JP6456899B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムを搭載した車両に関するものである。

燃料電池システムを搭載した車両（例えば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。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。この種の技術が特許文献１に開示されている。この技術は、車両に搭載される燃料電池システムであり、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それまでの所定の中間電力から所定の最大電力に切り替える。この切替時に不足する電力をキャパシタからの放電電力で最適に補うべく所定の閾値は、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及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。

特開２０１４−８２０５６号公報

ところで、燃料電池システムは燃料電池スタックの発電電力が大きくなるほど補機（例えば、燃料電池スタック冷却用ウォータポンプ、燃料電池スタック冷却用ラジエータファン、空気供給用コンプレッサ等）の駆動のための消費電力が多くなり、その結果、燃料電池システムの効率は悪化してしまう。

本発明の目的は、一定の動力性能は確保しつつ効率を重視した作業を可能とする燃料電池車両を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、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蓄電装置と、前記蓄電装置の充電状態を検出する充電状態検出手段と、前記充電状態検出手段により検出された前記蓄電装置の充電状態に基づいて、前記燃料電池スタックの発電電力を多段階に切り替える制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記多段階のうちの少なくとも１つの段階において、負荷が小さいほど発電指令値が小さい複数の動作モードのうちの選択された動作モードに応じた発電指令値とすることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、充電状態検出手段により蓄電装置の充電状態が検出される。制御手段により、検出された蓄電装置の充電状態に基づいて、燃料電池スタックの発電電力が多段階に切り替えられる。この際、制御手段により、多段階のうちの少なくとも１つの段階において、負荷が小さいほど発電指令値が小さい複数の動作モードのうちの選択された動作モードに応じた発電指令値とされる。よって、同一の段階において、例えば、発電電力が大きくなるほど効率が低くなる場合に、動作モードの選択により、より小さい発電指令値とすることによって一定の動力性能は確保しつつ効率を重視した作業を可能とすることができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料電池車両において、前記多段階のうちの１つの段階として高発電段階を有し、前記制御手段は、前記高発電段階において、前記動作モードに応じた発電指令値とするとよい。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の燃料電池車両において、前記動作モードは、操作手段により選択されるとよい。

本発明によれば、一定の動力性能は確保しつつ効率を重視した作業を可能とする燃料電池車両を提供することができる。

実施形態における燃料電池フォークリフトの概略側面図。 燃料電池システム及び車両システムの概略構成図。 作用を説明するためのフローチャート。 発電停止、低発電、中発電、高発電の切り替えを説明するための説明図。 燃料電池スタック発電電力とシステム効率との関係を示す特性図。 電流密度とセル電圧との関係を示す特性図。

以下、本発明をフォークリフトに具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、燃料電池フォークリフト１０の車体１１の前側下部には駆動輪（前輪）１２ａが設けられ、車体１１の後側下部には操舵輪（後輪）１２ｂが設けられている。マスト１３が車体１１の前部に立設されている。マスト１３は車体１１に対して前後に傾動可能に支持された左右一対のアウタマスト１３ａと、これにスライドして昇降するインナマスト１３ｂとからなる。各アウタマスト１３ａの後部にはリフトシリンダ１４が配設されている。インナマスト１３ｂの内側にはフォーク１５を備えたリフトブラケット１６が昇降可能に支持されている。そして、リフトシリンダ１４の伸縮作動によりフォーク１５がリフトブラケット１６とともに昇降される。

左右一対のティルトシリンダ１７は、その基端側が車体１１に対して回動可能に連結されるとともに、先端側がアウタマスト１３ａの側面に回動可能に連結されている。マスト１３はティルトシリンダ１７が伸縮駆動されることで前後に傾動する。

運転室１８の前側にリフトレバー１９及びティルトレバー２０が装備されている。リフトレバー１９はフォーク１５を昇降させるためのレバーであり、ティルトレバー２０はマスト１３を前後方向に傾動させるためのレバーである。運転室１８の下部にはアクセルペダル２１が設けられ、アクセルペダル２１の操作量に応じた車速にされる。

車体１１には燃料電池システム２２、走行モータ２３及び荷役モータ２４が搭載されている。燃料電池システム２２により走行モータ２３を駆動させ、駆動輪１２ａが駆動されるようになっている。詳しくは、走行モータ２３の出力軸が駆動輪１２ａの回転軸と減速機（図示略）を介して連結されており、走行モータ２３の駆動により出力軸が回転するとその回転に伴って駆動輪１２ａの回転軸が回転して駆動輪１２ａが駆動される。

