(57)【要約】【課題】車両負荷が高負荷条件にある時に蓄電装置の過放電を防止しつつ、車両に必要な電力を供給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、モータ２０に電力を供給する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１からの電力を蓄電するとともに、モータ２０に電力を供給するキャパシタ６と、キャパシタ６の充電率を検出する電圧推定器７と、燃料電池スタック１又はキャパシタ６の少なくともいずれか一方からモータ２０に供給される電力の電流値を測定する電流センサ９と、充電率及び電流値に基づいて燃料電池スタック１の出力状態を制御するＥＣＵ８とを備え、ＥＣＵ８は、充電率が所定の閾値を下回った場合、又は、電流値が所定時間以上継続して所定の高出力移行基準値ｈ以上となった場合は、燃料電池スタック１を高出力状態とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と燃料ガスとを反応させて発電を行い、車両負荷に電力を供給する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックからの電力を蓄電するとともに、前記車両負荷に電力を供給する蓄電装置と、
前記蓄電装置の充電率を検出する充電率検出部と、
前記燃料電池スタック又は前記蓄電装置の少なくともいずれか一方から前記車両負荷に供給される電力の電流値を測定する電流測定部と、
前記充電率及び前記電流値に基づいて前記燃料電池スタックの出力状態を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記充電率が所定の閾値を下回った場合、又は、前記電流値が所定時間以上継続して所定の高出力移行基準値以上となった場合は、前記燃料電池スタックを高出力状態とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電流測定部は、前記蓄電装置から前記車両負荷に供給される電力の前記電流値を測定する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記蓄電装置の前記充電率に応じて前記燃料電池スタックの前記出力状態を、前記高出力状態を含む少なくとも３つの出力段階のいずれかに移行させる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記蓄電装置の前記充電率が高くなるのに伴い、前記高出力移行基準値は高くなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【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】
特許文献１には、電気自動車に搭載される電源装置が記載されている。この電源装置は、燃料電池と、燃料電池が出力した電力が蓄電される蓄電装置とが組み合わされたハイブリッド式の電源装置である。そして、電源装置の燃料電池出力制御手段は、検出された蓄電装置の充電残量に応じて、燃料電池による電力の出力を適宜変化させ、蓄電装置を効率よく充電する。具体的には、蓄電装置の充電残量が多ければ燃料電池による電力の出力を低出力の状態とし、充電残量が少なければ燃料電池による電力の出力を高出力の状態とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２４０２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、産業車両が荷物を持ったまま坂道を登る等、車両のモータに高い負荷がかかる状況において蓄電装置が過放電にならないようにするためには、蓄電装置の充電残量に関わらず、できるだけ早急に燃料電池による電力の出力を高出力とする必要がある。
【０００５】
この発明は、このような問題を解決するためになされ、車両負荷が高負荷条件にある時に蓄電装置の過放電を防止しつつ、車両に必要な電力を供給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、この発明に係る燃料電池システムは、酸素と燃料ガスとを反応させて発電を行い、車両負荷に電力を供給する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからの電力を蓄電するとともに、車両負荷に電力を供給する蓄電装置と、蓄電装置の充電率を検出する充電率検出部と、燃料電池スタック又は蓄電装置の少なくともいずれか一方から車両負荷に供給される電力の電流値を測定する電流測定部と、充電率及び電流値に基づいて燃料電池スタックの出力状態を制御する制御装置とを備え、制御装置は、充電率が所定の閾値を下回った場合、又は、電流値が所定時間以上継続して所定の高出力移行基準値以上となった場合は、燃料電池スタックを高出力状態とする。
