JP2014027823A

JP2014027823A - 産業車両の燃料電池システム

Info

Publication number: JP2014027823A
Application number: JP2012167881A
Authority: JP
Inventors: Ariaki Nagaya; 有亮長屋
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-02-06

Abstract

【課題】燃料電池と蓄電装置との間にＤＣ／ＤＣコンバータを省略した構成であっても、回生電力の電圧の上昇による燃料電池の劣化を防止することが可能な産業車両の燃料電池システムの提供にある。
【解決手段】燃料電池３１と、燃料電池３１と直結されたキャパシタ３６と、燃料電池３１又はキャパシタ３６からの電力の供給を受ける走行モータ２１と、を備えたフォークリフト１０の燃料電池システムにおいて、走行モータ２１の回生を検知する車両コントローラ２７と、を備えた。車両コントローラ２７は、走行モータ２１の回生が検知され、燃料電池３１の電圧を予め設定された閾値以上にさせる回生電力の電圧上昇が発生しているとき、コンタクタ３７により燃料電池３１とキャパシタ３６との間の通電を遮断する。
【選択図】図２

Description

この発明は、産業車両の燃料電池システムに関する。

産業車両の燃料電池システムに関する従来の技術としては、例えば、特許文献１に開示された燃料電池車両の電圧状態設定方法を挙げることができる。
特許文献１に記載された燃料電池車両は、燃料電池と、第１電流・電圧制御器と、第２電流・電圧制御器と、蓄電装置と、パワードライブユニットと、モータと、制御装置と、を備えている。
第１電流・電圧制御器および第２電流・電圧制御器は、ＤＣ／ＤＣコンバータを備えている。
特許文献１に開示された燃料電池車両によれば、第１電流・電圧制御器および第２電流・電圧制御器に入力される制御パルスのデューティが１００％とされ、第１電流・電圧制御器および第２電流・電圧制御器のスイッチング素子がオン状態に固定される。
この状態では、燃料電池と蓄電装置とが直結状態となり、燃料電池の出力電圧と蓄電装置の端子電圧とが同等の値となる。

一方、別の従来技術としては、例えば、図４に示す産業車両の燃料電池システムが存在する。
この種の産業車両の燃料電池システムは、電力配線５５において燃料電池５１と蓄電装置５２が直結された構成となっている。
電力配線５５において蓄電装置５２と電動モータ５３との間にはインバータ５４が配置され、インバータ５４は電動モータ５３へ電力供給を行うほか、電動モータ５３の回生時に発生する回生電力の蓄電装置５２側への供給を行う。
図４に示す燃料電池システムは、燃料電池５１と蓄電装置５２との間にＤＣ／ＤＣコンバータを設けない構成であるため、燃料電池と蓄電装置との間にＤＣ／ＤＣコンバータを設けた燃料電池システムと比較すると、簡単な構成であって低コストである。

特開２００５−３４８５３０号公報

しかしながら、図４に示す燃料電池システムでは、電動モータの回生時において発生する回生電力の電圧の上昇により、燃料電池の電圧が所定の電圧以上になると、燃料電池が劣化するおそれがある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、燃料電池と蓄電装置との間にＤＣ／ＤＣコンバータを省略した構成であっても、回生電力の電圧の上昇による燃料電池の劣化防止を可能とする産業車両の燃料電池システムの提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池と電力配線により接続された蓄電装置と、前記燃料電池又は前記蓄電装置から電力供給を受ける電動モータと、を備えた産業車両の燃料電池システムにおいて、前記電動モータの回生を検知する回生検知手段と、前記燃料電池と蓄電装置との間の通電を遮断する電力遮断手段と、前記電力遮断手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記回生検知手段により前記電動モータの回生が検知され、前記燃料電池の電圧を予め設定された閾値以上にさせる回生電力の電圧上昇が発生しているとき、前記電力遮断手段により前記燃料電池と前記蓄電装置との間の通電を遮断することを特徴とする。

