(57)【要約】【課題】複数の燃料電池ユニットを有する燃料電池システムの給電可能時間を推定する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスタンクと、燃料ガスタンクに貯蔵されている燃料ガスを利用して発電する燃料電池とを有する複数の燃料電池ユニットと、複数の燃料電池ユニットのそれぞれの単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定し、推定された単位時間あたりの燃料ガス消費量と燃料ガスタンクの燃料ガス貯蔵量とを用いて、燃料電池システムの給電可能時間を推定する制御装置と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンクに貯蔵されている燃料ガスを利用して発電する燃料電池とを有する複数の燃料電池ユニットと、
前記複数の燃料電池ユニットのそれぞれの単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定し、推定された前記単位時間あたりの燃料ガス消費量と前記燃料ガスタンクの燃料ガス貯蔵量とを用いて、前記燃料電池システムの給電可能時間を推定する制御装置と、
を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の燃料電池システム（燃料電池ユニット）を有する電動車両であって、停車時にそれぞれの燃料電池ユニットから外部設備に対して電力を供給可能な電動車両が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０５４５９８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、従来は、複数の燃料電池ユニットの合計給電可能時間を用いることについては、考慮されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料ガスタンクと、前記燃料ガスタンクに貯蔵されている燃料ガスを利用して発電する燃料電池とを有する複数の燃料電池ユニットと、前記複数の燃料電池ユニットのそれぞれの単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定し、推定された前記単位時間あたりの燃料ガス消費量と前記燃料ガスタンクの燃料ガス貯蔵量とを用いて、前記燃料電池システムの給電可能時間を推定する制御装置と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、制御装置は、各燃料電池ユニットのそれぞれの単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定することにより、燃料電池システムの給電可能時間を推定するので、各燃料電池ユニットのそれぞれの単位時間あたりの燃料ガス消費量が異なる場合でも、燃料電池システムの給電可能時間を推定できる。
【０００７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図。
【図２】給電可能時間を推定する処理の詳細を説明するフローチャート。
【図３】第１燃料電池ユニットにおける要求発電電力量と間欠運転要求と推定燃料ガス消費量の時間変化を例示する図。
【図４】第２燃料電池ユニットにおける要求発電電力量と間欠運転要求と推定燃料ガス消費量の時間変化を例示する図。
【図５】電流−電圧特性曲線と発電電力量曲線と発電効率曲線とを例示する図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す図である。燃料電池システム１０は、例えばバス等の車両に搭載され、車両の駆動モータに電力を供給する。一方、燃料電池システム１０は、車両以外の外部設備に電力を供給可能である。
【００１０】
燃料電池システム１０は、第１燃料電池ユニット１００と、第２燃料電池ユニット２００と、制御装置５００と、を備える。第１燃料電池ユニット１００は、燃料電池１１０と、燃料ガス供給流路１３０と、燃料ガスタンクユニット１４０と、第１制御部１８０と、を有する。
【００１１】
