(57)【要約】【課題】キャパシタが過放電となる可能性を正確に判定し、本当に必要な場合にのみ燃料電池スタックの発電電力を所定の最大電力よりも増加させることができる、産業車両に搭載され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１は、車両負荷７に電気的に接続される燃料電池スタック２と、車両負荷７と並列に燃料電池スタック２に電気的に接続されるキャパシタ１０と、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶを推定する電圧推定器１１と、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶに基いて、燃料電池スタック２の発電電力ＰＧを所定の最大電力ＰＨと所定の最小電力ＰＬとの間で多段階に切り替えるＥＣＵ９とを備えている。ＥＣＵ９は、キャパシタ１０が所定の放電状況になると、燃料電池スタック２の発電電力ＰＧを上記の最大電力ＰＨよりもさらに高い電力ＰＨ’にする。【選択図】図１
2018063803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業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を推定する電圧推定手段と、
前記電圧推定手段によって推定される前記キャパシタの開回路電圧に基いて、前記燃料電池スタックの発電電力を所定の最大電力と所定の最小電力との間で多段階に切り替える制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記キャパシタが所定の放電状況になると、前記燃料電池スタックの発電電力を前記最大電力よりも高い電力にすることを特徴とする、産業車両に搭載される燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定の放電状況とは、前記燃料電池スタックが前記最大電力で発電している時、または前記キャパシタの開回路電圧が所定の閾値電圧よりも低い時に、前記キャパシタの開回路電圧の電圧降下率が一定時間にわたって所定値を上回る状況であることを特徴とする、請求項１に記載の産業車両に搭載される燃料電池システム。
【請求項３】
前記キャパシタの出力電流を測定する電流測定手段をさらに備え、
前記所定の放電状況とは、前記燃料電池スタックが前記最大電力で発電している時、または前記キャパシタの開回路電圧が所定の閾値電圧よりも低い時に、前記キャパシタの出力電流が一定時間にわたって所定値を上回る状況であることを特徴とする、請求項１に記載の産業車両に搭載される燃料電池システム。
【請求項４】
前記最大電力よりも高い電力は、前記車両負荷の要求電力を前記燃料電池スタックの発電効率で除したものとして決定されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の産業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、産業車両に搭載される燃料電池システムに係り、特に燃料電池スタックの発電電力を多段階に制御す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。
【０００３】
従来、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知られている。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、発電電力が負荷の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。
【０００４】
しかしながら、最大積載の状態で勾配の大きい坂道を登る状況等では、上記３段階のうちの最大電力で発電をおこなったとしても、キャパシタから大量の電力が持ち出され、キャパシタが過放電となる可能性がある。そのような場合への対処として、特許文献１には、走行モータや荷役モータ等から構成される負荷の要求電力に基いて、キャパシタが過放電となる可能性を判定し、その可能性があると判断された場合には、燃料電池スタックの発電電力を上記の最大電力よりもさらに増加させる事項が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１６６１１０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のように負荷の要求電力に基いてキャパシタが過放電となる可能性を判定する方法では、実際にはキャパシタが過放電となるような状況でないにもかかわらず、その可能性があると誤って判断し、燃料電池スタックの発電電力を最大電力よりも増加させてしまう場合がある。
【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、キャパシタが過放電となる可能性を正確に判定し、本当に必要な場合にのみ燃料電池スタックの発電電力を所定の最大電力よりも増加させることができる、産業車両に搭載され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を推定する電圧推定手段と、電圧推定手段によって推定されるキャパシタの開回路電圧に基いて、燃料電池スタックの発電電力を所定の最大電力と所定の最小電力との間で多段階に切り替える制御手段とを備え、制御手段は、キャパシタが所定の放電状況になると、燃料電池スタックの発電電力を最大電力よりも高い電力にすることを特徴とする。