本発明では、燃料電池と蓄電装置との間のＤＣ／ＤＣコンバータを省略した構成であり、燃料電池の電圧を予め設定された閾値以上とする回生電力の電圧上昇が発生しても、制御手段は電力遮断手段を制御して燃料電池と蓄電装置との間の通電を遮断する。
本発明によれば、燃料電池と蓄電装置との間にＤＣ／ＤＣコンバータを省略した簡単な構成であっても、回生電力の電圧の上昇による燃料電池の劣化を防止することができる。

また、上記の産業車両の燃料電池システムにおいて、前記回生検知手段は、アクセルオフ操作の検知信号、ブレーキオン操作の検知信号およびディレクションレバーによるスイッチバック操作の検知信号を受信し、前記検知信号のいずれかの検知信号に基づき、前記電動モータの回生を検知する構成としてもよい。
この場合、アクセルオフ操作、ブレーキオン操作およびディレクションレバーによるスイッチバック操作の信号により電動モータの回生電力の発生を検知することができる。

また、上記の産業車両の燃料電池システムにおいて、前記電力遮断手段はコンタクタである構成としてもよい。
この場合、電動モータの回生電力が上昇するとき、コンタクタにより燃料電池と蓄電装置との間における電力を遮断することができる。

また、上記の産業車両の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の電圧を検出するとともに、前記制御手段と通信可能な燃料電池コントローラが備えられ、前記燃料電池コントローラが前記閾値以上の前記燃料電池の電圧を検出したとき、前記制御手段は、前記電力遮断手段により前記燃料電池と前記蓄電装置との間の通電を遮断する構成としてもよい。
この場合、燃料電池コントローラは燃料電池の電圧を検出する。
電池コントローラが閾値以上の燃料電池の電圧を検出したとき、制御手段は電力遮断手段を制御し、燃料電池と蓄電装置との間の通電を遮断する。
電池コントローラが燃料電池の電圧を監視することにより、回生電力の電圧の上昇による燃料電池の劣化を防止することができる。

本発明によれば、燃料電池と蓄電装置との間にＤＣ／ＤＣコンバータを省略した構成であっても、回生電力の電圧の上昇による燃料電池の劣化防止を可能とする産業車両の燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係るフォークリフトの側面図である。本発明の実施形態に係るフォークリフトの燃料電池システムの構成図である。（ａ）燃料電池の電流・電圧特性を示す図であり、（ｂ）はキャパシタの蓄電特性を示す図である。従来のフォークリフトの燃料電池システムの構成図である。

以下、本発明の実施形態に係る産業車両の燃料電池システムを図面に基づいて説明する。
本実施形態では、本発明を産業車両としてのフォークリフトに適用した例について説明する。
なお、方向を特定する「前後」、「左右」および「上下」については、フォークリフトのオペレータが運転席の運転シートに着座して、フォークリフトの前進側を向いた状態を基準として示す。

図１に示すように、産業車両としてのフォークリフト１０は、車体１１の前部に荷役装置１２を備えている。
荷役装置１２は、車体１１の前部に立設されたマスト１３を備えている。
マスト１３はリフトブラケット１４を備えており、リフトブラケット１４はマスト１３に対して昇降自在である。
リフトブラケット１４には左右一対のフォーク１５が設けられている。
マスト１３にはリフトシリンダ１６が設けられており、リフトシリンダ１６は車体１１に搭載された油圧ポンプ１７から供給される作動油により作動する。
油圧ポンプ１７は電力により駆動する荷役モータ１８により作動される。
リフトシリンダ１６の作動によるマスト１３の昇降に伴ってフォーク１５を備えたリフトブラケット１４は昇降する。

車体１１の前部には前輪としての駆動輪１９が設けられ、車体１１の後部には後輪としての操舵輪２０が設けられている。
車体１１の内部には、電力により駆動され、駆動輪１９を駆動する電動モータとしての走行モータ２１が設けられている。
なお、本実施形態の走行モータ２１は、駆動力を発生する電動機としての機能のほかに、発電機としても機能するモータジェネレータを用いている。
したがって、走行モータ２１は、減速時（制動時）にはフォークリフト１０の運動エネルギーを電気エネルギー（回生電力）に変換する。

