、制御部７０は、第２リレーＲ２を閉じた状態に維持し、第１リレーＲ１を開いた状態にする（ステップＳ１０６）。制御部７０は、第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上でないとき（ステップＳ１０６がＮＯ）、燃料電池スタック１０の動作を継続し、高圧蓄電装置３０及び低圧蓄電装置５０の充電を継続する。すなわち、制御部７０は、ステップＳ１０６がＮＯであれば、高圧蓄電装置３０に充電される電力の第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上となるまでステップＳ１０６を繰り返し判定する。ステップＳ１０６の後、制御部７０は、ステップＳ１０３を実施する。制御部７０は、ステップＳ１０３の後、上述したステップＳ１０１以降の処理を繰り返し実施し、ステップＳ１０８に至るときに制御部７０の制御処理を終了する。
【００３８】
ここで、規定範囲Ｖｒ、及び規定値Ｖｔｈについて説明する。
規定範囲Ｖｒは、低圧蓄電装置５０に充電されている電力の第１電圧値Ｖ１が燃料電池システム１を安定的に動作させることができなくなる前段階の電圧値の範囲を示す。具体的には、規定範囲Ｖｒの下限値Ｖｍｉｎは、電磁弁６１、電動圧縮機６２、及び制御部７０を安定的に起動させることができる第１電圧値Ｖ１の限界値である。規定範囲Ｖｒの上限値Ｖｍａｘは、制御部７０が停止している状態からタイマーにより制御部７０が起動するまでの１周期の間に、低圧蓄電装置５０の第１電圧値Ｖ１が自己放電等で低下したときに第１電圧値Ｖ１が下限値Ｖｍｉｎとなることを予め実験的に確認した上で設定される値を示している。そのため、第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒに含まれている状態とは、制御部７０が停止している状態からタイマーにより制御部７０が起動するまでの１周期の間に低圧蓄電装置５０に充電されている電力の第１電圧値Ｖ１が、電磁弁６１、電動圧縮機６２、及び制御部７０を安定的に起動できなくなる可能性があることを示している。
【００３９】
規定値Ｖｔｈは、高圧蓄電装置３０に充電されている電力が、燃料電池スタック１０の出力状態が急変したときに車両負荷９０の動作の追従性を保つことができるように設定されている。燃料電池スタック１０の出力状態の急変とは、例えばフォークリフト１００及び燃料電池システム１が起動し、車両負荷９０の動作を急変させることを示している。車両負荷９０の動作を急変させるためには、燃料電池システム１の燃料電池スタック１０の発電量を多くするように、出力状態を低出力状態から高出力状態に急変させる必要がある。しかし、燃料電池スタック１０の発電量によっては、車両負荷９０の動作を急変させることができない場合がある。この場合、高圧蓄電装置３０に充電されている電力を車両負荷９０に向けて放電することで発電量を補う。よって、規定値Ｖｔｈは、燃料電池スタック１０の出力状態が急変したときに車両負荷９０の動作の追従性を保つことができる程度に設定されている。
【００４０】
また、規定値Ｖｔｈは、高圧蓄電装置３０から低圧コンバータ４０を介して低圧蓄電装置５０を充電するときに、低圧蓄電装置５０の第１電圧値Ｖ１を規定範囲Ｖｒの上限値Ｖｍａｘ以上とすることができるように設定されている。詳しくは、規定値Ｖｔｈは、低圧蓄電装置５０を所定回数充電できるように設定されている。なお、当該所定回数は、燃料電池システム１に搭載される高圧蓄電装置３０及び低圧蓄電装置５０の製品仕様、燃料電池システム１が搭載されるフォークリフト１００に使用頻度、及び燃料電池システム１がどのくらいの期間起動されないか、を考慮して設定されている。したがって、規定値Ｖｔｈは、燃料電池スタック１０の出力状態の急変に対応できるように、且つ低圧蓄電装置５０を十分に充電できるように設定されている。
【００４１】
本実施形態では以下の作用及び効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、低圧蓄電装置５０に充電されている電力の第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒに含まれるまで低下した場合、高圧蓄電装置３０から低圧蓄電装置５０に電力を供給することにより低圧蓄電装置５０を充電することができる。したがって、低圧蓄電装置５０を充電するために燃料電池システム１を起動させる頻度を抑制できる。
