JP2019087479A - 産業車両用の燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの冷却ファンによるノイズバイブレーションを抑制することができる、産業車両用の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、ＦＣスタック１と、ＦＣスタック１に取り付けられる冷却水流路６と、冷却水流路６の途中に設けられるラジエータ８と、ラジエータ８を冷却する冷却ファン１０と、冷却水流路６内を流れる冷却水の温度を検出する温度センサ７と、冷却水の温度に基いて冷却ファン１０の回転数を制御するＦＣ制御装置５とを備えている。ＦＣ制御装置５は、産業車両が走行中でなく、かつ、荷役中でもない場合には、冷却ファン１０の回転数に所定の上限値を設ける。【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池システムに係り、特に荷役装置を有する産業車両に搭載される燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池システム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、燃料電池スタック（ＦＣスタック）に水素と酸素が供給され、これら水素と酸素がＦＣスタック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。また、荷役装置を有する産業車両に燃料電池システムを搭載したものも既に実用化されている。

燃料電池システムを効率的に動作させるためには、ＦＣスタックの温度を適切な範囲内に保つ必要がある。そのため、通常のＦＣスタックには、水冷式あるいは空冷式の冷却機構が設けられている。水冷式の冷却機構の一例としては、ＦＣスタックに冷却水流路が取り付けられ、冷却水流路の途中にラジエータとそれを冷却する冷却ファンとが設けられる構成がある。

通常、冷却ファンの回転数は、冷却水流路内を流れる冷却水の温度に基いて決定される。しかしながら、産業車両が走行中でも荷役中でもない場合に冷却ファンが高速回転すると、その作動音や振動（ノイズバイブレーション）が搭乗者やその周辺の人間に対して耳障りとなるおそれがある。また、エンジン式の産業車両においては、アイドリング時にラジエータファンが高速回転することは無く、搭乗やその周辺の人間に違和感を与えることにもなる。なお、特許文献１には、普通自動車に搭載される燃料電池システムにおいて、ノイズバイブレーションの抑制を考慮した冷却ファンの制御方法の一例が記載されている。

特開２０１６−９６０４４号公報

しかしながら、普通自動車と比べてはるかに低速で走行する産業車両では、普通自動車のように走行風を利用することができない違いがある。また普通自動車には存在しない荷役装置を有するため、特許文献１の発明とは異なる産業車両用の燃料電池システムに適した方策が求められる。

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、燃料電池スタックの冷却ファンによるノイズバイブレーションを抑制することができる、産業車両用の燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る産業車両用の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに取り付けられる冷却水流路と、冷却水流路の途中に設けられるラジエータと、ラジエータを冷却する冷却ファンと、冷却水流路内を流れる冷却水の温度を検出する温度検出手段と、冷却水の温度に基いて冷却ファンの回転数を制御する制御手段と、産業車両が走行中であるか否かを判定する走行判定手段と、産業車両が荷役中であるか否かを判定する荷役判定手段とを備え、制御手段は、産業車両が走行中でなく、かつ、荷役中でもない場合には、冷却ファンの回転数に所定の上限値を設ける。

燃料電池スタックは、発電停止および最高発電を含む少なくとも３つの発電量の異なる状態をとるように制御され、制御手段は、燃料電池スタックの発電状態が最高発電の場合には、上記の上限値を解除するようにしてもよい。

この発明に係る産業車両用の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの冷却ファンによるノイズバイブレーションを抑制することができる。

この発明の実施の形態に係る燃料電池システムを搭載したフォークリフトの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおけるＦＣスタックの発電状態を示す図である。 この発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける冷却ファンの回転数の制御を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける冷却ファンの回転数の上限値を説明する図である。

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．
図１には、この発明の実施の形態に係る産業車両用の燃料電池システム１００を搭載したフォークリフトの構成が模式的に示されている。なお、以降の説明では、産業車両としてフォークリフトを例にとって説明するが、本願発明の適用可能な範囲はこれに限定されるものではなく、荷役装置を有するものであれば他の種類の産業車両であってもよい。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１と、水素ガスを供給可能な水素タンク２と、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。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ＦＣスタック１の内部で化学反応を起こすことによって、発電が行われる。

ＦＣスタック１と水素タンク２の間には、ＦＣスタック１に供給される水素ガス量を調整するための水素供給制御弁４が設けられており、水素供給制御弁４およびコンプレッサ３は、マイクロコンピュータ等によって構成されるＦＣ制御装置５によって制御される。ＦＣ制御装置５は、水素供給制御弁４の開度とコンプレッサ３の吐出量を制御することによって、ＦＣスタック１に供給される水素と酸素の量を調整し、ＦＣスタック１の発電電力を制御する。

また、ＦＣスタック１には、発電の際に生じる熱によって温度上昇するＦＣスタック１を冷却するための冷却水流路６が取り付けられている。冷却水流路６の途中には、冷却水流路６内を流通する冷却水の温度を検出する温度センサ７と、ラジエータ８と、ウォータポンプ９とが設けられている。