【０００９】
所定の放電状況とは、燃料電池スタックが最大電力で発電している時、またはキャパシタの開回路電圧が所定の閾値電圧よりも低い時に、キャパシタの開回路電圧の電圧降下率が一定時間にわたって所定値を上回る状況であってもよい。
【００１０】
キャパシタの出力電流を測定する電流測定手段をさらに備え、所定の放電状況とは、燃料電池スタックが最大電力で発電している時、またはキャパシタの開回路電圧が所定の閾値電圧よりも低い時に、キャパシタの出力電流が一定時間にわたって所定値を上回る状況であってもよい。
【００１１】
最大電力よりも高い電力は、車両負荷の要求電力を燃料電池スタックの発電効率で除したものとして決定されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係る産業車両に搭載される燃料電池システムによれば、キャパシタが過放電となる可能性を正確に判定し、本当に必要な場合にのみ燃料電池スタックの発電電力を所定の最大電力よりも増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る産業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１に係る産業車両に搭載される燃料電池システムにおける、燃料電池スタックの発電電力の切り替えの様子を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る産業車両に搭載される燃料電池システムにおける、燃料電池スタックの出力増加モードの処理を示すフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態２に係る産業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５】この発明の実施の形態２に係る産業車両に搭載される燃料電池システムにおける、燃料電池スタックの出力増加モードの処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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１の形態に係る産業車両１００に搭載される燃料電池システム１の構成を図１に示す。なお、産業車両１００の具体例としては、フォークリフト、牽引車等があげられる。
【００１５】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、水素ガスを供給可能な水素タンク３と、酸素を含む空気を供給可能なエアコンプレッサ４とを備えており、水素タンク３から供給される水素とエアコンプレッサ４から供給される空気中の酸素とが燃料電池スタック２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２と水素タンク３との間には、燃料電池スタック２に供給される水素ガス量を調整するための電磁弁５が設けられており、電磁弁５およびエアコンプレッサ４は後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）９によって制御される。
【００１６】
燃料電池スタック２の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して車両負荷７と補機８に接続されており、燃料電池スタック２で発電された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６によって所定の電圧まで降圧された後、車両負荷７と補機８に出力される。
【００１７】
車両負荷７は、産業車両１００の車軸を駆動するための走行モータや荷役モータ等から構成されており、燃料電池システム１から供給される電力によって車両負荷７を構成する走行モータや荷役モータが駆動されることによって、産業車両１００の走行動作や荷役動作がおこなわれる。
【００１８】
補機８は、産業車両１００に搭載される各種センサ類や後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）９等から構成され、上記の車両負荷７に比べて消費電力が低い。
【００１９】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力には、上記の車両負荷７および補機８と並列にキャパシタ１０が接続されている。燃料電池スタック２の発電電力ＰＧから補機８で消費される電力を差し引いた電力が車両負荷７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１０に充電される。一方、燃料電池スタック２の発電電力ＰＧから補機８で消費される電力を差し引いた電力が車両負荷７の要求電力ＰＷを下回る場合には、不足分の電力がキャパシタ１０から放電される。
【００２０】
また、キャパシタ１０には、電圧推定器１１が取り付けられている。電圧推定器１１は、キャパシタ１０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１０の充電量を求め、当該充電量に基づいてキャパシタ１０の開回路電圧（ＯＣＶ）を推定する。
【００２１】