また、燃料電池システム２２により荷役モータ２４が駆動され、この荷役モータ２４の駆動により荷役ポンプ（図示略）が駆動される。この荷役ポンプの駆動に基づいてリフトシリンダ１４やティルトシリンダ１７を伸縮動作してフォーク１５の上下動やティルト動作を行うことができるようになっている。

このように、燃料電池システム２２は、リフトシリンダ１４及びティルトシリンダ１７の油圧源となる荷役モータ２４及び走行モータ２３の電源として使用される。
次に、図２を用いて燃料電池システム２２と車両システム３０について説明する。

図２に示すように、燃料電池システム２２は、燃料電池スタック３１と水素タンク３２とコンプレッサ３３と電磁弁３４とラジエータ３５とウォータポンプ３６と電子制御ユニット（以下、燃料電池システム側ＥＣＵという）３７とＤＣ／ＤＣコンバータ３８と蓄電装置としてのキャパシタ３９と端子電圧計測器４０を有する。車両システム３０は、車両負荷４１（走行モータ２３、荷役モータ２４等）と、電子制御ユニット（以下、車両側ＥＣＵという）４２と、動作モード選択機能付操作パネル（ディスプレイ）４３を有する。

燃料電池システム２２における燃料電池スタック３１は、複数のセルを積層して構成されており、各セルは電気的に直列接続されている。水素タンク３２は、燃料電池スタック３１に水素ガスを供給可能である。コンプレッサ３３は燃料電池スタック３１に酸素を含む空気を供給可能である。そして、水素タンク３２から供給される水素とコンプレッサ３３から供給される空気中の酸素とが燃料電池スタック３１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３１と水素タンク３２を繋ぐ配管に電磁弁３４が設けられている。電磁弁３４により燃料電池スタック３１に供給される水素ガス量が調整される。電磁弁３４及びコンプレッサ３３は燃料電池システム側ＥＣＵ３７によって制御される。

燃料電池スタック３１には冷却水の循環経路が設けられ、この循環経路にはラジエータ３５とウォータポンプ３６が設けられている。ラジエータ３５はラジエータファン（図示略）を有している。循環経路に冷却水が循環することにより燃料電池スタック３１が冷却される。即ち、燃料電池スタック３１のオーバーヒートを防止する。ここで、コンプレッサ３３、ウォータポンプ３６、ラジエータファン等は燃料電池システム２２における補機であり、燃料電池スタック３１又はキャパシタ３９の電力により駆動する。

燃料電池スタック３１の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を介してキャパシタ３９が接続されている。キャパシタ３９には車両負荷４１が接続されている。つまり、燃料電池スタック３１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８、キャパシタ３９を介して車両負荷４１に電気的に接続されている。そして、燃料電池スタック３１で発電された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８によって所定の電圧まで降圧された後、キャパシタ３９を介して車両負荷４１に出力される。

車両負荷４１は、操作部材としてのアクセルペダル２１、リフトレバー１９及びティルトレバー２０の操作に基づいて駆動する走行モータ２３及び荷役モータ２４を含んでいる。即ち、車両負荷４１は、荷役モータ２４や車軸を駆動するための走行モータ２３等であり、燃料電池システム２２から供給される電力によって荷役モータ２４や走行モータ２３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。

キャパシタ３９は、車両負荷４１（走行モータ２３、荷役モータ２４等）と並列に燃料電池スタック３１に電気的に接続されており、キャパシタ３９においては、燃料電池スタック３１の発電電力が車両負荷４１（走行モータ２３、荷役モータ２４等）の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ３９に充電される。一方、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３９から放電される。また、キャパシタ３９には、端子電圧計測器４０が取り付けられている。端子電圧計測器４０は、キャパシタ３９の端子電圧Ｖｔを計測する。