ラジエータ８は冷却ファン１０によって冷却され、冷却ファン１０の回転数は、停止または最高速の２値で制御される。ＦＣ制御装置５は、温度センサ７によって検出される冷却水の温度Ｔが、ＦＣスタック１の発電が効率的に行われるのに適した所定の目標温度Ｔｔよりも高い時間が一定時間続くと、冷却ファン１０を最高速で回転させる。

ＦＣスタック１の出力には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、ＦＣスタック１から出力される直流電圧を所定の直流電圧に降圧して出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力には、車両負荷２０が接続されている。この実施の形態における車両負荷２０は、フォークリフトの車軸を駆動するための走行モータ２１および荷役装置を駆動するための荷役モータ２２であり、燃料電池システム１００から供給される直流電力によって走行モータ２１や荷役モータ２２が駆動されることによって、フォークリフトの走行や荷役が行われる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力には、上記の車両負荷２０とは並列に蓄電装置１２が接続されている。蓄電装置１２は、充放電可能な二次電池あるいはキャパシタであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１から車両負荷２０に供給される直流電力を安定化させる。なお、蓄電装置１２には、蓄電装置１２の電圧を計測する電圧センサ１３が接続されており、計測された電圧値はＦＣ制御装置５に入力される。

ＦＣ制御装置５は、蓄電装置１２の電圧を常時監視しており、蓄電装置１２の電圧に基いて、ＦＣスタック１の発電状態を制御する。詳細には、図２に示されるように、ＦＣ制御装置５は、蓄電装置１２の電圧に基いて、ＦＣスタック１の発電状態を、発電停止、低発電、中発電および高発電（最高発電）という４つの離散的な状態をとるように制御する。

例えば、ＦＣスタック１の発電状態が中発電の際に、蓄電装置１２の電圧Ｖが所定の閾値Ｖｔｈ２３を下回ると、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１に供給される水素と酸素の量を増加させることによって、ＦＣスタック１の発電状態を高発電に移行させる。また、ＦＣスタック１の発電状態が高発電の際に、蓄電装置１２の電圧Ｖが所定の閾値Ｖｔｈ３２を上回ると、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１に供給される水素と酸素の量を減少させることによって、ＦＣスタック１の発電状態を中発電に移行させる。

図１に戻って、車両負荷２０を構成する走行モータ２１および荷役モータ２２はそれぞれ、車両制御装置３３によって制御される。

車両制御装置３３は、マイクロコンピュータ等によって構成されている。車両制御装置３３は、フォークリフトの搭乗者によって操作されるアクセルペダル３４、リフトレバー３５、チルトレバー３６等の操作状態に基いて、フォークリフトの走行や荷役を制御する。なお、車両制御装置３３とＦＣ制御装置５とは、互いに通信を行うことができる。

次に、この実施の形態に係る燃料電池システム１００における、冷却ファン１０の回転数の制御について、図３のフローチャートを参照して説明する。

まず、ＦＣ制御装置５は、温度センサ７によって検出される冷却水の温度Ｔと目標温度Ｔｔとを比較し（Ｓ１０１）、冷却水の温度Ｔが目標温度Ｔｔよりも高い場合（Ｓ１０１＝ＹＥＳ）には、車両制御装置３３との間で通信を行うことによって、フォークリフトが現在走行中であるか否かの情報および現在荷役中であるか否かの情報を取得する（Ｓ１０２）。なお、冷却水の温度Ｔが目標温度Ｔｔ以下である場合（Ｓ１０１＝ＮＯ）には、冷却ファン１０を回転させる必要がないため、ＦＣ制御装置５は冷却ファン１０の回転を停止させる（Ｓ１０３）。

ステップＳ１０２において、フォークリフトが現在走行中または荷役中のいずれかまたは両方である場合（Ｓ１０２＝ＹＥＳ）、すなわち走行モータ２１または荷役モータ２２のいずれかまたは両方が回転している場合には、それらの作動音や振動が大きいため、冷却ファン１０が最高速で回転したとしても、それによるノイズバイブレーションが搭乗者や周辺の人間の邪魔になることはない。そのため、ＦＣ制御装置５は、冷却ファン１０の回転数を最高速に設定し（Ｓ１０４）、冷却ファン１０を最高速で回転させる（Ｓ１０５）。

一方、ステップＳ１０２において、フォークリフトが現在走行中でもなく荷役中でもない場合（Ｓ１０２＝ＮＯ）、すなわち走行モータ２１と荷役モータ２２が共に回転していない場合には、冷却ファン１０によるノイズバイブレーションが搭乗者や周辺の人間の邪魔になる可能性がある。そのため、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の現在の発電状態が高発電（最高発電）であるか否かを調べる（Ｓ１０６）。

ステップＳ１０６において、ＦＣスタック１の現在の発電状態が高発電である場合（Ｓ１０６＝ＹＥＳ）には、ＦＣスタック１に空気を供給するコンプレッサ３の作動音や振動が比較的大きいため、冷却ファン１０が最高速で回転したとしても、それによるノイズバイブレーションが搭乗者や周辺の人間の邪魔になることはない。そのため、ＦＣ制御装置５は、冷却水の温度Ｔが目標温度Ｔｔよりも高い時間が一定時間続くと、冷却ファン１０の回転数を最高速に設定し（Ｓ１０４）、冷却ファン１０を最高速で回転させる（Ｓ１０５）。

