JP6485652B2 - 燃料電池システムを搭載した産業車両 - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池システムを搭載した産業車両に係り、特に車両キースイッチのＯＮ／ＯＦＦに連動して燃料電池システムの制御がおこなわれる、燃料電池システムを搭載した産業車両に関する。
燃料電池システムを搭載した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、複数の発電セルを積層して構成される燃料電池スタックに水素ガスと空気が供給され、これら水素ガスと空気中の酸素とが各発電セルの内部で化学反応を起こすことによって発電がおこなわれる。
現在、フォークリフト等の産業車両に燃料電池システムを搭載したものが登場している。このような燃料電池システムを搭載した産業車両の中には、車両キースイッチのＯＮ／ＯＦＦに連動して燃料電池システムの制御がおこなわれるものがある。一般的には、車両キースイッチがＯＮにされると燃料電池システムによる発電が開始されると共に車両操作が可能な状態となり、車両キースイッチがＯＦＦにされると燃料電池システムによる発電が停止されると共に車両操作が不可能な状態となる。特許文献１には、そのような産業車両の一例が記載されている。
フォークリフト等の産業車両では、運転者は各種作業のために頻繁に車両の乗り降りをおこなうことになるが、この際、安全教育の一環として、例え一時的にでも車両から降りる際には、車両キースイッチをＯＦＦにするように指導されていることが多い。そのため、産業車両では車両キースイッチが頻繁にＯＮ／ＯＦＦされ、これに連動して燃料電池システムによる発電の開始と停止が頻繁に繰り返されることになる。
一般に、燃料電池システムによる発電の開始と停止を頻繁に繰り返すことは、燃料電池スタックの劣化を速く進行させることになる。特に、燃料電池スタックのセル電圧が取り得る最低許容電圧（約０．６Ｖ）を跨ぐ電圧変動が与えられると劣化が速く進行することが知られている。
また、燃料電池システムによる発電を開始する際には、燃料電池スタックに空気を供給するためのエアコンプレッサの駆動を開始させる必要があるが、エアコンプレッサは駆動開始時に多くの電力を必要とする。また、燃料電池システムによる発電を停止する際には、発電停止後もエアコンプレッサを一定時間駆動させて燃料電池スタック内に残っている水を排出する必要があり、これにも電力を必要とする。すなわち、燃料電池システムによる発電の開始と停止を頻繁に繰り返すことは、エネルギー効率の面からも問題がある。
この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、頻繁に車両キースイッチがＯＮ／ＯＦＦされる使用環境でも、燃料電池スタックの劣化とエネルギー効率の低下を防止することができる、燃料電池システムを搭載した産業車両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、この発明に係る燃料電池システムを搭載した産業車両は、車両キースイッチをＯＦＦからＯＮにすると、燃料電池システムによる発電を開始し、車両キースイッチをＯＮからＯＦＦにすると、燃料電池システムの電圧保持制御を開始し、車両キースイッチがＯＮのときに当該車両キースイッチによって所定の操作をおこなうと、燃料電池システムによる発電を停止し、所定の操作は、車両キースイッチを所定回数連続してＯＮからＯＦＦにする操作であることを特徴とする。
この発明に係る燃料電池システムを搭載した産業車両は、車両キースイッチをＯＦＦからＯＮにすると、燃料電池システムによる発電を開始し、車両キースイッチをＯＮからＯＦＦにすると、燃料電池システムの電圧保持制御を開始し、車両キースイッチがＯＮのときに当該車両キースイッチによって所定の操作をおこなうと、燃料電池システムによる発電を停止し、車両キースイッチは、ＯＮ、ＯＦＦおよびスタータ位置を、ＯＦＦ、ＯＮ、スタータ位置の順に備えており、スタータ位置は、燃料電池システムによる発電を停止させる位置であり、所定の操作は、車両キースイッチをＯＮから一旦スタータ位置にした後にＯＦＦにする操作であることを特徴とする。
