JP6621727B2 - 産業車両に搭載される燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、産業車両に搭載される燃料電池システムに係り、特に発電停止時に掃気処理を行う燃料電池システムに関する。

一般的な燃料電池システムの構成を図５に示す。燃料電池システム５０１は、複数の発電セルを積層して構成される燃料電池５０２と、水素タンク５０３と、エアコンプレッサ５０４とを備えている。燃料電池５０２に水素ガスと空気が供給されると、各発電セルの内部で水素ガスと空気中の酸素とが化学反応を起こすことによって発電が行われる。

燃料電池５０２の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０７とキャパシタ５１０とを介して出力端子５０８に接続されており、燃料電池５０２によって発電された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０７によって所定の電圧まで降圧された後、出力端子５０８から出力される。出力端子５０８には負荷５０９が接続されており、出力端子５０８と負荷５０９との間にはコンタクタ５１１が設けられている。

また、燃料電池システムの中には、発電停止時に燃料電池内に所定流量の水素ガスと空気を供給し、各発電セルの内部に残留している水を除去する処理（「掃気処理」）を行うものがある。特許文献１には、そのような掃気処理を行う燃料電池システムを搭載した車両の一例が記載されている。

図５の燃料電池システム５０１で掃気処理を行う場合には、コンタクタ５１１をＯＦＦ状態にし、水素タンク５０３から燃料電池５０２内に掃気を行うための流量の水素ガスを供給しつつ、エアコンプレッサ５０４によって掃気を行うための流量の空気を燃料電池５０２内に供給する。この際、燃料電池５０２内では微弱ながら発電が行われる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０７は、その入力電圧が燃料電池５０２の劣化抑制電圧に維持されるように制御される。掃気処理の際に燃料電池５０２から出力される微弱な電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０７を経由してキャパシタ５１０に充電される。

特開２００９−２７７６２２号公報

現在、上記のような掃気処理を行う燃料電池システムを搭載した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。このような産業車両の中には、車両の起動スイッチのＯＮ／ＯＦＦに連動して燃料電池システムによる発電の開始と停止とが行われるものがある。すなわち、起動スイッチが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、起動スイッチが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。

また、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行うことになるが、一時的にでも車両から降りる場合には、起動スイッチをＯＦＦにする。そのため、産業車両では起動スイッチが頻繁に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とが頻繁に行われることになる。

そのため、上述したような掃気処理を行う燃料電池システムを産業車両に搭載する場合には、掃気処理が行われている最中に起動スイッチがＯＮにされ、発電の再開（「再起動処理」）を行わなければならない事態が起こり得る。

しかしながら、図５の燃料電池システム５０１で掃気処理を行っている最中に、起動スイッチがＯＮにされるのと連動してコンタクタ５１１をＯＮ状態にすると、燃料電池５０２から車両の負荷５０９に向かって大きな突入電流が流れ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０７に過電流が流れるおそれがある。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０７に過電流が流れるのを防止するために、コンタクタ５１１をＯＮ状態にするのに先立ってＤＣ／ＤＣコンバータ５０７の出力をＯＦＦ状態にすると、燃料電池５０２の開回路電圧（ＯＣＶ）が当該燃料電池５０２の劣化を引き起こすほどに上昇するおそれがある。

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、燃料電池の劣化やＤＣ／ＤＣコンバータに過電流が流れることを防止しながら、掃気処理中にシステムを速やかに再起動することができる、産業車両に搭載される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に搭載される燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に電気的に接続される車両負荷と、燃料電池と車両負荷との間に電気的に接続される電圧変換装置と、電圧変換装置と車両負荷との間に電気的に接続される蓄電装置と、蓄電装置と車両負荷との間に設けられるコンタクタと、燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、空気供給装置およびコンタクタを制御する制御装置とを備え、制御装置は、燃料電池システムの掃気処理中に産業車両の起動スイッチがＯＮにされると、空気供給装置による燃料電池への空気の供給を中止させた後、燃料電池から出力される電気エネルギーの減少状態に基いて、コンタクタをＯＮ状態にする。

好適には、燃料電池から出力される電気エネルギーは、電圧変換装置の出力電流または出力電圧として計測され、制御装置は、出力電流または出力電圧が所定値以下になると、コンタクタをＯＮ状態にする。