【００４２】
（２）本実施形態では、高圧蓄電装置３０としてリチウムイオンキャパシタが採用されている。リチウムイオンキャパシタは、電力を充放電する瞬発性能が高い。すなわち、リチウムイオンキャパシタは、充電時には短時間で大電力を充電することができる。そのため、高圧蓄電装置３０への充電において、第２電圧値Ｖ２を規定値Ｖｔｈ以上にするために必要な燃料電池スタック１０の作動時間を短くすることができる。
【００４３】
（３）第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒに含まれている場合に第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ未満であれば、燃料電池スタック１０を動作させる。このとき、高圧蓄電装置３０が充電されるとともに低圧蓄電装置５０も充電される。燃料電池スタック１０を起動させて低圧蓄電装置５０を充電すると、低圧蓄電装置５０の充電に時間がかかる。ひいては、燃料電池システム１の起動時間が長くなってしまう。
【００４４】
その点、本実施形態では、高圧蓄電装置３０の第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上となるときに燃料電池スタック１０を停止させ、高圧蓄電装置３０から低圧蓄電装置５０に電力を供給することで低圧蓄電装置５０を充電させる。そのため、低圧蓄電装置５０を充電させるために燃料電池スタック１０を動作させる頻度、すなわち燃料電池システム１を起動させる頻度をより抑制できる。
【００４５】
（４）本実施形態では、燃料電池スタック１０が停止しているときに第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２が開いた状態に維持される。そのため、第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２が設けられていない構成と比較すると、高圧蓄電装置３０及び低圧蓄電装置５０の自己放電による電圧値の低下を抑制できる。また、第１電圧値Ｖ１が規定範囲Ｖｒに含まれる場合に第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ未満であれば、第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２を閉じた状態になるため、燃料電池スタック１０が発電した電力は、高圧蓄電装置３０及び低圧蓄電装置５０に充電される。そして、第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上となると、燃料電池スタック１０が停止し、第１リレーＲ１のみが開いた状態になる。そのため、高圧蓄電装置３０から低圧コンバータ４０を介して低圧蓄電装置５０に電力が供給され、低圧蓄電装置５０が充電される。よって、第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２の開閉を制御部７０により制御することで高圧蓄電装置３０及び低圧蓄電装置５０の自己放電を抑制しつつ、低圧蓄電装置５０を充電するために燃料電池システム１を起動させる頻度を抑制させる効果を適切に得ることができる。
【００４６】
（５）本実施形態に記載の燃料電池システム１を搭載したフォークリフト１００では、フォークリフト１００を移送中である場合、もしくはフォークリフト１００の使用時間が短い場合等の状況であっても、低圧蓄電装置５０を充電するために燃料電池システム１を起動させる頻度を抑制できる。
【００４７】
（６）（２）の効果に伴って、水素消費量の低減や、燃料電池システム１の発電時に発生する音の継続時間を短くすることができる。
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【００４８】