燃料電池１１０は、図示しない複数の単セルが積層されることによって構成されている。燃料電池１１０としては、例えば固体高分子形燃料電池を採用可能である。燃料電池１１０は、燃料ガスタンクユニット１４０に貯蔵され燃料ガス供給流路１３０を介して供給される燃料ガスと、図示しない酸化ガス供給系によって供給される酸化ガスとを利用して、電気化学反応により発電する。燃料ガスとしては、例えば水素を採用可能であり、酸化ガスとしては、例えば空気を採用可能である。燃料電池１１０により発生された電力は、昇圧コンバータ１２０によって昇圧され、駆動モータ３００、又は、外部給電装置７００に供給される。外部給電装置７００は、第１燃料電池ユニット１００と給電対象である外部設備との間を繋ぐための中継装置である。外部給電装置７００は、図示しない給電コネクタ等を備える。なお、図示しない燃料電池電気回路には、燃料電池１１０の発電電圧を測定する電圧センサや、燃料電池１１０の発電電流を測定する電流センサ等が設けられている。
【００１２】
燃料ガス供給流路１３０は、燃料電池１１０と燃料ガスタンクユニット１４０とを接続する。燃料ガスタンクユニット１４０に貯蔵されている燃料ガスは、燃料ガス供給流路１３０を介して燃料電池１１０に導かれる。なお、燃料ガス供給流路１３０には、図示しない調圧弁やインジェクタ等が設けられている。
【００１３】
燃料ガスタンクユニット１４０は、複数の燃料ガスタンク１５１〜１５５と、燃料ガス導出流路１６０と、圧力センサ１７０と、図示しない燃料ガス充填流路等とを備える。複数の燃料ガスタンク１５１〜１５５には、燃料ガスが貯蔵される。燃料ガス導出流路１６０は、燃料ガスタンク１５１〜１５５のそれぞれと燃料ガス供給流路１３０とを接続する。燃料ガスタンク１５１〜１５５のそれぞれに貯蔵されている燃料ガスは、燃料ガス導出流路１６０を介して燃料ガス供給流路１３０に導かれる。圧力センサ１７０は、燃料ガス導出流路１６０に設置されている。圧力センサ１７０は、燃料ガスの供給圧力を測定する。なお、燃料ガス導出流路１６０には、図示しない開閉弁等が設けられている。
【００１４】
第１制御部１８０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。第１制御部１８０は、利用者の要求や、第１燃料電池ユニット１００内の各センサの測定値等に応じて、第１燃料電池ユニット１００内の各部の動作を制御する。
【００１５】
第２燃料電池ユニット２００は、第１燃料電池ユニット１００と同様な構成を有する。第２燃料電池ユニット２００は、燃料電池２１０と、燃料ガス供給流路２３０と、燃料ガスタンクユニット２４０と、第２制御部２８０と、を有する。燃料電池２１０により発生された電力は、昇圧コンバータ２２０を介して駆動モータ４００、又は、外部給電装置８００に供給される。燃料ガスタンクユニット２４０は、複数の燃料ガスタンク２５１〜２５５と、燃料ガス導出流路２６０と、圧力センサ２７０と、を備える。第２制御部２８０は、利用者の要求や、第２燃料電池ユニット２００内の各センサの測定値等に応じて、第２燃料電池ユニット２００内の各部の動作を制御する。また、第１燃料電池ユニット１００の第１制御部１８０と第２燃料電池ユニット２００の第２制御部２８０は、互いに通信可能である。なお、第１燃料電池ユニット１００の燃料ガス供給流路１３０と第２燃料電池ユニット２００の燃料ガス供給流路２３０は、連結管３３０を介して連通されている。
【００１６】
制御装置５００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御装置５００は、第１燃料電池ユニット１００の第１制御部１８０及び第２燃料電池ユニット２００の第２制御部２８０と互いに通信可能である。制御装置５００は、第１制御部１８０及び第２制御部２８０から取得した燃料電池ユニット発電情報や運転情報等を用いて、燃料電池ユニット１００，２００のそれぞれの単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定する。また、制御装置５００は、推定された燃料電池ユニット１００，２００の単位時間あたりの燃料ガス消費量と、複数の燃料ガスタンク１５１〜１５５，２５１〜２５５の燃料ガス貯蔵量とを用いて、燃料電池システム１０の給電可能時間を推定する。
【００１７】