さらに好適には、燃料電池から出力される電気エネルギーは、電圧変換装置の出力電流として計測され、制御装置は、出力電流がゼロになると、コンタクタをＯＮ状態にする。

この発明に係る産業車両に搭載される燃料電池システムによれば、燃料電池の劣化やＤＣ／ＤＣコンバータに過電流が流れることを防止しながら、掃気処理中にシステムを速やかに再起動することができる。

この発明の実施の形態に係る産業車両に搭載される燃料電池システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態に係る産業車両に搭載される燃料電池システムにおける、掃気処理中の再起動処理のフローチャートである。 この発明の実施の形態に係る産業車両に搭載される燃料電池システムにおける、掃気処理中の再起動処理のタイミングチャートである。 この発明のその他の実施の形態に係る産業車両に搭載される燃料電池システムにおける、掃気処理中の再起動処理のフローチャートである。 従来技術に係る一般的な燃料電池システムの構成を示す図である。

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．
この発明の実施の形態に係る産業車両１００に搭載される燃料電池システム１の構成を図１に示す。なお、産業車両１００の具体例としては、フォークリフト、牽引車等があげられる。

燃料電池システム１は、複数の発電セルをスタック状に積層して構成される燃料電池２と、燃料電池２に水素ガスを供給可能な水素タンク３と、燃料電池２に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２と水素タンク３との間には、燃料電池２に供給される水素ガス量を調整するための電磁弁５が設けられており、電磁弁５およびエアコンプレッサ４は、電子制御ユニット（燃料電池ＥＣＵ）６によって制御される。燃料電池ＥＣＵ６は、マイクロコンピュータ等によって構成されており、電磁弁５の開度とエアコンプレッサ４の吐出量を制御する。

燃料電池２は、アノード極とカソード極とを備えている。水素タンク３からアノード極に水素ガスが供給されると共にエアコンプレッサ４からカソード極に空気が供給されと、水素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２内で発電が行われる。

また、燃料電池ＥＣＵ６は、燃料電池システム１の掃気処理の制御も行う。詳細には、燃料電池システム１の発電停止時に電磁弁５を開状態にして燃料電池２のアノード極に掃気を行うための流量の水素ガスを供給しつつ、エアコンプレッサ４によって燃料電池２のカソード極に掃気を行うための流量の空気を供給し、燃料電池２内に残留している水を除去する。

燃料電池２の出力は、スイッチングジェネレータ等によって構成されるＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して出力端子８に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ７は燃料電池ＥＣＵ６によって制御される。燃料電池２によって発電された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７によって所定の電圧まで降圧された後、出力端子８から出力される。燃料電池システム１の出力端子８には、産業車両１００の車両負荷９が接続されている。

産業車両１００の車両負荷９は、産業車両１００の車軸を駆動するための走行モータや荷役装置を駆動するための荷役モータ等から構成されており、燃料電池システム１から供給される電力によって車両負荷９を構成する走行モータや荷役モータが駆動されることによって、産業車両１００の走行動作や荷役動作が行われる。

また、燃料電池システム１のＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力には、上記の車両負荷９と並列に蓄電装置としてのリチウムイオンキャパシタ１０が接続されている。燃料電池２の発電電力が車両負荷９の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ１０に充電される。一方、燃料電池２の発電電力が車両負荷９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１０から車両負荷９に供給される。なお、蓄電装置としては、上記のリチウムイオンキャパシタ１０に代えて、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池の二次電池等を用いることもできる。

また、燃料電池システム１の出力端子８と車両負荷９との間には、コンタクタ１１が設けられている。コンタクタ１１は産業車両１００の動作を制御する電子制御ユニット（車両ＥＣＵ）１２によってそのＯＮ／ＯＦＦ状態が制御される。

車両ＥＣＵ１２は、マイクロコンピュータ等によって構成されており、燃料電池ＥＣＵ６との間で制御信号をやり取りすることができる。また、車両ＥＣＵ１２は、ユーザによって操作される産業車両１００の起動スイッチ１３のＯＮ／ＯＦＦを検知することができる。

次に、この実施の形態に係る燃料電池システム１の掃気処理中に、ユーザによって産業車両１００の起動スイッチ１３がＯＮにされた場合に行われる再起動処理について説明する。