〇  本実施形態では、燃料電池システム１はフォークリフト１００に搭載されていたが、これに限らない。例えば、自動車等の車両に搭載されていてもよい。また、車両に限らず、定置電源等に使用されるものであってもよい。このとき、本実施形態の車両負荷９０から定置電源等を駆動させるために使用される負荷に変更する。
【００４９】
〇  本実施形態において、第２リレーＲ２を低圧側供給配線Ｌ３の負極側配線Ｌ３´´に配置してもよい。このように変更しても、第２リレーＲ２を閉じた状態で第１リレーＲ１が開いた状態にしたとき、高圧蓄電装置３０に対して低圧コンバータ４０が接続された閉回路が形成できる。そのため、本実施形態と同じ作用及び効果を得ることができる。なお、高圧側変換配線Ｌ２の正極側配線Ｌ２´及び負極側配線Ｌ２´´のいずれか一方に第１リレーＲ１が設けられ、低圧側供給配線Ｌ３の正極側配線Ｌ３´及び負極側配線Ｌ３´´のいずれか一方に第２リレーＲ２が設けられるように変更してもよいが、第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２の配置の仕方は種々存在する。そのため、第２リレーＲ２を閉じた状態で第１リレーＲ１を開いた状態にしたとき、高圧コンバータ２０と高圧蓄電装置３０との電力のやり取りが遮断され、高圧蓄電装置３０と低圧コンバータ４０とが接続された閉回路が形成できればどのように第１リレーＲ１及び第２リレーＲ２の配置を変更してもよい。
【００５０】
〇  正極側配線Ｌ１´，Ｌ２´、Ｌ３´，Ｌ４´及び負極側配線Ｌ１´´，Ｌ２´´，Ｌ３´´，Ｌ４´´は、それぞれ燃料電池システム１を構成する各要素を接続する配線の概念を示している。すなわち、正極側配線Ｌ１´，Ｌ２´、Ｌ３´，Ｌ４´及び負極側配線Ｌ１´´，Ｌ２´´，Ｌ３´´，Ｌ４´´の本数については燃料電池システム１の冗長性向上を目的として複数本使用してもよいし、燃料電池システム１の製品仕様によって適宜変更してもよい。
【００５１】
〇  本実施形態では、燃料電池システム１が停止する場合、高圧蓄電装置３０（リチウムイオンキャパシタ）に充電されている電力の第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上となるように充電されていたが、例えば少なくとも燃料電池スタック１０の出力状態の急変に対応できる程度に充電されていればよい。すなわち、燃料電池システム１の機能を最低限維持することができればよい。このようにしたとしても、制御部７０は、燃料電池システム１を起動させ、高圧蓄電装置３０の第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上となるように充電させ、その後、燃料電池システム１を停止させる。そのため、低圧蓄電装置５０を充電するために燃料電池システム１を起動させる場合と比較して燃料電池システム１が起動する頻度を抑制できる。
【００５２】
〇  また、燃料電池システム１が停止する場合、高圧蓄電装置３０に充電されている電力の第２電圧値Ｖ２が規定値Ｖｔｈ以上となるように充電されていたが、例えば、燃料電池スタック１０の出力状態の急変に対応でき、且つ低圧蓄電装置５０の第１電圧値Ｖ１が上限値Ｖｍａｘよりも若干低くなる程度に充電できればよい。このようにすると、高圧蓄電装置３０から低圧コンバータ４０を介して低圧蓄電装置５０を充電したとき、高圧蓄電装置３０の第２電圧値Ｖ２は、低圧蓄電装置５０の第１電圧値Ｖ１が上限値Ｖｍａｘに至る前に規定値Ｖｔｈを下回る可能性がある。この場合、制御部７０は、燃料電池システム１を起動させ、高圧蓄電装置３０及び低圧蓄電装置５０を充電する。低圧蓄電装置５０に充電されている電力は、第１電圧値Ｖ１が上限値Ｖｍａｘより若干低くなる程度に充電されている。そのため、燃料電池システム１を起動させたとしても、低圧蓄電装置５０が上限値Ｖｍａｘ以上となるまでの燃料電池システム１の起動時間は短い。よって、低圧蓄電装置５０の第１電圧値Ｖ１が下限値Ｖｍｉｎにある状態から上限値Ｖｍａｘに至るまで燃料電池システム１を起動させることで低圧蓄電装置５０を充電する場合と比較して、燃料電池システム１の起動時間が短くすることができる。すなわち、低圧蓄電装置５０に充電されている電力の第１電圧値Ｖ１が上限値Ｖｍａｘの近傍であれば、図３に示すステップＳ１０４で燃料電池システム１を起動させた後、ステップＳ１０５を介してステップＳ１０６で燃料電池システム１を停止させなくてもよい。