燃料電池システム側ＥＣＵ３７は、マイクロコンピュータを中心に構成されている。燃料電池システム側ＥＣＵ３７は、端子電圧計測器４０によって計測されるキャパシタ３９の端子電圧Ｖｔとキャパシタ３９の内部抵抗等に基づいてキャパシタ３９のＳＯＣ（充電状態）を推定する。本実施形態では、端子電圧計測器４０と燃料電池システム側ＥＣＵ３７とにより、キャパシタ３９の充電状態を検出する充電状態検出手段が構成されている。そして、燃料電池システム側ＥＣＵ３７は、推定されるキャパシタ３９のＳＯＣに基づいて、電磁弁３４の開度とコンプレッサ３３の吐出量を制御することによって、燃料電池スタック３１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３１の発電電力を制御する。詳しくは、制御手段としての燃料電池システム側ＥＣＵ３７は、キャパシタ３９の充電状態に基づいて、燃料電池スタック３１の発電電力を、所定の最低電力（低発電）、所定の中間電力（中発電）、及び、所定の最大電力（高発電）の３段階に切り替える。このように、燃料電池スタック３１の発電電力を連続的に変化させずに所定の３段階に制御することにより発電電力の変動を抑えて燃料電池スタック３１の劣化を低減できる。

車両システム３０における車両側ＥＣＵ４２は、マイクロコンピュータを中心に構成され、走行モータ２３や荷役モータ２４等の車両システム３０全体を制御している。動作モード選択機能付操作パネル（ディスプレイ）４３は、オペレータ（乗員）によって操作される動作モード選択スイッチを具備しており、動作モード選択スイッチを用いて発電指令値が異なる高負荷モード、中負荷モード、低負荷モードのいずれかを選択することができる。

燃料電池システム側ＥＣＵ３７と車両側ＥＣＵ４２とは接続されている。詳しくは、燃料電池システム側ＥＣＵ３７と車両側ＥＣＵ４２とはシリアル通信やＣＡＮ通信等の通信手段により通信できるようになっている。つまり、燃料電池システム側ＥＣＵ３７と車両側ＥＣＵ４２とは通信により相互に情報を共有している。なお、アナログ信号で燃料電池システム側ＥＣＵ３７と車両側ＥＣＵ４２とを通信できるようにしてもよい。

車両側ＥＣＵ４２と動作モード選択機能付操作パネル（ディスプレイ）４３とが接続されている。動作モード選択機能付操作パネル（ディスプレイ）４３の操作信号が車両側ＥＣＵ４２に送られる。動作モード選択機能付操作パネル（ディスプレイ）４３の操作信号が車両側ＥＣＵ４２を介して燃料電池システム側ＥＣＵ３７に送られる。

このように、燃料電池フォークリフト１０は、動作モード選択機能付操作パネル（ディスプレイ）４３を使用することにより動作モードが可変であり、動作モードには、オペレータの用途（負荷）に応じてオペレータが任意に選択することができる。具体的には、動作モードとして、高負荷モード、中負荷モード、低負荷モードの３種類が用意されており、同じ作業でも動作モードによって燃料電池スタック３１の発電電力についての要求電力が変化する。

次に、このように構成した燃料電池フォークリフト１０の作用について説明する。
燃料電池システム側ＥＣＵ３７は図３の処理を実行する。図３において、燃料電池システム側ＥＣＵ３７はステップＳ１においてキャパシタ３９のＳＯＣを取り込む。そして、原則、図４に示すように、キャパシタ３９のＳＯＣにより段階を踏んで燃料電池スタック３１の発電電力を制御している。詳しくは、発電停止している状態からキャパシタ３９のＳＯＣが閾値Ｖｔｈ０１を下回ったとき低発電に入る。その状態から閾値Ｖｔｈ１０を上回った場合、発電停止し、閾値Ｖｔｈ１２を下回ると中発電に入る。その状態から閾値Ｖｔｈ２１を上回った場合、低発電に移行し、閾値Ｖｔｈ２３を下回ると高発電に入る。その状態から閾値Ｖｔｈ３２を上回った場合、中発電に移行する。

図５は、横軸に燃料電池スタック発電電力をとり、縦軸にシステム効率をとっており、低発電では発電電力がＰｌｏｗであり、中発電では発電電力がＰｎであり、低発電での発電電力Ｐｌｏｗよりも中発電での発電電力Ｐｎが大きい。

燃料電池システム側ＥＣＵ３７は図３のステップＳ２において高発電領域か否か判定し、高発電領域であればステップＳ３に移行し、高発電領域でなければ、図４を用いて説明したごとく中発電、低発電、発電停止のいずれかにする。

高発電領域、即ち、燃料電池スタック３１の発電電力を３段階に切り替える際の高発電段階であれば、燃料電池システム側ＥＣＵ３７はステップＳ３において動作モード選択スイッチにより選択された動作モードが高負荷モードか、中負荷モードか、低負荷モードかを判定する。そして、燃料電池システム側ＥＣＵ３７は高負荷モードであればステップＳ４に移行し、中負荷モードであればステップＳ５に移行し、低負荷モードであればステップＳ６に移行する。