これにより、制御装置は、車両負荷に特に高い負荷が係る状況においては、蓄電装置の充電率に関わらず、燃料電池スタックを高出力状態に移行することができる。
【０００７】
また、この発明に係る燃料電池システムの電流測定部は、蓄電装置から車両負荷に供給される電力の電流値を測定してもよい。
【０００８】
また、制御装置は、蓄電装置の充電率に応じて燃料電池スタックの出力状態を、高出力状態を含む少なくとも３つの出力段階のいずれかに移行させることもできる。
【０００９】
また、蓄電装置の充電率が高くなるのに伴い、高出力移行基準値も高くなってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る燃料電池システムによれば、車両負荷が高負荷条件にある時に蓄電装置の過放電を防止しつつ、車両に必要な電力を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態に係る燃料電池システムを模式的に示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける蓄電装置の充電率と蓄電装置の持ち出し電流値と燃料電池スタックの出力状態の切り替えとの関係を模式的に示す図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムにおける蓄電装置の充電率と高出力移行基準値との関係を模式的に示す表である。
【図４】この発明の別の実施の形態に係る燃料電池システムを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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１．
この発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成を図１に示す。
燃料電池システム１００は、複数のセル（図示せず）を有する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に水素ガスを供給可能な水素タンク２と、燃料電池スタック１に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。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の各セルに供給される水素ガス量を調整するための電磁弁４が設けられる。
【００１３】
さらに、燃料電池スタック１には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５が電気的に接続される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５には車両負荷としてのモータ２０が電気的に接続される。すなわち、燃料電池スタック１にはＤＣ／ＤＣコンバータ５を介してモータ２０が電気的に接続されている。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５とモータ２０との間には分岐点Ｂ１を介してキャパシタ６が接続される。ここで、キャパシタ６は、モータ２０と並列になるように燃料電池スタック１及びＤＣ／ＤＣコンバータ５に電気的に接続されている。また、キャパシタ６には電圧推定器７が取り付けられる。さらに、電圧推定器７と分岐点Ｂ１との間、すなわちキャパシタ６の電力の受け渡しの入口には電流センサ９が設けられ、電圧推定器７と直列に配置される。また、コンプレッサ３、電磁弁４、電圧推定器７及び電流センサ９には、マイクロコンピュータによって構成されるＥＣＵ８が電気的に接続される。
ここで、キャパシタ６は蓄電装置を構成する。また、ＥＣＵ８は制御部を構成する。またさらに、ＥＣＵ８は電圧推定器７によって推定されるキャパシタ６の電圧に基づいてキャパシタ６の充電率Ｖを算出することができるため、ＥＣＵ８及び電圧推定器７は、キャパシタ６の充電率Ｖを検出する充電率検出部を構成する。さらにまた、電流センサ９は、キャパシタ６からモータ２０に供給される電力の電流値を測定する電流測定部を構成する。
なお、モータ２０は、車両を走行させる走行モータである。
【００１４】
次に、燃料電池システム１００の動作について説明する。