車体１１の中央付近には運転席２２が設けられている。
車体１１における運転席２２の前方にはステアリングホイール２３が備えられている。
ステアリングホイール２３の近くには、ディレクションレバー２４が備えられており、ディレクションレバー２４はフォークリフト１０の進む方向を切り換えるための操作レバーである。
例えば、ディレクションレバー２４を前進から後進へ切り換えるスイッチバック操作を行うと、前進中のフォークリフト１０は減速した後に後進する。
さらに、ステアリングホイール２３の近くには、ディレクションレバー２４のほかに、図示しないリフトレバーやティルトレバーが設けられている。
リフトレバーはリフトシリンダ１６を操作するレバーであり、ティルトレバーはティルトシリンダ（図示せず）を作動させてマストの前後の傾動を操作するレバーである。

運転席２２の床面には、アクセルペダル２５およびブレーキペダル２６が設けられている。
フォークリフト１０の車速はアクセルペダル２５の踏み込み（アクセルオン操作）により増速され、アクセルペダル２５を戻す（アクセルオフ操作）ことにより減速される。
また、フォークリフト１０の車速はブレーキペダル２６の踏み込み（ブレーキオン操作）により減速される。

車体１１の内部には車両コントローラ２７が搭載されている。
車両コントローラ２７は、オペレータの操作に基づいて車体１１に搭載されている各機器を制御する機能や各センサからの信号を受信して各部を監視する機能を有する。
例えば、車両コントローラ２７は、アクセルオン操作により走行モータ２１の回転数を上げる制御を行うほか、アクセルオフ操作やブレーキオン操作により走行モータ２１の回生を行う制御を行う。
また、車両コントローラ２７は、アクセルオフ操作の検知信号、ブレーキオン操作の検知信号およびディレクションレバー２４によるスイッチバック操作の検知信号を受信する。
車両コントローラ２７は、これらの操作の検知信号を受信した後、走行モータ２１の回生を指令する制御を行う。
車両コントローラ２７が走行モータ２１の回生を指令する制御を行うことにより、走行モータ２１は回生を行う。
従って、車両コントローラ２７は走行モータ２１の回生を検知する回生検知手段としての機能を有する。

車体１１における運転席２２の下方には、燃料電池３１、水素を含有する燃料ガスを貯蔵する水素タンク３２、燃料電池コントローラ３３が搭載されている。
走行モータ２１および荷役モータ１８は燃料電池３１が発電した電力により駆動され、走行モータ２１の駆動によりフォークリフト１０の走行および荷役モータ１８の駆動によりフォークリフト１０の走行動作及び荷役動作が行われる。

次に、本実施形態の燃料電池システムについて図２を参照して説明する。
図２に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、主に燃料電池３１、水素タンク３２、燃料電池コントローラ３３等から構成される燃料電池ユニットＦを有する。
さらに、燃料電池システムは、インバータ３５、キャパシタ３６、走行モータ２１、車両コントローラ２７を備えている。

燃料電池３１は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成されている。
燃料電池３１は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスの供給を受けて、水素と酸素による電気化学反応により電力を発生させる。
燃料ガスの水素は水素タンク３２から配管を通じて燃料電池３１へ供給され、酸化剤ガスはエアコンプレッサ（図示せず）の作動により配管を通じて燃料電池３１へ供給される。

図２に示すように、燃料電池３１は燃料電池コントローラ３３と接続されており、燃料電池コントローラ３３は燃料電池３１を制御するほか、燃料電池ユニットＦに設けられた各機器を制御する。
燃料電池コントローラ３３は車両コントローラ２７と電気的に接続され、互いに通信可能である。
車両コントローラ２７は、燃料電池コントローラ３３との通信により、例えば、燃料電池３１の電圧を把握することが可能である。
図３（ａ）は燃料電池３１の電流・電圧特性を示す図であり、横軸を電流Ｉとし、横軸を電圧Ｖとしている。
図３（ａ）には燃料電池３１の発電効率の良い範囲Ａが存在するほか、低電流・高電圧の範囲には燃料電池３１のスタックが劣化するおそれのある範囲Ｂが存在する。