ここで、「燃料ガス貯蔵量」とは、複数の燃料ガスタンク１５１〜１５５，２５１〜２５５に貯蔵されている燃料ガスの量である。複数の燃料ガスタンク１５１〜１５５の燃料ガス貯蔵量は、第１制御部１８０により、複数の燃料ガスタンク１５１〜１５５から燃料ガスが供給されるときの圧力センサ１７０の測定値を用いて推定することができる。複数の燃料ガスタンク２５１〜２５５の燃料ガス貯蔵量は、第２制御部２８０により、複数の燃料ガスタンク２５１〜２５５から燃料ガスが供給されるときの圧力センサ２７０の測定値を用いて推定することができる。なお、圧力センサ１７０，２７０の測定値を用いる代わりに、燃料ガスタンク１５１〜１５５，２５１〜２５５のそれぞれにタンク内部の圧力を測定する圧力センサを設け、その圧力センサの測定値を用いて燃料ガス貯蔵量を推定してもよい。また、「燃料電池システム１０の給電可能時間」とは、例えば燃料電池システム１０が搭載される車両以外の外部設備に、燃料電池システム１０から電力を供給できる時間である。具体的には、外部給電装置７００，８００に対して燃料電池ユニット１００，２００から電力を供給できる時間である。
【００１８】
図２は、制御装置５００が給電可能時間を推定する処理の詳細を説明するフローチャートである。図２に示す処理は、燃料電池システム１０の運転中に繰り返して実行される。ステップＳ１１０において、制御装置５００は、第１燃料電池ユニット１００の単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定する。ステップＳ１２０において、制御装置５００は、第２燃料電池ユニット２００の単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定する。ここで、図３と図４と図５とを用いて、単位時間あたりの燃料ガス消費量の推定方法を説明する。
【００１９】
図３は、第１燃料電池ユニット１００における要求発電電力量と間欠運転要求と推定燃料ガス消費量の時間変化を例示する説明図である。要求発電電力量のグラフは、例えば第１制御部１８０（図１）の要求に応じた燃料電池１１０（図１）の発電電力量を示している。間欠運転の要求がなされた場合には、第１制御部１８０は、燃料電池１１０の発電を一時的に停止させる。図３の例では、第１燃料電池ユニット１００に対して、間欠運転の要求がなされていない。制御装置５００は、例えば予め制御装置５００に記憶されている燃料ガス消費量変換マップ（後述）を用いて、第１制御部１８０から取得した要求発電電力量を利用して、第１燃料電池ユニット１００の単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定する。
【００２０】
図４は、第２燃料電池ユニット２００における要求発電電力量と間欠運転要求と推定燃料ガス消費量の時間変化を例示する説明図であり、図３に対応する図である。図４の例では、時刻Ｔ１以降では、第２燃料電池ユニット２００に対して間接運転の要求がなされている。このため、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間では、第２制御部２８０から第２燃料電池ユニット２００への要求発電電力量はゼロである。また、時刻Ｔ２以降では、燃料電池２１０の劣化を抑制するために、第２制御部２８０は燃料電池２１０に微小な電力を発生させている。制御装置５００は、燃料ガス消費量変換マップを用いて、第２制御部２８０から取得した要求発電電力量を利用して、第２燃料電池ユニット２００の単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定する。
【００２１】
図５は、燃料電池１１０（２１０）の電流−電圧特性曲線Ｉ−Ｖと、発電電力量曲線Ｐと、発電効率曲線ηとを例示する図である。「発電効率」とは、燃料電池１１０（２１０）に供給された燃料ガスの量に対して実際に発電に利用された燃料ガスの量の比率である。燃料電池ユニット１００（２００）の単位時間あたりの燃料ガス消費量の推定に用いられる燃料ガス消費量変換マップは、例えば図５を利用して作成できる。燃料ガス消費量変換マップは、例えば、図５により、燃料電池１１０（２１０）の発電電力量と対応する発電電流に応じて発電に利用された燃料ガスの量を求めた後、その発電電流と対応する発電効率を用いて燃料電池１１０（２１０）に供給された燃料ガスの量を求めるように作成され得る。
【００２２】