一方、ステップＳ１０６において、ＦＣスタック１の発電状態が高発電でない場合（ＳＳ１０６＝ＮＯ）には、コンプレッサ３の作動音や振動が比較的小さいため、冷却ファン１０が最高速で回転する場合には、それによるノイズバイブレーションが搭乗者や周辺の人間の邪魔になる可能性がある。そのため、ＦＣ制御装置５は、図４に示されるように、冷却ファン１０の回転数に所定の上限値を設け、この上限値になるように冷却ファン１０の回転数を設定し（Ｓ１０７）、上限値の回転数で冷却ファン１０を回転させる（Ｓ１０５）。なお、この上限値は、冷却ファン１０の回転数がこの値以下であれば、それによるノイズバイブレーションが搭乗者や周辺の人間の邪魔にならない回転数として実験的に決定される。

以上説明したように、この発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００では、フォークリフトが走行中でもなく荷役中でもなく、またＦＣスタック１の発電状態が高発電でもない場合には、冷却ファン１０の回転数に所定の上限値を設ける。これにより、冷却ファン１０によるノイズバイブレーションが搭乗者やその周辺の人間の邪魔になることが防止される。

また、フォークリフトが走行中でもなく荷役中でもない場合であっても、ＦＣスタック１の発電状態が高発電である場合には、コンプレッサ３の作動音や振動が比較的大きく、冷却ファン１０によるノイズバイブレーションを抑制する効果があまりないため、上記の上限値を解除する。これにより、冷却ファン１０のノイズバイブレーションを抑制する効果があまりない場合において、ＦＣスタック１の冷却を優先させることができる。

その他の実施の形態．
実施の形態では、冷却水の温度Ｔが所定の目標温度Ｔｔよりも高い時間が一定時間続くと、冷却ファン１０は最高速で回転する。しかしながら、冷却水の温度とファンの回転数との間の関係はこれに限定されるものではない。例えば、冷却ファン１０の回転数は、冷却水の温度Ｔと目標温度Ｔｔとの差：ΔＴ＝Ｔ−Ｔｔに応じて直線的に変化するように制御してもよい。あるいは、温度差ΔＴに応じて回転数がステップ状に変化するように制御してもよい。そのような場合にも、本願発明を同様に適用することができる。

また、実施の形態では、ＦＣスタック１の発電状態は、発電停止、低発電、中発電および高発電の４つであったが、発電停止および高発電（最高発電）を含む少なくとも３つの発電状態があればよい。あるいは、ＦＣスタック１は、フォークリフトの要求電力に応じて連続的に発電電力が変化するように制御されてもよい。その場合には、図３のステップＳ１０６において、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電電力が所定値以上であるか否かを判定し、発電電力が所定値以上の場合には、冷却ファン１０の回転数の上限値を解除するようにする。

また、実施の形態では、ＦＣ制御装置５は、車両制御装置３３との間で通信を行うことによって、フォークリフトが現在走行中である否かの情報および現在荷役中であるか否かの情報を取得していたが、走行中および荷役中を判定する方法はこれに限定されるものではない。例えば、走行モータ２１や荷役モータ２２に回転検出センサを設けることによってこれらの情報を取得してもよい。あるいは、搭乗者によって操作されるアクセルペダル３４、リフトレバー３５、チルトレバー３６等の操作状態から走行中や荷役中を判定してもよい。この場合、搭乗者がアクセルオフの状態で、惰性や下り坂によって走行している状態も走行ではない（否）の判断となる。さらには、車速センサを設けることによって、車両の状態によって走行中か否かを判定してもよい。

１００ 燃料電池システム、１ ＦＣスタック（燃料電池スタック）、５ ＦＣ制御装置（制御手段）、６ 冷却水流路、７ 温度センサ（温度検出手段）、８ ラジエータ、１０ 冷却ファン、３３ 車両制御装置（走行判定手段、荷役判定手段）。

Claims (2)

1. 産業車両用の燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに取り付けられる冷却水流路と、
   前記冷却水流路の途中に設けられるラジエータと、
   前記ラジエータを冷却する冷却ファンと、
   前記冷却水流路内を流れる冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
   前記冷却水の温度に基いて前記冷却ファンの回転数を制御する制御手段と、
   前記産業車両が走行中であるか否かを判定する走行判定手段と、
   前記産業車両が荷役中であるか否かを判定する荷役判定手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記産業車両が走行中でなく、かつ、荷役中でもない場合には、前記冷却ファンの回転数に所定の上限値を設ける、産業車両用の燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックは、発電停止および最高発電を含む少なくとも３つの発電量の異なる状態をとるように制御され、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックの発電状態が前記最高発電の場合には、前記上限値を解除する、請求項１に記載の産業車両用の燃料電池システム。

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