この発明に係る燃料電池システムを搭載した産業車両は、車両キースイッチをＯＦＦからＯＮにすると、燃料電池システムによる発電を開始し、車両キースイッチをＯＮからＯＦＦにすると、燃料電池システムの電圧保持制御を開始し、車両キースイッチがＯＮのときに当該車両キースイッチによって所定の操作をおこなうと、燃料電池システムによる発電を停止し、車両キースイッチは、ＯＮ、ＯＦＦおよびスタータ位置を、ＯＦＦ、ＯＮ、スタータ位置の順に備えており、スタータ位置は、燃料電池システムによる発電を停止させる位置であり、所定の操作は、車両キースイッチをＯＮから一旦スタータ位置にした後にＯＦＦにする操作であることを特徴とする。
電圧保持制御を開始してから所定時間が経過すると、燃料電池システムによる発電を停止してもよい。
この発明に係る燃料電池システムを搭載した産業車両によれば、頻繁に車両キースイッチがＯＮ／ＯＦＦされる使用環境でも、燃料電池スタックの劣化とエネルギー効率の低下を防止することができる。
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．
この発明の実施の形態に係る、燃料電池システム１を搭載した産業車両１００の構成を図１に示す。なお、以降の説明では、産業車両１００は、フォークリフト等の荷役装置を有する産業車両に搭載されるものとして説明するが、本願発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、例えば牽引車等の産業車両でもよい。
実施の形態．
この発明の実施の形態に係る、燃料電池システム１を搭載した産業車両１００の構成を図１に示す。なお、以降の説明では、産業車両１００は、フォークリフト等の荷役装置を有する産業車両に搭載されるものとして説明するが、本願発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、例えば牽引車等の産業車両でもよい。
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とを備えている。燃料電池スタック２は、固体高分子電解質をアノード極（水素極）とカソード極（空気極）とで挟み込んで形成される発電セルが複数積層された構成を有しており、各発電セルのアノード極には水素ガスが供給され、カソード極には空気が供給される。そして、各発電セルの内部における水素ガスと空気中の酸素との化学反応によって電気エネルギーが生成され、燃料電池スタック２での発電がおこなわれる。
水素タンク３と燃料電池スタック２との間の水素供給管５の途中には、燃料電池スタック２に供給される水素ガスの流量を調整するためのインジェクタ等から構成される流量調整弁６と、水素還流管７に接続されるエゼクタ８とが設けられており、水素還流管７の途中には電動ポンプ９が設けられている。
水素タンク３から水素供給管５を経由して燃料電池スタック２に供給される水素ガスは、燃料電池スタック２内の化学反応によってその一部が消費され、化学反応に寄与することなく水素還流管７に排出された水素ガスは、電動ポンプ９の作用によってエゼクタ８に導かれ、再び燃料電池スタック２に供給される。
一方、エアコンプレッサ４から空気供給管１０を経由して燃料電池スタック２に供給される空気は、燃料電池スタック２内の化学反応によってその一部が消費され、化学反応に寄与することなく空気排気管１１に排出された空気は、図示しない排気経路を経由して外気に放出される。
燃料電池システム１による発電は、燃料電池システムコントローラ１２によって制御される。燃料電池システムコントローラ１２は、マイクロコンピュータによって構成されており、電圧センサ１３によって検出される燃料電池スタック２のセル電圧Ｖｃを取得することができる。燃料電池システムコントローラ１２は、流量調整弁６の開閉と電動ポンプ９の回転数を制御することによって、燃料電池スタック２に供給される水素ガスの流量を調整すると共に、エアコンプレッサ４の吐出流量を制御することによって、燃料電池スタック２に供給される空気の流量を調整し、これらによって燃料電池スタック２の発電電力を制御する。
燃料電池スタック２の出力には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４の出力には、キャパシタ１５が接続されている。キャパシタ１５の出力は、燃料電池システム１の出力端子１６に接続されている。