図２に示すように、燃料電池３１は給電経路を形成する電力配線３４を介してインバータ３５と接続されている。
インバータ３５は燃料電池３１から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、インバータ３５と接続されている走行モータ２１へ三相交流電力を供給する。
また、インバータ３５は走行モータ２１の回生時に走行モータ２１において発生する回生電力を三相交流から直流に変換し、燃料電池３１側へ直流電力を供給する。
インバータ３５は車両コントローラ２７と電気的に接続されており、車両コントローラ２７の制御を受ける。
走行モータ２１はインバータ３５による交流電力の電圧調整により回転数が変化する。
なお、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池３１から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、荷役モータ１８に交流電力を供給するインバータ（図示せず）が設けられている。
従って、本実施形態では、走行モータ２１や荷役モータ１８が、燃料電池３１からの電力供給先となる。

給電経路を形成する電力配線３４には、燃料電池３１に対して並列にキャパシタ３６が接続されている。
キャパシタ３６は、蓄電装置に相当し、燃料電池３１からの電力供給を受けて蓄電可能である。
本実施形態のキャパシタ３６はリチウムイオンキャパシタを用いている。
図３（ｂ）は、キャパシタ３６の蓄電特性を示す図であり、横軸を満充電時における電池の容量に対する充電残量の比率（ＳＯＣ、State Of Charge）とし、縦軸を電圧Ｖとしている。
本実施形態のキャパシタ３６の場合、図３（ｂ）において蓄電特性を示す範囲の殆どが、図３（ａ）に示す燃料電池３１の発電効率の良い範囲Ａと一致する。
これは、本実施形態のキャパシタ３６がリチウムイオンキャパシタであり、リチウムイオンキャパシタが電気二重層キャパシタと比較して優れた蓄電特性を有するためである。

給電経路における燃料電池３１とキャパシタ３６の間にはコンタクタ３７が設けられている。
コンタクタ３７は、燃料電池３１とキャパシタ３６との間における通電を遮断する電力遮断手段に相当する。
コンタクタ３７は車両コントローラ２７と電気的に接続されており、車両コントローラ２７はコンタクタ３７の通電と通電の遮断との切り換えを制御する。

車両コントローラ２７には、走行モータ２１の回生時における燃料電池３１の電圧の閾値が予め設定されている。
図３（ａ）に示すように、閾値は燃料電池３１の電流・電圧特性において、燃料電池３１のスタックが劣化するおそれのある範囲Ｂの電圧を考慮して範囲Ｂの電圧より僅かに低く設定されている。
車両コントローラ２７は、走行モータ２１の回生時に燃料電池３１の電圧を閾値以上とさせる回生電力の電圧上昇が発生した場合、コンタクタ３７を作動させ、燃料電池３１とキャパシタ３６との間の通電を遮断する。
従って、本実施形態の車両コントローラ２７は、回生検知手段に相当するだけでなく、コンタクタ３７を制御する制御手段に相当する。
つまり、走行モータ２１の回生を検知する回生検知手段の機能と、コンタクタ３７を制御する制御手段の機能を車両コントローラ２７は有している。
燃料電池３１の電圧を閾値以上とさせる回生電力の電圧上昇が発生しているか否かは、車両コントローラ２７によるキャパシタ３６の電圧の監視や、燃料電池コントローラ３３による燃料電池３１の電圧の監視により把握することが可能である。
あるいは、インバータ３５においてキャパシタ３６側へ供給される回生電力の電圧上昇を監視し、車両コントローラ２７において燃料電池３１の電圧を閾値以上とさせる回生電力の電圧上昇であるか否かを判断してもよい。
コンタクタ３７は、走行モータ２１の回生時に燃料電池３１の電圧を閾値以上とさせる回生電力の電圧上昇が発生したときを除き、常態では燃料電池３１とキャパシタ３６との間における通電を可能とする状態にある。
コンタクタ３７が通電可能な状態では、いわば、燃料電池３１とキャパシタ３６とは直結状態となる。