なお、以下の説明において、燃料電池スタック１の発電電力をＰＧとし、キャパシタ６から出力される電力をＰｃとする。また、燃料電池スタック１及びキャパシタ６からモータ２０に供給される電力をＰ-ｗとする。ここで、電力Ｐｗは、モータ２０の要求電力でもある。
【００１５】
まず、水素タンク２から水素が、コンプレッサ３から空気が、各々、燃料電池スタック１に供給される。そして、燃料電池スタック１の各々のセルでは、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化学反応を起こし電気エネルギーが生成され、発電が行われる。ここで、ＥＣＵ８は電磁弁４の開閉を制御して、水素タンク２から燃料電池スタック１に供給される水素の量を調整する。また同時に、ＥＣＵ８は、コンプレッサ３を制御して燃料電池スタック１に供給される空気の量を調整する。これによって、ＥＣＵ８は、燃料電池スタック１に供給される空気中の酸素及び水素の量を調整し、燃料電池スタック１の発電電力ＰＧの出力状態を制御する。
【００１６】
また、燃料電池スタック１で発電された電力ＰＧ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、要求電力Ｐｗ分がモータ２０に供給される。また、余剰の電力は分岐点Ｂ１を介してキャパシタ６に供給され、蓄電される。一方、燃料電池スタック１で発電された電力ＰＧがモータ２０の要求電力ＰＷを下回る場合には、不足分の電力Ｐｃがキャパシタ６からモータ２０に供給される。
【００１７】
図２及び３を参照して、ＥＣＵ８による燃料電池スタック１の発電電力ＰＧの制御について詳細に説明する。
燃料電池スタック１の発電の出力状態には、図２に示すように、発電停止状態と、低出力状態と、中出力状態と、高出力状態との４段階の状態がある。
発電停止状態とは、燃料電池スタック１において発電が行われておらず、発電電力ＰＧ＝０［Ｋｗ］である状態をいう。
また、低出力状態とは、セルの劣化を伴うことなく発電可能である最低値の発電電力ＰＧを、燃料電池スタック１が出力している状態をいう。
さらに、高出力状態とは、車両が最大負荷で動作する際にモータ２０の要求電力Ｐｗの最大値としての発電電力を燃料電池スタック１が発電している状態をいう。
またさらに、中出力状態とは、低出力状態時の発電の電力値と高出力状態時の発電の電力値との間の所定値である発電電力を、燃料電池スタック１が出力している状態をいう。ここで、中出力状態における燃料電池スタック１の中出力である発電電力ＰＧは、通常の使用条件において車両が動作する際のモータ２０の要求電力Ｐｗのほぼ平均的な値に設定される。
【００１８】
通常時の燃料電池システム１００では、図２に示すように、ＥＣＵ８はキャパシタ６の充電率に応じて、燃料電池スタック１の発電の出力状態を切り替える。
具体的には、まず、燃料電池スタック１が発電停止状態にある時、キャパシタ６の充電率Ｖが発電開始閾値５０［％］を下回った場合は、燃料電池スタック１は発電を開始して、出力状態は発電停止状態から低出力状態に移行する（切替段階Ｓ１）。次に、燃料電池スタック１が低出力状態にある時、キャパシタ６の充電率Ｖが中出力切替閾値４５［％］を下回った場合は、燃料電池スタック１の発電の出力状態は低出力状態から中出力状態に移行する（切替段階Ｓ２）。さらに次に、燃料電池スタック１が中出力状態にある時、キャパシタ６の充電率Ｖが高出力切替閾値を下回った場合は、燃料電池スタック１の発電の出力状態は中出力状態から高出力状態に移行する（切替段階Ｓ３）。なお、高出力切替閾値は、車両が最も厳しい条件で使用された際に燃料電池システム１００を保護するために最低限必要なキャパシタ６の充電率として設定される。
【００１９】
また、燃料電池スタック１が高出力状態にある時、キャパシタ６の充電率Ｖが中出力切替閾値４５［％］を上回った場合は、燃料電池スタック１の発電の出力状態は高出力状態から中出力状態に移行する（切替段階Ｓ４）。次に、燃料電池スタック１が中出力状態にある時、キャパシタ６の充電率Ｖが出力低減閾値６０［％］を上回った場合は、燃料電池スタック１の発電の出力状態は中出力状態から低出力状態に移行する（切替段階Ｓ５）。さらに次に、燃料電池スタック１が低出力状態にある時、キャパシタ６の充電率Ｖが発電停止閾値７０［％］を上回った場合は、燃料電池スタック１は発電を停止して、出力状態は低出力状態から発電停止状態に移行する（切替段階Ｓ６）。
【００２０】