【００５３】
〇  高圧蓄電装置３０には、リチウムイオンキャパシタが採用されていたが、これに限らない。例えば、電気二重層キャパシタ等のその他のキャパシタ、あるいはニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池を採用してもよい。
【００５４】
〇  低圧蓄電装置５０は、１２Ｖバッテリが採用されていたが、リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタを採用してもよい。ただし、この場合、低圧蓄電装置５０の自己放電が抑制される。低圧蓄電装置５０にキャパシタを採用する場合には、本実施形態において想定される期間よりも燃料電池システム１が長期間起動されなくても低圧蓄電装置５０の充電量が減ることがないため、制御部７０により実施される制御処理の周期をより長く設定することが好ましい。このようにすることで、低圧蓄電装置５０を充電するために燃料電池システム１を起動させる頻度を抑制できるとともに、制御部７０の起動する頻度も抑制できるため、燃料電池システム１としての消費電力を抑制できる。
【００５５】
〇  燃料電池スタック１０により発電される電力の電圧値は、例えば８０Ｖ、高圧コンバータ２０により降圧された電力の電圧値は、例えば４８Ｖ、低圧コンバータ４０により降圧された電力の電圧値は、例えば１２Ｖであったが、これに限らない。燃料電池システム１の製品仕様、燃料電池システム１が搭載されるフォークリフト１００等のユニットの製品仕様によって適宜電圧値は変更してもよい。
【００５６】
〇  補機は、燃料電池スタック１０の動作を補助する電磁弁６１及び電動圧縮機６２で構成されていたが、例えば、エアコン、ナビゲーションシステム、ライト等を含んでもよい。すなわち、低圧蓄電装置５０に充電されている電力の第１電圧値Ｖ１が低下することで影響を受ける機器を含んでもよい。
【００５７】
〇  低圧側電圧測定器は、第１電圧信号検出器５１と第１演算部８１とにより構成され、高圧側電圧測定器は、第２電圧信号検出器３１と第２演算部８２とにより構成されていたが、これに限らない。例えば、第１電圧信号検出器５１及び第１演算部８１を一体化し、第２電圧信号検出器３１と第２演算部８２を一体化してもよい。このように構成された低圧側電圧測定器は、例えば低圧蓄電装置５０に接続される低圧側変換配線Ｌ４に接続してもよい。また、このように構成された高圧側電圧測定器は、例えば高圧蓄電装置３０に接続される高圧側変換配線Ｌ２に接続してもよい。また、低圧側電圧測定器及び高圧側電圧測定器を、高圧蓄電装置３０（リチウムイオンキャパシタ）及び低圧蓄電装置５０が備えている基板上に配置してもよい。このように変更した場合、制御部７０は、低圧側電圧測定器及び高圧側電圧測定器により測定される各電圧値Ｖ１，Ｖ２を入力し、入力された各電圧値Ｖ１，Ｖ２に基づいて制御処理を実施するように変更する。
【００５８】
〇  車両負荷９０には、走行モータ９１や荷役モータ９２以外を備えていてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池スタック、２０…高圧コンバータ、３０…高圧蓄電装置、３１…第２電圧信号検出器、４０…低圧コンバータ、５０…低圧蓄電装置、５１…第１電圧信号検出器、６１…電磁弁、６２…電動圧縮機、７０…制御部、８１…第１演算部、８２…第２演算部、９０…車両負荷、１００…フォークリフト、Ｌ１…高圧側供給配線、Ｌ２…高圧側変換配線、Ｌ３…低圧側供給配線、Ｌ４…低圧側変換配線、Ｖ１…第１電圧値、Ｖ２…第２電圧値、Ｖｒ…規定範囲、Ｖｍａｘ…規定範囲の上限値、Ｖｔｈ…規定値、Ｒ１…第１リレー、Ｒ２…第２リレー。
【図１】
2020123555.tif 000003
【図２】
2020123555.tif 000004
【図３】
2020123555.tif 000005