このように、本実施形態の燃料電池システムは、主に走行モータ２１と、車両コントローラ２７と、燃料電池３１と、燃料電池コントローラ３３と、インバータ３５と、キャパシタ３６と、コンタクタ３７と、を備えた構成である。

次に、本実施形態に係るフォークリフト１０の燃料電池システムの作用について説明する。
燃料電池３１が発電した電力は走行モータ２１および荷役モータ１８を駆動し、フォークリフト１０の走行動作及び荷役動作が行われる。
通常時にはコンタクタ３７は電力配線における通電を遮断しない状態にあり、燃料電池３１の発電により得られた電力はキャパシタ３６やインバータ３５へ供給される。

オペレータがディレクションレバー２４を前進側に位置させ、アクセルオン操作を行うと、フォークリフト１０は増速しつつ前進する。
アクセルオン操作されたとき、車両コントローラ２７はアクセルペダル２５側からアクセルオン操作が行われたことを示す検知信号を受信し、アクセルペダル２５の踏み込み量に応じて走行モータ２１の回転数が増大するようにインバータ３５を制御する。

オペレータがアクセルオフ操作を行うと、フォークリフト１０は減速される。
アクセルオフ操作されたとき、車両コントローラ２７はアクセルペダル２５側からアクセルオフ操作が行われたことを示す検知信号を受信し、走行モータ２１の回生を行うようにインバータ３５を制御する。
走行モータ２１は、発電機として機能する回生時にはフォークリフト１０の運動エネルギーを電気エネルギー（回生電力）に変換する。
走行モータ２１にて得られた回生電力はインバータ３５を通じて燃料電池３１やキャパシタ３６側へ供給される。

なお、ブレーキオン操作されたときは、車両コントローラ２７はブレーキペダル２６側からブレーキオン操作が行われたことを示す検知信号を受信し、アクセルオフ操作の場合と同様に走行モータ２１の回生を行うようにインバータ３５を制御する。
さらに、ディレクションレバー２４のスイッチバック操作（前進側から後進側へ切り換える操作）が行われたときは、車両コントローラ２７はディレクションレバー２４側からスイッチバック操作が行われたことを示す検知信号を受信する。
そして、車両コントローラ２７は、アクセルオフ操作やブレーキオン操作の場合と同様に走行モータ２１の回生を行うようにインバータ３５を制御する。

ところで、車両コントローラ２７は、回生時において燃料電池３１の電圧を閾値以上とさせる回生電力の電圧上昇が発生しているか否かを常時監視している。
燃料電池３１の電圧を閾値以上とする回生電力の電圧上昇が発生すると、車両コントローラ２７は、コンタクタ３７に対して通電を遮断する制御を行う。
コンタクタ３７が通電を遮断することにより、燃料電池３１の電圧の上昇が回避される。
燃料電池３１の電圧の上昇が回避されることにより、燃料電池３１の電流・電圧特性において、燃料電池３１のスタックが劣化するおそれのある範囲Ｂの電圧に達することがない。
このため、燃料電池３１のスタックの劣化が防止される。

また、本実施形態では、燃料電池コントローラ３３は、燃料電池３１の電圧を監視しており、車両コントローラ２７は燃料電池コントローラ３３との通信により燃料電池３１の電圧を把握することが可能である。
従って、車両コントローラ２７は、燃料電池コントローラ３３を介して燃料電池３１の電圧を閾値以上にする回生電力の電圧上昇が発生していることを検知できる。
そして、車両コントローラ２７は、コンタクタ３７に対して通電を遮断する制御を行い、コンタクタ３７が通電を遮断することで、燃料電池３１における電圧上昇は回避され、燃料電池３１の劣化が防止される。