一方、ＥＣＵ８が、モータ２０が高負荷条件にあると判断した場合、図２の矢印Ｒ１〜Ｒ３に示すように、キャパシタ６の充電率に関わらず、燃料電池スタック１の発電の出力状態を高出力状態に移行する。具体的には、ＥＣＵ８は、電流センサ９によって測定される電力Ｐｃの電流値、すなわちキャパシタ６からの持ち出し電流の電流値が２秒以上継続して高出力移行基準値ｈ［Ａ］以上となった時に、モータ２０は高負荷条件にあると判断する。
なお、高負荷条件とは、車両が荷物を持ちながら坂道を登る等の厳しい状況で使用されてモータ２０に所定以上の高い負荷がかかり、モータ２０の要求電力Ｐｗが最大値をとる時の条件である。また、高出力移行基準値ｈとはモータ２０が高負荷条件にある時に、モータ２０に供給される電力の電流値であるものとする。そして、この実施の形態に係る燃料電池システム１００については、高出力移行基準値ｈはキャパシタ６からモータ２０に供給される電力Ｐｃについての電流値とされる。
【００２１】
また、図３に示すように、高出力移行基準値ｈはキャパシタ６の充電率Ｖに応じて変化する。すなわち、キャパシタ６の充電率Ｖが１００％の時の高出力移行基準値ｈの比率を１とすると、キャパシタ６の充電率Ｖが９０％、８０％、７０％……と低下するのに伴い、高出力移行基準値ｈの比率も０．９、０．８、０．７……と低くなっていく。すなわち、キャパシタ６の充電率Ｖが高い程、燃料電池スタック１を高出力状態に移行させるための条件は厳しくなる。
【００２２】
以上より、この実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、ＥＣＵ８は、キャパシタ６の充電率Ｖが高出力切替閾値を下回った場合のみならず、電力Ｐｃの電流値が２秒以上継続して高出力移行基準値ｈ以上となった場合に、燃料電池スタック１を高出力状態とする。このように、モータ２０が高負荷条件にあると判断される時に、キャパシタ６の充電率Ｖに関わらず、即座に燃料電池スタック１を高出力状態とすることで、キャパシタ６の過放電が防止され、モータ２０に安定的に必要な電力を供給することができる。
【００２３】
また、電流センサ９が、キャパシタ６からモータ２０に供給される電力Ｐｃの電流値、すなわちキャパシタ６からの持ち出し電流値を直接測定しているため、キャパシタ６からの不必要な電力の出力が抑えられ、過放電をより確実に防止することができる。
【００２４】
また、モータ２０が高負荷条件ではない通常の使用時において、ＥＣＵ８は、キャパシタ６の充電率Ｖに応じて燃料電池スタック１の出力状態を、発電停止状態、低出力状態、中出力状態、高出力状態の４つの出力段階に適宜移行させる。これにより、キャパシタ６を効率よく充電しつつ、モータ２０に必要な電力を供給することができる。
【００２５】
また、図３に示すように、キャパシタ６の充電率Ｖが高くなる程、高出力移行基準値ｈも高くなるため、キャパシタ６の充電残量に余裕がある間は燃料電池スタック１が高出力状態に切り替わるための条件は厳しくなる。これにより、燃料電池スタック１の出力状態の切替の回数が少なくなり、燃料電池スタック１のセルの劣化が防止される。
【００２６】
また、電流センサ９が設けられる位置は、この実施の形態の燃料電池システム１００のように、キャパシタ６の電力の受け渡しの入口に限定されない。すなわち、図４に示す燃料電池システム２００のように、分岐点Ｂ１とモータ２０との間に電流センサ１９が設けられていても良い。この場合、燃料電池システム２００の電流センサ１９は、燃料電池スタック１及びキャパシタ６からモータ２０に供給される電力Ｐｗの電流値を測定する。また、この燃料電池システム２００においては、高出力移行基準値ｈも電力Ｐｗの電流値に基づいて設定される。
【００２７】
また、モータ２０が高負荷条件にあると判断される場合は、電流センサ９又は１９が測定する電流値が２秒以上、高出力移行基準値ｈ以上となる場合に限定されない。すなわち、電流値が高出力移行基準値ｈ以上となる継続時間が２秒よりも長い又は短い時間であっても良い。
【００２８】
また、燃料電池スタック１の出力状態は、発電停止状態、低出力状態、中出力状態及び高出力状態の４つの出力段階に設定される場合に限定されず、例えば、発電停止状態、低出力状態及び高出力状態の３つの出力段階に設定されていてもよい。また、燃料電池スタック１の出力状態が５つ以上の出力段階に設定されていても良い。
【符号の説明】
【００２９】
１  燃料電池スタック、７  電圧推定器（充電率検出部）、８  ＥＣＵ（制御部、充電率検出部）、９，１９  電流センサ（電流測定部）、２０  モータ（車両負荷）、１００，２００  燃料電池システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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