図２に戻り、ステップＳ１３０において、制御装置５００は、第１燃料電池ユニット１００及び第２燃料電池ユニット２００のそれぞれの単位時間あたりの燃料ガス消費量の合計を算出する。具体的には、例えば、制御装置５００は、図３に示す時刻Ｔ０に対応する推定燃料ガス消費量Ｃｕ１と、図４に示す時刻Ｔ０に対応する推定燃料ガス消費量Ｃｕ２との和を算出する。ステップＳ１４０において、制御装置５００は、複数の燃料ガスタンク１５１〜１５５，２５１〜２５５の燃料ガス貯蔵量を算出する。具体的には、例えば、制御装置５００は、図３及び図４に示す時刻Ｔ０に第１制御部１８０から取得した燃料ガスタンク１５１〜１５５の燃料ガス貯蔵量と第２制御部２８０から取得した燃料ガスタンク２５１〜２５５の燃料ガス貯蔵量との和を算出する。ステップＳ１５０において、制御装置５００は、燃料電池システム１０の給電可能時間を推定する。具体的には、例えば、制御装置５００は、ステップＳ１３０で算出された時刻Ｔ０における燃料ガス消費量で、ステップＳ１４０で算出された時刻Ｔ０における燃料ガス貯蔵量を割ることによって、時刻Ｔ０における燃料電池システム１０の給電可能時間を算出する。ステップＳ１５０を実行した後、制御装置５００は、給電可能時間推定処理を終了する。なお、制御装置５００は、算出された給電可能時間を利用者に通知するようにしてもよい。
【００２３】
なお、ステップＳ１３０は、省略されてもよい。この場合には、ステップＳ１４０において、制御装置５００は、第１制御部１８０及び第２制御部２８０から、燃料ガスタンク１５１〜１５５の燃料ガス貯蔵量と燃料ガスタンク２５１〜２５５の燃料ガス貯蔵量を取得する。ステップＳ１５０において、制御装置５００は、第１燃料電池ユニット１００の単位時間あたりの燃料ガス消費量と燃料ガスタンク１５１〜１５５の燃料ガス貯蔵量とを用いて第１燃料電池ユニット１００の給電可能時間を算出し、第２燃料電池ユニット２００の単位時間あたりの燃料ガス消費量と燃料ガスタンク２５１〜２５５の燃料ガス貯蔵量とを用いて第２燃料電池ユニット２００の給電可能時間を算出する。その後、制御装置５００は、燃料電池ユニット１００，２００のそれぞれの給電可能時間を合算することによって、燃料電池システム１０の給電可能時間を算出してもよい。なお、ステップＳ１１０とステップＳ１２０の順番は任意である。
【００２４】
以上説明したように、一実施形態では、制御装置５００は、第１燃料電池ユニット１００及び第２燃料電池ユニット２００のそれぞれの単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定し、推定された単位時間あたりの燃料ガス消費量と複数の燃料ガスタンク１５１〜１５５，２５１〜２５５の燃料ガス貯蔵量とを用いて、燃料電池システム１０の給電可能時間を推定する。こうすれば、各燃料電池ユニット１００，２００のそれぞれの要求発電電力量や運転状態が異なる場合でも、各燃料電池ユニット１００，２００のそれぞれの単位時間あたりの燃料ガス消費量を推定することにより、燃料電池システム１０の給電可能時間を推定できる。
【００２５】
なお、一実施形態では、燃料電池システム１０は、第１燃料電池ユニット１００及び第２燃料電池ユニット２００を有しているが、燃料電池システム１０は、三つ以上の燃料電池ユニットを有してもよい。また、一実施形態では、各燃料電池ユニット１００，２００のそれぞれは、複数の燃料ガスタンク１５１〜１５５，２５１〜２５５を有しているが、各燃料電池ユニット１００，２００のそれぞれは、一つの燃料ガスタンクを有してもよい。
【００２６】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…燃料電池システム
１００…第１燃料電池ユニット
１１０…燃料電池
１２０…昇圧コンバータ
１３０…燃料ガス供給流路
１４０…燃料ガスタンクユニット
１５１〜１５５…燃料ガスタンク
１６０…燃料ガス導出流路
１７０…圧力センサ
１８０…第１制御部
２００…第２燃料電池ユニット
２１０…燃料電池
２２０…昇圧コンバータ
２３０…燃料ガス供給流路
２４０…燃料ガスタンクユニット
２５１〜２５５…燃料ガスタンク
２６０…燃料ガス導出流路
２７０…圧力センサ
２８０…第２制御部
３００…駆動モータ
３３０…連結管
４００…駆動モータ
５００…制御装置
７００…外部給電装置
８００…外部給電装置
【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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