高負荷モードであれば、燃料電池システム側ＥＣＵ３７はステップＳ４において発電電力として高い値の第１発電指令値Ｐｈ１（図５参照）とする。
一方、中負荷モードであれば、燃料電池システム側ＥＣＵ３７はステップＳ５において発電電力として中程度の値の第２発電指令値Ｐｈ２（図５参照）とする。つまり、第１発電指令値Ｐｈ１よりも第２発電指令値Ｐｈ２の方が小さい値である。

また、低負荷モードであれば、燃料電池システム側ＥＣＵ３７はステップＳ６において発電電力として低い値の第３発電指令値Ｐｈ３（図５参照）とする。つまり、第２発電指令値Ｐｈ２よりも第３発電指令値Ｐｈ３の方が小さい値である。

このようにして、燃料電池システム側ＥＣＵ３７は、多段階のうちの１つの段階である高発電段階において、発電指令値が異なる３つの動作モードのうちの選択された動作モードに応じた発電指令値とする。

図６は、横軸に燃料電池スタックのセルの電流密度をとり、縦軸に燃料電池スタックのセル電圧をとっており、特性線Ｌ２は電流密度が大きいほどセル電圧が低下している。このように、電流密度とセル電圧の関係において、電流密度が大きいほどセル電圧が低くなり、スタック損失が大きくなり、このスタック損失は発熱量が支配的である。この高発電段階での発熱対策のために、ウォータポンプ３６やラジエータファンといった機器（補機）を高負荷で動作させる必要がある。つまり、図６のようにセル電流密度が大きくなるほどセル電圧が低下して熱に変わるので、ウォータポンプ３６やラジエータファンをより高負荷で動作させて燃料電池スタック３１を冷却する必要がある。加えて、図６において電流密度が大きくなるほどコンプレッサ３３をより高負荷で動作させる必要がある。そのため、補機全体が高負荷になり、図５のように高発電側ではシステム効率の低下を招く。

その結果、図５において特性線Ｌ１は発電電力が大きいほどシステム効率が低下しており、燃料電池スタック３１は、発電電力が大きいほど効率が悪く、燃料である水素の消費量の増大を招く。

本実施形態では、高発電段階において、発電電力値として第１発電指令値Ｐｈ１とした場合に比べ第２発電指令値Ｐｈ２（＜Ｐｈ１）や第３発電指令値Ｐｈ３（＜Ｐｈ２＜Ｐｈ１）というように発電電力として値を小さくすることで（発電電力を下げることで）、効率低下が抑制される。つまり、負荷の低い動作モードでは燃料電池スタック３１の発電電力を抑えることができ、コンプレッサ３３やウォータポンプ３６やラジエータファンといった機器（補機）の動作の低減による効率向上や燃料電池スタック３１による発熱量の低下による燃料電池スタック３１でのオーバーヒート回避が可能となる。このようにして、負荷に応じた動作制御を変更でき、動作制御それぞれで、ある一定の動作ができるように発電電力を設けることで、システムの効率低下を抑制することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）燃料電池車両、特に、燃料電池産業車両としての燃料電池フォークリフト１０の構成として、車両負荷４１に電気的に接続される燃料電池スタック３１と、車両負荷４１と並列に燃料電池スタック３１に電気的に接続されるキャパシタ３９を備える。さらに、充電状態検出手段としての端子電圧計測器４０と燃料電池システム側ＥＣＵ３７とを備え、端子電圧計測器４０と燃料電池システム側ＥＣＵ３７とによりキャパシタ３９の充電状態が検出される。制御手段としての燃料電池システム側ＥＣＵ３７によりキャパシタ３９の充電状態に基づいて、燃料電池スタック３１の発電電力を３段階に切り替える。また、燃料電池システム側ＥＣＵ３７は、３段階のうち高発電段階において、発電指令値が異なる３つの動作モードのうちの選択された動作モードに応じた発電指令値とする。

よって、高発電段階において発電電力が大きくなるほど効率が低くなるので、動作モードの選択により、より小さい発電指令値とすることによって発電電力は制限されるが燃料電池システムの効率をよくすることができる。つまり、負荷の低い動作モードでは燃料電池スタック３１の発電電力を抑えることができ、コンプレッサ３３、ウォータポンプ３６、ラジエータファンといった機器（補機）の動作の低減による効率向上や燃料電池スタック３１による発熱量の低下によるオーバーヒート回避が可能となる。その結果、燃料電池フォークリフトとしての一定の動力性能は確保しつつ効率を重視した作業を可能とする燃料電池フォークリフト１０を提供することができる。