燃料電池システム１の出力端子１６には、荷役モータや走行モータ等によって構成される車両負荷１７が接続されている。燃料電池スタック２から出力される直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４によって所定の電圧まで降圧された後、車両負荷１７に供給される。この際、燃料電池スタック２の発電電力が車両負荷１７の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ１５に充電され、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１５から車両負荷１７に供給される。
また、産業車両１００は、マイクロコンピュータによって構成される車両コントローラ１８を備えている。車両コントローラ１８は、運転者によって操作されるステアリングホイール１９、アクセルペダル２０、リフトレバー２１等、および車両キースイッチ２２の状態に基いて、燃料電池システム１および車両負荷１７を制御する。
図２に示されるように、運転者によって操作される車両キースイッチ２２は、ＯＦＦとＯＮの２つの状態をとることができる。車両キースイッチ２２がＯＦＦのとき、産業車両１００は操作不能な停止状態である。このとき、流量調整弁６が閉状態であると共に電動ポンプ９およびエアコンプレッサ４も停止状態であり、燃料電池スタック２への水素ガスおよび空気の供給は完全に停止している。そのため、燃料電池スタック２での発電はおこなわれておらず、そのセル電圧Ｖｃは０Ｖである。また、車両コントローラ１８および燃料電池システムコントローラ１２は待機状態である。
次に、この実施の形態に係る燃料電池システム１を搭載した産業車両１００における、運転者による車両キースイッチ２２の操作に応じておこなわれる制御について説明する。
（車両の始動：燃料電池システムによる発電の開始）
産業車両１００の運転者は、停止状態の車両を始動させる際には、車両キースイッチ２２をＯＦＦからＯＮにする。車両キースイッチ２２がＯＦＦからＯＮになると、車両コントローラ１８が起動状態になり、車両の操作が可能な状態になる。起動状態になった車両コントローラ１８は、燃料電池システムコントローラ１２に対してユニット起動信号を送信することによって、燃料電池システムコントローラ１２を起動状態にする。起動状態になった燃料電池システムコントローラ１２は、流量調整弁６を開状態にすると共に電動ポンプ９およびエアコンプレッサ４の駆動を開始させることによって、燃料電池スタック２への水素ガスおよび空気の供給を開始し、燃料電池スタック２による発電を開始させる（図３（Ａ）参照）。
産業車両１００の運転者は、停止状態の車両を始動させる際には、車両キースイッチ２２をＯＦＦからＯＮにする。車両キースイッチ２２がＯＦＦからＯＮになると、車両コントローラ１８が起動状態になり、車両の操作が可能な状態になる。起動状態になった車両コントローラ１８は、燃料電池システムコントローラ１２に対してユニット起動信号を送信することによって、燃料電池システムコントローラ１２を起動状態にする。起動状態になった燃料電池システムコントローラ１２は、流量調整弁６を開状態にすると共に電動ポンプ９およびエアコンプレッサ４の駆動を開始させることによって、燃料電池スタック２への水素ガスおよび空気の供給を開始し、燃料電池スタック２による発電を開始させる（図３（Ａ）参照）。
燃料電池システム１による発電が開始されると、燃料電池スタック２のセル電圧Ｖｃが０Ｖから次第に上昇していく。その後、燃料電池システムコントローラ１２は、電圧センサ１３によって検出されるセル電圧Ｖｃが、各発電セルの性能劣化を起こすことなく使用可能な最低電圧（最低許容電圧：Ｖｍｉｎ）と最大電圧（最大許容電圧：Ｖｍａｘ）との間に維持されるように、燃料電池スタック２の発電電力を制御する。
（車両の短時間の停止：燃料電池システムの電圧保持制御）
運転者は、各種作業のために車両を一時的に降りる場合等、車両を短時間停止状態にする際には、車両キースイッチ２２をＯＮからＯＦＦにする。車両キースイッチ２２がＯＮからＯＦＦになると、車両コントローラ１８は、車両を操作不能な停止状態にすると共に、燃料電池システムコントローラ１２に対して電圧保持制御の開始信号を送信する。開始信号を受信した燃料電池システムコントローラ１２は、燃料電池システム１の電圧保持制御を開始する（図３（Ｂ）参照）。この電圧保持制御とは、燃料電池スタック２の発電電力を最小限としながら、そのセル電圧Ｖｃを最低許容電圧Ｖｍｉｎと最大許容電圧Ｖｍａｘとの間に保持する制御である。