さらに、燃料電池システム１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）９を備えている。ＥＣＵ９は、電圧推定器１１によって推定されるキャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶに基づいて、電磁弁５の開度とエアコンプレッサ４の吐出量を制御することによって、燃料電池スタック２に供給される水素と酸素の量を調整し、これにより燃料電池スタック２の発電電力ＰＧを制御する。
【００２２】
前述したように、燃料電池スタック２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、ＥＣＵ９は、燃料電池スタック２の発電電力ＰＧを、最小電力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１００が最大高負荷で動作する際に車両負荷７が要求する電力ＰＷと補機８で消費される電力との和として定義され、最小電力ＰＬは、燃料電池スタック２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と最小電力ＰＬとの間の所定の中間値として定義される。
【００２３】
ＥＣＵ９は、電圧推定器１１によって推定されるキャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶを常時監視し、図２に示されるように、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶ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２の発電電力ＰＧを中間電力ＰＭにする。
【００２４】
また、ＥＣＵ９は、車両負荷７の要求電力ＰＷの増加等に起因してキャパシタ１０の充電量が減少し、その開回路電圧ＶＯＣＶ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ＶＯＣＶ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。
【００２５】
また、ＥＣＵ９は、キャパシタ１０の充電量が増加してその開回路電圧ＶＯＣＶ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から最小電力ＰＬに切り替え、開回路電圧ＶＯＣＶ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。
【００２６】
次に、この実施の形態１に係る産業車両１００に搭載される燃料電池システム１において、最大積載の状態で勾配の大きい坂道を登る状況等、キャパシタ１０が過放電となる可能性のある時におこなわれる、燃料電池スタック２の出力増加モードについて説明する。
【００２７】
ＥＣＵ９は、図２に示される通常の電力切り替え制御と平行して、図３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、キャパシタ１０が過放電となる可能性を常時チェックしている。
【００２８】
詳細には、ＥＣＵ９は、燃料電池スタック２が最大電力ＰＨで発電している際（Ｓ１０１＝ＹＥＳ）に、電圧推定器１１によって推定されるキャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶの電圧降下率βが一定時間Ｔ１（０．１〜０．２秒程度）にわたって所定値βＣを上回る場合（Ｓ１０２＝ＹＥＳ、Ｓ１０３＝ＹＥＳ）、キャパシタ１０が過放電となる可能性があると判断する。
【００２９】
周知のように、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶと充電量との間には相関があるため、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶの電圧降下率βが一定時間Ｔ１にわたって所定値βＣを上回る状況というのは、（燃料電池スタック２が最大電力ＰＨで発電しているにもかかわらず）、キャパシタ１０から車両負荷７へと大量の電力が持ち出されている状況を意味している。
【００３０】
ＥＣＵ９は、上記Ｓ１０１〜Ｓ１０３の条件が全て成立して、キャパシタ１０が過放電となる可能性があると判断されると、燃料電池スタック２の出力増加モードを開始させる（Ｓ１０４）。燃料電池スタック２の出力増加モードにおいては、燃料電池スタック２に供給される水素ガスと空気の量が最大電力ＰＨの時よりもさらに増加され、燃料電池スタック２の発電電力ＰＧは最大電力ＰＨよりもさらに高い電力になる。
【００３１】
詳細には、燃料電池スタック２の出力増加モード時の発電電力ＰＨ’は、車両負荷７の要求電力をＰＷ、燃料電池スタック２の発電効率をηとして、以下の式によって決定される。
ＰＨ’＝ＰＷ／η
【００３２】
なお、燃料電池スタック２の発電効率ηとは、車両負荷７に供給されるエネルギーをその際に消費される水素のエネルギーで除したものとして定義される。この値は車両負荷７の要求電力ＰＷに応じて異なるため、予め様々な要求電力ＰＷにおける値を測定しておき、ＥＣＵ９内に記憶しておく。この際、測定値に対して数％から数十％の余裕を持たせてもよい。
【００３３】