本実施形態の燃料電池システムは以下の作用効果を奏する。
（１）本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池３１とキャパシタとの間のＤＣ／ＤＣコンバータを省略した構成である。このため、回生時において燃料電池３１の電圧を閾値以上とさせる回生電力の電圧上昇が発生しても、車両コントローラ２７がコンタクタ３７を制御することにより燃料電池３１への回生電力の供給は遮断される。よって、燃料電池３１とキャパシタ３６との間にＤＣ／ＤＣコンバータを省略した簡単な構成であっても、回生電力の電圧の上昇による燃料電池３１の劣化を防止することができる。
（２）本実施形態の燃料電池システムによれば、アクセルオフ操作、ブレーキオン操作およびディレクションレバー２４によるスイッチバック操作のとき、車両コントローラ２７は走行モータ２１の回生電力の発生をより早く検知することができる。

（３）走行モータ２１の回生電力の電圧が上昇するとき、コンタクタ３７により燃料電池３１とキャパシタ３６との間における通電を遮断することができる。
（４）燃料電池３１の電圧を検出する燃料電池コントローラ３３が閾値以上の燃料電池３１の電圧を検出したとき、車両コントローラ２７がコンタクタ３７を制御し、燃料電池３１とキャパシタ３６との間の通電は遮断される。燃料電池コントローラ３３が燃料電池３１の電圧を監視することにより、回生電力の電圧の上昇による燃料電池３１の劣化を防止することができる。

なお、上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。
○ 上記の実施形態では、産業車両としてのフォークリフトに本発明を適用した例を説明したが、産業車両はフォークリフトに限定されない。例えば、燃料電池システムを搭載するスキッドステアローダーやホイルローダーでもよく、また、トーイングトラクターでもよい。
○ 上記の実施形態では、電力遮断手段としてのコンタクタを例にして説明したが、電力遮断手段はコンタクタに限定されない。半導体スイッチング素子を電力遮断手段としてもよく、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いてもよく、この場合、ＩＧＢＴのゲートを駆動するゲート駆動回路を設けるようにする。
○ 上記の実施形態では、車両コントローラが回生検知手段および制御手段としての機能を備えたが、回生検知手段と制御手段を別に設けるようにしてもよい。

１０フォークリフト
１１車体
１２荷役装置
１７油圧ポンプ
１８荷役モータ
２１走行モータ
２４ディレクションレバー
２５アクセルペダル
２６ブレーキペダル
２７車両コントローラ
３１、５１燃料電池
３３燃料電池コントローラ
３４、５５電力配線
３５、５４インバータ
３６キャパシタ
３７コンタクタ
５２蓄電装置
５３電動モータ
Ｆ燃料電池ユニット

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池と電力配線により接続された蓄電装置と、
前記燃料電池又は前記蓄電装置から電力供給を受ける電動モータと、を備えた産業車両の燃料電池システムにおいて、
前記電動モータの回生を検知する回生検知手段と、
前記燃料電池と蓄電装置との間の通電を遮断する電力遮断手段と、
前記電力遮断手段を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記回生検知手段により前記電動モータの回生が検知され、前記燃料電池の電圧を予め設定された閾値以上にさせる回生電力の電圧上昇が発生しているとき、前記電力遮断手段により前記燃料電池と前記蓄電装置との間の通電を遮断することを特徴とする産業車両の燃料電池システム。
前記回生検知手段は、アクセルオフ操作の検知信号、ブレーキオン操作の検知信号およびディレクションレバーによるスイッチバック操作の検知信号を受信し、
前記検知信号のいずれかの検知信号に基づき、前記電動モータの回生を検知することを特徴とする請求項１記載の産業車両の燃料電池システム。
前記電力遮断手段はコンタクタであることを特徴とする請求項１又は２記載の産業車両の燃料電池システム。
前記燃料電池の電圧を検出するとともに、前記制御手段と通信可能な燃料電池コントローラが備えられ、
前記燃料電池コントローラが前記閾値以上の前記燃料電池の電圧を検出したとき、
前記制御手段は、前記電力遮断手段により前記燃料電池と前記蓄電装置との間の通電を遮断することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の産業車両の燃料電池システム。