運転者は、各種作業のために車両を一時的に降りる場合等、車両を短時間停止状態にする際には、車両キースイッチ２２をＯＮからＯＦＦにする。車両キースイッチ２２がＯＮからＯＦＦになると、車両コントローラ１８は、車両を操作不能な停止状態にすると共に、燃料電池システムコントローラ１２に対して電圧保持制御の開始信号を送信する。開始信号を受信した燃料電池システムコントローラ１２は、燃料電池システム１の電圧保持制御を開始する（図３（Ｂ）参照）。この電圧保持制御とは、燃料電池スタック２の発電電力を最小限としながら、そのセル電圧Ｖｃを最低許容電圧Ｖｍｉｎと最大許容電圧Ｖｍａｘとの間に保持する制御である。
燃料電池システム１の電圧保持制御においては、エアコンプレッサ４は通常は仕様上許される最低吐出流量で駆動されている。一方、流量調整弁６は通常は閉状態であり、水素の圧力が低下すると開状態となり、また電動ポンプ９も低回転で駆動されており、燃料電池スタック２への水素ガスの供給は微量ながら継続されている。
このような状態において、燃料電池システムコントローラ１２は、図４に示されるように、電圧センサ１３によって検出される燃料電池スタック２のセル電圧Ｖｃが最低許容電圧Ｖｍｉｎよりも僅かに高く設定された所定の閾値電圧Ｖ１まで低下すると、エアコンプレッサ４を最低吐出流量よりも多い流量で駆動させ、燃料電池スタック２のセル電圧Ｖｃが最大許容電圧Ｖｍａｘよりも僅かに低く設定された所定の閾値電圧Ｖ２まで上昇すると、エアコンプレッサ４を再び最低吐出流量に戻す。これにより、燃料電池スタック２のセル電圧Ｖｃは最低許容電圧Ｖｍｉｎと最大許容電圧Ｖｍａｘとの間に保持される。
上記の電圧保持制御の実行中に、運転者によって車両キースイッチ２２が再びＯＦＦからＯＮにされると、車両コントローラ１８は、車両を操作可能な始動状態にすると共に、燃料電池システムコントローラ１２に対して発電再開信号を送信する。発電再開信号を受信した燃料電池システムコントローラ１２は、燃料電池システム１による発電を再開させる。この際、燃料電池スタック２のセル電圧Ｖｃは、はじめから最低許容電圧Ｖｍｉｎよりも高い状態にあるため、セル電圧Ｖｃが０Ｖから最低許容電圧Ｖｍｉｎを跨いで上昇することはなく、燃料電池スタック２の劣化が防止される。また、電圧保持制御の実行中は、エアコンプレッサ４は完全に停止してはいないため、エアコンプレッサ４の駆動開始時に大量の電力が消費されてエネルギー効率が低下することが防止される。
また、車両コントローラ１８は、電圧保持制御の開始信号を送信してから所定時間（例えば１０分程度）が経過すると、燃料電池システムコントローラ１２に対して発電停止信号を送信することによって、燃料電池システム１による発電を停止させる。これは、運転者が車両を一時的に停止させるつもりで車両キースイッチ２２をＯＮからＯＦＦにした場合であっても、意図しない理由によって車両が長時間再始動されない可能性もあるためである。
（車両の長時間の停止：燃料電池システムによる発電の停止）
運転者は、作業の終了時等、車両を長時間停止状態にする際には、車両キースイッチ２２を２回連続してＯＮからＯＦＦにする。なお、連続してＯＮからＯＦＦにする回数は２回に限定されるものではなく、３回以上でもよい。車両キースイッチ２２が２回連続してＯＮからＯＦＦにされると、車両コントローラ１８は、車両を操作不能な停止状態にすると共に、燃料電池システムコントローラ１２に対して発電停止信号を送信する。
運転者は、作業の終了時等、車両を長時間停止状態にする際には、車両キースイッチ２２を２回連続してＯＮからＯＦＦにする。なお、連続してＯＮからＯＦＦにする回数は２回に限定されるものではなく、３回以上でもよい。車両キースイッチ２２が２回連続してＯＮからＯＦＦにされると、車両コントローラ１８は、車両を操作不能な停止状態にすると共に、燃料電池システムコントローラ１２に対して発電停止信号を送信する。
発電停止信号を受信した燃料電池システムコントローラ１２は、流量調整弁６を閉状態にすると共に電動ポンプ９を停止させた後、一定時間経過後にエアコンプレッサ４を完全に停止させ、燃料電池スタック２への水素ガスおよび空気の供給を停止させることによって、燃料電池スタック２での発電を停止させる（図３（Ｃ）参照）。燃料電池システム１による発電が停止すると、燃料電池システムコントローラ１２および車両コントローラ１８は待機状態になる。
