(57)【要約】【課題】発電電力の切り替え時にキャパシタの容量を最大限有効利用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のＥＣＵ８は、燃料電池スタック１が所定の中間電力ＰＭで発電している際に、キャパシタ６の開回路電圧ＶＣが所定の第１閾値ＶＴＨ１を下回ると、燃料電池スタック１の発電電力ＰＧを中間電力ＰＭから最大電力ＰＨに切り替える制御を行い、当該所定の第１閾値ＶＴＨ１は、最大電力ＰＨ、中間電力ＰＭ、キャパシタ６の容量Ｃ、キャパシタ６の許容最低電圧Ｖｍｉｎおよび発電電力ＰＧが中間電力ＰＭから最大電力ＰＨまで上昇する際の電力上昇率αに基づいて定められる。【選択図】図１
2014082056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される燃料電池システムであって、
車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、
前記車両負荷と並列に前記燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、
前記キャパシタの開回路電圧に基づいて、前記燃料電池スタックの発電電力を、所定の最低電力、所定の中間電力および所定の最大電力の３段階に切り替える制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックが前記所定の中間電力で発電している際に、前記キャパシタの開回路電圧が所定の閾値を下回ると、前記燃料電池スタックの発電電力を前記所定の中間電力から前記所定の最大電力に切り替え、
前記所定の閾値は、前記所定の最大電力、前記所定の中間電力、前記キャパシタの容量、前記キャパシタの許容最低電圧および前記発電電力が前記所定の中間電力から前記所定の最大電力まで上昇する際の電力上昇率に基づいて定められることを特徴とする、車両に搭載される燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定の閾値は、該所定の閾値をＶＴＨ１、前記所定の最大電力をＰＨ、前記所定の中間電力をＰＭ、前記キャパシタの容量をＣ、前記キャパシタの許容最低電圧をＶｍｉｎ、前記電力上昇率をαとすると、
【数１】
2014082056.tif 000012
によって定められることを特徴とする、請求項１に記載の車両に搭載される燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定の中間電力は、前記車両を所定期間に渡って使用することによって算出される該車両の平均消費電力に設定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の車両に搭載される燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを搭載したフォークリフトや乗用車等の産業車両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、発電電力の変動は燃料電池スタックの劣化の原因となるため、燃料電池スタックの劣化を防ぐためには、発電電力の変動を最大限抑えて一定電力で発電することが好ましい。例えば特許文献１には、燃料電池スタックの発電電力を連続的に変化させずに所定の３段階に制御する燃料電池システムが記載されている。このようなシステムでは、燃料電池スタックに接続される負荷と並列にキャパシタが接続されており、燃料電池スタックの発電電力が負荷の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタに充電され、発電電力が要求電力を下回る場合には、不足分の電力がキャパシタから放電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６４−３８９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のように燃料電池スタックの発電電力を３段階に制御するシステムにおいて、例えば燃料電池スタックの発電電力を所定の中間電力から最大電力に切り替える場合、発電電力が中間電力から最大電力まで上昇するのには一定の時間を要する。そのため、負荷に対する安定した電力供給を維持するためには、この間に不足する電力をキャパシタからの放電電力で補わなくてはならない。理想的には、発電電力の切り替え時に不足する電力量とその際にキャパシタから放電可能な最大電力量とが等しければ、キャパシタの容量を最大限有効利用していることになり、キャパシタを小型化することができる。しかしながら、従来そのような技術は存在せず、余裕をもって過度に大容量のキャパシタを選択しているのが現状である。
【０００５】
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、発電電力の切り替え時にキャパシタの容量を最大限有効利用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】
【０００６】
上記の課題を解決するために、この発明に係る車両に搭載される燃料電池システムは、車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、車両負荷と並列に燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、キャパシタの開回路電圧に基づいて、燃料電池スタックの発電電力を、所定の最低電力、所定の中間電力および所定の最大電力の３段階に切り替える制御手段とを備え、制御手段は、燃料電池スタックが所定の中間電力で発電している際に、キャパシタの開回路電圧が所定の閾値を下回ると、燃料電池スタックの発電電力を所定の中間電力から所定の最大電力に切り替え、所定の閾値は、所定の最大電力、所定の中間電力、キャパシタの容量、キャパシタの許容最低電圧および発電電力が所定の中間電力から所定の最大電力まで上昇する際の電力上昇率に基づいて定められることを特徴とする。