（２）多段階のうちの１つの段階として高発電段階を有し、燃料電池システム側ＥＣＵ３７は、高発電段階において、動作モードに応じた発電指令値とするので、システム効率が低くなる高発電段階においてより小さい発電指令値とすることによって効率をよくすることができる。

（３）動作モードは、操作手段としての動作モード選択機能付操作パネル（ディスプレイ）４３により選択されるので、オペレータの意志を反映させる上で好ましい。例えば、比較的低負荷な作業が連続しており、高負荷モードを使用する必要が無い場合や、車両の稼動時間を延ばすために効率的な作業が求められる場合には、オペレータは効率を重視した中負荷モードや低負荷モードを選択することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ キャパシタ３９の充電状態に基づいて燃料電池スタック３１の発電電力を３段階に切り替えたが、２段階に切り替えても４段階以上に切り替えてもよい。要は、キャパシタの充電状態に基づいて、燃料電池スタック３１の発電電力を多段階に切り替えればよい。

○ 多段階のうちの１つの段階において、発電指令値が異なる３つの動作モードのうちの選択された動作モードに応じた発電指令値としたが、全ての段階において、発電指令値が異なる３つの動作モードのうちの選択された動作モードに応じた発電指令値としてもよい。要は、多段階のうちの少なくとも１つの段階において、選択された動作モードに応じた発電指令値とすればよい。

○ 発電指令値が異なる複数の動作モードは３種類であったが、２種類でも、４種類以上でもよい。要は、発電指令値が異なる複数の動作モードのうちの選択された動作モードに応じた発電指令値とすればよい。

○ 動作モードを選択するための手段として操作パネル（ディスプレイ）を用いたが、これに代わりその他のツールを使用してもよい。
○ オペレータ（作業者）が動作モード選択機能付操作パネル（ディスプレイ）４３を用いて動作モードを選択するようにしたが、これに限らない。例えば、車両の位置情報を検出する検出手段が設けられ、外部からの位置情報を取得してこの位置情報に基づいて自動で動作モードを選択してもよい。その例として、例えば、車速制限のある場所では低負荷モードにする。つまり、位置情報から特定の場所に入ったならば特定の動作モード、例えば低負荷モードを選択する。他にも、自動化した場合において管制塔からの指令で動作モードを選択する。

外部との通信以外にも、例えば、荷重センサ等の荷重の情報を検出する検出手段が設けられ、この荷重情報に基づいて自動で動作モードを選択してもよい。その例として、例えば、重い荷を搬送する際には、より高い動作モードに切り替えるようにする。

○ キャパシタ３９の端子電圧Ｖｔに基づいてキャパシタ３９のＳＯＣ（充電状態）を推定したが、これに限らず、他の手法でキャパシタ３９の充電状態を検出してもよい。例えばキャパシタ３９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３９の充電状態を検出してもよい。

○ 蓄電装置として、キャパシタ３９を用いたが、これに代わり、蓄電装置として二次電池（バッテリ）等を使用してもよい。
○ 産業車両としてフォークリフトに具体化したが、これに限るものではなく、他の産業車両に適用してもよい。例えば、空港等で使用されるトーイング車等に適用してもよい。また、産業車両以外の車両に適用してもよく、例えば、乗用車やバス等に適用してもよい。

１０…燃料電池フォークリフト、３１…燃料電池スタック、３７…燃料電池システム側ＥＣＵ、３９…キャパシタ、４１…車両負荷、４３…動作モード選択機能付操作パネル（ディスプレイ）。

Claims (3)

1. 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蓄電装置と、
   前記蓄電装置の充電状態を検出する充電状態検出手段と、
   前記充電状態検出手段により検出された前記蓄電装置の充電状態に基づいて、前記燃料電池スタックの発電電力を多段階に切り替える制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記多段階のうちの少なくとも１つの段階において、負荷が小さいほど発電指令値が小さい複数の動作モードのうちの選択された動作モードに応じた発電指令値とすることを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記多段階のうちの１つの段階として高発電段階を有し、
   前記制御手段は、前記高発電段階において、前記動作モードに応じた発電指令値とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
3. 前記動作モードは、操作手段により選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池車両。
   

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