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１を搭載した産業車両１００では、運転者は、車両を長時間停止させる際には、車両キースイッチ２２を２回連続してＯＮからＯＦＦにする。これにより、燃料電池システム１による発電が停止される。また、運転者は、車両を短時間停止させる際には、車両キースイッチ２２をＯＮからＯＦＦにする。このとき、燃料電池スタック２の発電電力を最小限にしながら、そのセル電圧Ｖｃを最低許容電圧Ｖｍｉｎと最大許容電圧Ｖｍａｘとの間に保持する電圧保持制御がおこなわれる。
電圧保持制御の実行中に再び車両キースイッチ２２をＯＮにして燃料電池システム１による発電を開始する際には、燃料電池スタック２のセル電圧Ｖｃは、はじめから最低許容電圧Ｖｍｉｎよりも高い状態にあるため、セル電圧Ｖｃが０Ｖから最低許容電圧Ｖｃを跨いで上昇することはなく、燃料電池スタック２の劣化が防止される。また、電圧保持制御の実行中は、エアコンプレッサ４は完全に停止してはいないため、エアコンプレッサ４の駆動開始時に大量の電力が消費されてエネルギー効率が低下することが防止される。これらにより、頻繁に車両キースイッチ２２がＯＮ／ＯＦＦされる使用環境でも、燃料電池スタック２の劣化とエネルギー効率の低下を防止することができる。
また、上記の実施の形態では、電圧保持制御を開始してから所定時間が経過すると、燃料電池システム１による発電が停止される。これにより、運転者が車両を一時的に停止させるつもりで車両キースイッチ２２をＯＮからＯＦＦにした際に、意図しない理由によって車両が長時間再始動されない場合でも、発電が不必要に継続されることが防止される。
その他の実施の形態．
上記実施の形態では、車両キースイッチ２２は、ＯＦＦとＯＮの２つの状態を取り得るものであったが、例えば図５に示されるように、エンジン搭載型の一般車両において普及しているＯＦＦとＯＮとスタータ位置の３つの状態を取り得る車両キースイッチ５２２を用いてもよい。この場合、車両を短時間停止させる際には、車両キースイッチ５２２をＯＮからＯＦＦにし、車両を長時間停止させる際には、車両キースイッチ５２２をＯＮから一旦スタータ位置にした後にＯＦＦにすることができる。
上記実施の形態では、車両キースイッチ２２は、ＯＦＦとＯＮの２つの状態を取り得るものであったが、例えば図５に示されるように、エンジン搭載型の一般車両において普及しているＯＦＦとＯＮとスタータ位置の３つの状態を取り得る車両キースイッチ５２２を用いてもよい。この場合、車両を短時間停止させる際には、車両キースイッチ５２２をＯＮからＯＦＦにし、車両を長時間停止させる際には、車両キースイッチ５２２をＯＮから一旦スタータ位置にした後にＯＦＦにすることができる。
１ 燃料電池システム、２２，５２２ 車両キースイッチ、１００ 産業車両。
Claims (3)
- 燃料電池システムを搭載した産業車両であって、
車両キースイッチをＯＦＦからＯＮにすると、前記燃料電池システムによる発電を開始し、
前記車両キースイッチをＯＮからＯＦＦにすると、前記燃料電池システムの電圧保持制御を開始し、
前記車両キースイッチがＯＮのときに該車両キースイッチによって所定の操作をおこなうと、前記燃料電池システムによる発電を停止し、
前記所定の操作は、前記車両キースイッチを所定回数連続してＯＮからＯＦＦにする操作であることを特徴とする、燃料電池システムを搭載した産業車両。 - 燃料電池システムを搭載した産業車両であって、
車両キースイッチをＯＦＦからＯＮにすると、前記燃料電池システムによる発電を開始し、
前記車両キースイッチをＯＮからＯＦＦにすると、前記燃料電池システムの電圧保持制御を開始し、
前記車両キースイッチがＯＮのときに該車両キースイッチによって所定の操作をおこなうと、前記燃料電池システムによる発電を停止し、
前記車両キースイッチは、ＯＮ、ＯＦＦおよびスタータ位置を、ＯＦＦ、ＯＮ、スタータ位置の順に備えており、前記スタータ位置は、前記燃料電池システムによる発電を停止させる位置であり、
前記所定の操作は、前記車両キースイッチをＯＮから一旦前記スタータ位置にした後にＯＦＦにする操作であることを特徴とする、燃料電池システムを搭載した産業車両。 - 前記電圧保持制御を開始してから所定時間が経過すると、前記燃料電池システムによる発電を停止することを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池システムを搭載した産業車両。
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