【０００７】
好適には、上記所定の閾値は、当該所定の閾値をＶＴＨ１、所定の最大電力をＰＨ、所定の中間電力をＰＭ、キャパシタの容量をＣ、キャパシタの許容最低電圧をＶｍｉｎ、電力上昇率をαとすると、
【数１】
2014082056.tif 000003
によって定められる。
【０００８】
所定の中間電力は、車両を所定期間に渡って使用することによって算出される当該車両の平均消費電力に設定することができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る車両に搭載される燃料電池システムによれば、発電電力の切り替え時にキャパシタの容量を最大限有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態に係る車両に搭載され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車両に搭載される燃料電池システムにおけるキャパシタの開回路電圧と燃料電池スタックの発電電力の時間遷移を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける発電電力の切り替え時における時間遷移の詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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産業車両に搭載される燃料電池システム１００の構成を図１に示す。
【００１２】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック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とを備えており、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燃料電池スタック１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。燃料電池スタック１と水素タンク２との間には、燃料電池スタック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は後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）８によって制御される。
【００１３】
燃料電池スタック１の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して車両負荷２０に接続されており、燃料電池スタック１で発電された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５によって所定の電圧まで降圧された後、車両負荷２０に出力される。
【００１４】
車両負荷２０は、具体的には産業車両の荷役装置を駆動するための荷役モータや車軸を駆動するための走行モータ等であり、燃料電池システム１００から供給される電力によって荷役モータや走行モータが駆動されることによって、車両の荷役動作や走行動作が行われる。
【００１５】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力には、車両負荷２０と並列にキャパシタ６が接続されている。燃料電池スタック１の発電電力ＰＧが車両負荷２０の要求電力ＰＷを上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ６に充電され、発電電力ＰＧが要求電力ＰＷを下回る場合には、不足分の電力がキャパシタ６から放電される。また、キャパシタ６には、電圧推定器７が取り付けられている。電圧推定器７は、キャパシタ６に入出力される電流を積算することによってキャパシタ６の充電量を求め、当該充電量に基づいてキャパシタ６の開回路電圧（ＯＣＶ）を推定する。
【００１６】
さらに、燃料電池システム１００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）８を備えている。ＥＣＵ８は、電圧推定器７によって推定されるキャパシタ６の開回路電圧ＶＣに基づいて、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、燃料電池スタック１に供給される水素と酸素の量を調整し、燃料電池スタック１の発電電力ＰＧを制御する。
【００１７】
前述したように、燃料電池スタック１の劣化を防ぐためには、その発電電力ＰＧの変動を最大限抑えて一定電力で発電することが好ましい。そのため、ＥＣＵ８は、燃料電池スタック１の発電電力ＰＧを、所定の最低電力ＰＬ、中間電力ＰＭ、最大電力ＰＨの３段階に制御する。ここで、最大電力ＰＨは、産業車両が最大高負荷で動作する際に車両負荷２０が要求する電力の最大値として定義され、最低電力ＰＬは、燃料電池スタック１が劣化を伴うことなく発電可能な電力の最低値として定義され、中間電力ＰＭは、最大電力ＰＨと最低電力ＰＬとの間の所定値として定義される。
【００１８】