燃料電池スタック２の出力増加モードが開始されてその発電電力ＰＧがＰＨ’に増加したことにより、燃料電池スタック２から車両負荷７への電力供給と平行してキャパシタ１０への充電がおこなわれていき、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶが上昇していく。そして、ＥＣＵ９は、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶが所定の閾値電圧ＶＴＨを上回り（Ｓ１０５＝ＹＥＳ）、もはや過放電の可能性がないと判断されると、燃料電池スタック２の出力増加モードを終了させる（Ｓ１０６）。
【００３４】
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る産業車両１００に搭載される燃料電池システム１では、燃料電池スタック２が最大電力ＰＨで発電している際に、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶの電圧降下率βが一定時間Ｔ１にわたって所定値βＣを上回る場合、キャパシタ１０が過放電となる可能性があると判断し、燃料電池スタック２の発電電力ＰＧを最大電力よりも高い電力ＰＨ’にする。これにより、キャパシタ１０が過放電となる可能性を正確に判定することができるため、本当に必要な場合にのみ燃料電池スタック２の発電電力ＰＧを所定の最大電力ＰＨよりも増加させてＰＨ’とすることができる。
【００３５】
実施の形態２．
次に、この発明の実施２の形態に係る産業車両２００に搭載される燃料電池システム２０１について説明する。なお、実施の形態１と同一の部分については、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
この発明の実施の形態２に係る産業車両２００の燃料電池システム２０１の構成を図４に示す。この図に示されるように、燃料電池システム２０１は、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶを推定する電圧推定器１１に加えて、キャパシタ１０の出力電流Ｉを測定する電流センサ２１２を備えている。
【００３７】
図５に示されるように、ＥＣＵ２０９は、燃料電池スタック２が最大電力ＰＨで発電している際（Ｓ２０１＝ＹＥＳ）に、電流センサ２１２によって測定されるキャパシタ１０の出力電流Ｉが一定時間Ｔ２（０．１秒〜０．２秒程度）にわたって所定値ＩＣを上回る場合（Ｓ２０２＝ＹＥＳ、Ｓ２０３＝ＹＥＳ）、キャパシタ１０が過放電となる可能性があると判断し、燃料電池スタック２の出力増加モードを開始させる（Ｓ２０４）。
【００３８】
その後、ＥＣＵ９は、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶが所定の閾値電圧ＶＴＨを上回り（Ｓ２０５＝ＹＥＳ）、もはや過放電の可能性がないと判断されると、燃料電池スタック２の出力増加モードを終了させる（Ｓ２０６）。
【００３９】
以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る産業車両２００に搭載される燃料電池システム２０１では、燃料電池スタック２が最大電力ＰＨで発電している際に、キャパシタ１０の出力電流Ｉが一定時間Ｔ２にわたって所定値ＩＣを上回る場合、キャパシタ１０が過放電となる可能性があると判断し、燃料電池スタック２の発電電力ＰＧを最大電力よりも高い電力ＰＨ’にする。
【００４０】
すなわち、実施の形態１では、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶの電圧降下率βに基いて過放電となる可能性を判定していたのに対して、実施の形態２では、キャパシタ１０の出力電流Ｉに基いて過放電となる可能性を判定する。このように構成しても、キャパシタ１０が過放電となる可能性を正確に判定することができるため、本当に必要な場合にのみ燃料電池スタック２の発電電力ＰＧを所定の最大電力ＰＨよりも増加させてＰＨ’とすることができる。
【００４１】
その他の実施の形態．
上記の実施の形態１，２では、燃料電池スタック２の発電電力を３段階に制御する燃料電池システム１，２０１に対して本願発明を適用した場合について説明したが、本願発明の適用可能範囲はこれに限定されるものではなく、燃料電池スタックの発電電力を２段階以上の多段階に制御する任意の燃料電池システムに対して、本願発明を適用することができる。
【００４２】
また、実施の形態１，２のＳ１０１において、燃料電池スタック２が最大電力ＰＨで発電しているか否かを判定するのに代えて、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶが所定の閾値電圧ＶＴＨを下回っているか否かを判定するようにしてもよい。
【００４３】
また、実施の形態１では、キャパシタ１０の開回路電圧ＶＯＣＶの電圧降下率βに基いて過放電となる可能性を判定し、実施の形態２では、キャパシタ１０の出力電流Ｉに基いて過放電となる可能性を判定していたが、この他にも、例えばキャパシタ１０の出力電力に基いて過放電となる可能性を判定してもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１００，２００  産業車両、１，２０１  燃料電池システム、２  燃料電池スタック、７  車両負荷、９，２０９  ＥＣＵ（制御手段）、１０  キャパシタ、１１  電圧推定器（電圧推定手段）、２１２  電流センサ（電流測定手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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