ＥＣＵ８は、電圧推定器７によって推定されるキャパシタ６の開回路電圧ＶＣを常時監視し、図２に示されるように、キャパシタ６の開回路電圧ＶＣが所定の第１閾値ＶＴＨ１と第２閾値ＶＴＨ２との間にある通常時には、燃料電池スタック１の発電電力ＰＧを中間電力ＰＭに設定する。また、ＥＣＵ８は、車両負荷２０の要求電力ＰＷの増加等に起因してキャパシタ６の充電量が減少し、その開回路電圧ＶＣが所定の第１閾値ＶＴＨ１を下回ったことを検知すると、発電電力ＰＧを中間電力ＰＭから最大電力ＰＨに切り替え、開回路電圧ＶＣが上昇して第１閾値ＶＴＨ１を上回ったことを検知すると、発電電力ＰＧを再び中間電力ＰＭに切り替える。また、ＥＣＵ８は、キャパシタ６の充電量が増加してその開回路電圧ＶＣが所定の第２閾値ＶＴＨ２を上回ったことを検知すると、発電電力ＰＧを中間電力ＰＭから最低電力ＰＬに切り替え、開回路電圧ＶＣが低下して第２閾値ＶＴＨ２を下回ったことを検知すると、発電電力ＰＧを再び中間電力ＰＭに切り替える。
【００１９】
ここで、上記所定の第１閾値ＶＴＨ１の定め方について説明する。燃料電池スタック１の発電電力ＰＧを中間電力ＰＭから最大電力ＰＨに切り替える際には、ＥＣＵ８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、燃料電池スタック１に供給される水素と酸素の量を増加させ、発電電力ＰＧを最大電力ＰＨまで上昇させる。この際、図３に詳細に示されるように、時刻ｔ０において切り替えを開始しても、発電電力ＰＧが中間電力ＰＭから最大電力ＰＨまで上昇するのには一定時間τを要する。そのため、車両負荷２０の要求電力ＰＷが最大電力ＰＨに等しいクリティカルケースにおいても車両負荷２０に対する安定した電力供給を維持するためには、この一定時間τの間に不足する電力量（図中に斜線で示される領域）ＷＡを、キャパシタ６からの放電電力で補わなくてはならない。
【００２０】
このとき、上記第１閾値ＶＴＨ１の定義から、切り替え開始時ｔ０におけるキャパシタ６の開回路電圧はＶＴＨ１であり、キャパシタ６の許容最低電圧をＶｍｉｎ、キャパシタ６の容量をＣとすると、キャパシタ６が放電可能な電力量ＷＣは
【００２１】
【数２】
2014082056.tif 000004
【００２２】
と表される。この放電可能電力量ＷＣによって不足電力量ＷＡを補うためには、
【００２３】
【数３】
2014082056.tif 000005
【００２４】
の関係を満たす必要がある。さらに、背景技術の説明において述べたように、キャパシタ６の容量を最大限有効利用するためには、放電可能電力量ＷＣと不足電力量ＷＡとが等しくなり、
【００２５】
【数４】
2014082056.tif 000006
【００２６】
の関係を満たすのが理想的である。
【００２７】
この式（３）に式（１）を代入し、ＶＴＨ１について整理すると、
【００２８】
【数５】
2014082056.tif 000007
【００２９】
の関係が得られる。
【００３０】
また、図３において、発電電力ＰＧが中間電力ＰＭから最大電力ＰＨまで上昇する際の変化が直線的であると仮定すると、不足電力量ＷＡは
【００３１】
【数６】
2014082056.tif 000008
【００３２】
によって近似することでき、この式（５）を式（４）に代入すると、
【００３３】
【数７】
2014082056.tif 000009
【００３４】
の関係が得られる。さらに、発電電力ＰＧが中間電力ＰＭから最大電力ＰＨまで上昇する際の電力上昇率αを
【００３５】
【数８】
2014082056.tif 000010
によって定義して式（６）に代入すると、
【００３６】
【数９】
2014082056.tif 000011
【００３７】
の関係が得られる。すなわち、最大電力ＰＨ、中間電力ＰＭ、キャパシタ容量Ｃ、キャパシタ許容最低電圧Ｖｍｉｎ、電力上昇率αが与えられた際に、式（８）に従って第１閾値ＶＴＨ１を定めることによって、キャパシタ６の容量を最大限有効利用することができる。
【００３８】
以上説明したように、この実施の形態に係る産業車両に搭載される燃料電池システム１００では、ＥＣＵ８は、燃料電池スタック１が所定の中間電力ＰＭで発電している際に、キャパシタ６の開回路電圧ＶＣが所定の第１閾値ＶＴＨ１を下回ると、燃料電池スタック１の発電電力ＰＧを中間電力ＰＭから最大電力ＰＨに切り替える制御を行い、当該所定の第１閾値ＶＴＨ１は、上記式（８）に従って定められる。これにより、キャパシタ６の容量を最大限有効利用することができ、キャパシタ６を小型化することができる。
【００３９】
その他の実施の形態．
上記の実施の形態において、燃料電池スタック１の劣化をさらに防ぐためには、発電電力ＰＧの切り替え回数を最大限少なくすることが好ましい。本願の発明者による研究によれば、産業車両を例えば、１週間や１ヶ月など所定期間に渡って実際の作業に使用してその平均消費電力を算出し、上記所定の中間電力ＰＭを算出された平均消費電力に設定することによって、発電電力ＰＧの切り替え回数を大幅に少なくできることが分かっている。
なお、上記の実施の形態において、荷役装置を有する産業車両として説明したが、上記発明が適用可能である車両であれば特に限定されない。例えば、乗用車やフォークリフト、牽引車であってもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１００  燃料電池システム、１  燃料電池スタック、６  キャパシタ、８  ＥＣＵ（制御手段）、ＰＧ  発電電力、ＰＨ  最大電力、ＰＭ  中間電力、ＰＬ  最低電力、ＶＣ  キャパシタの開回路電圧、ＶＴＨ１  第１閾値（閾値）、Ｖｍｉｎ  キャパシタの許容最低電圧、Ｃ  キャパシタの容量、α  電力上昇率。
【図１】
2014082056.tif 000013
【図２】
2014082056.tif 000014
【図３】
2014082056.tif 000015