燃料電池システム１の掃気処理中には、コンタクタ１１はＯＦＦ状態である。そして、燃料電池２への掃気を行うための流量の水素ガスの供給と、エアコンプレッサ４による掃気を行うための流量の空気の供給が行われ、燃料電池２内では微弱ながら発電が行われている。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、その入力電圧が燃料電池２の劣化抑制電圧に維持されるようにスイッチング制御される。この際に燃料電池２から出力される微弱な直流電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を経由してキャパシタ１０に充電される。

上記の掃気処理が行われている最中に、ユーザによって産業車両１００の起動スイッチ１３がＯＮにされると、図２のフローチャートに示されるように、車両ＥＣＵ１２は、燃料電池ＥＣＵ６に対して再起動要求を送信する（Ｓ１０１）。

車両ＥＣＵ１２からの再起動要求を受信した燃料電池ＥＣＵ６は、エアコンプレッサ４を停止させて燃料電池２への空気の供給を中止する（Ｓ１０２）。燃料電池２への空気の供給が中止されたことにより、燃料電池２内での微弱な発電は徐々に収まっていき、燃料電池２から出力される電流も徐々に減少していく。なお、水素ガスの供給は引き続き行われる。

図３のタイミングチャートには、ＤＣ／ＤＣコンバータ７内に内蔵されている図示しない出力電圧センサと出力電流センサによって測定される電圧と電流が描かれている。この図に示されるように、掃気処理中の時刻Ｔ１に起動スイッチ１３がＯＮにされてエアコンプレッサ４による空気の供給が停止されると、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電圧と出力電流はともに減少していく。

図２のフローチャートに戻って、燃料電池ＥＣＵ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の図示しない出力電流センサによって測定されるその出力電流Ｉが所定値Ｉｔｈ（好ましくはゼロ）以下になったことを検知すると（Ｓ１０３＝ＹＥＳ）、車両ＥＣＵ１２に対してコンタクタ１１の接続要求を送信する（Ｓ１０４）。

燃料電池ＥＣＵ６からの接続要求を受信した車両ＥＣＵ１２は、コンタクタ１１をＯＮ状態にして燃料電池システム１の出力端子８と車両負荷９とを電気的に接続する（Ｓ１０５）。

この際、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流がほぼゼロの状態でコンタクタ１１をＯＮ状態にするため（図３の時刻Ｔ２）、その際に燃料電池２からＤＣ／ＤＣコンバータ７を経由して車両負荷９に流れる突入電流もほぼゼロになる。これにより、コンタクタ１１をＯＮ状態にした際にＤＣ／ＤＣコンバータ７に過電流が流れることが防止される。

また、コンタクタ１１をＯＮ状態にする際にも、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力をＯＦＦ状態にしないため、燃料電池２のＯＣＶが当該燃料電池２の劣化を引き起こすほどに上昇することもない。

コンタクタ１１を接続状態にした後に行われる処理は、通常の発電開始処理と同様である。すなわち、燃料電池ＥＣＵ６は、水素タンク３からの発電を行うための流量の水素ガスの供給とエアコンプレッサ４による空気の供給とを再開し、燃料電池２の発電を開始させる（Ｓ１０６）。

以上説明したように、この発明の実施の形態に係る産業車両１００に搭載される燃料電池システム１では、燃料電池システム１の掃気処理中に車両１００の起動スイッチ１３がＯＮにされると、エアコンプレッサ４による燃料電池２への空気の供給を停止させた後、燃料電池２から出力される電気エネルギー（この実施の形態ではＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流Ｉとして計測される）の減少状態に基いて、コンタクタ１１をＯＮ状態にする。これにより、燃料電池２の劣化やＤＣ／ＤＣコンバータ７に過電流が流れることを防止しながら、掃気処理中にシステムを速やかに再起動することができる。

その他の実施の形態．
上記の実施の形態では、燃料電池２から出力される電気エネルギーはＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流Ｉとして計測され、出力電流Ｉが所定値Ｉｔｈ以下になるとコンタクタ１１をＯＮ状態にしていた。この他にも、例えば図４のフローチャートに示されるように、燃料電池２から出力される電気エネルギーをＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電圧Ｖとして計測し、出力電圧Ｖが所定値Ｖｔｈ以下になるとコンタクタ１１をＯＮ状態にしてもよい。なお、所定値Ｖｔｈは、ＤＣ／ＤＣコンバータ７に過度の突入電流が流れないことを保証できる実験的に計測される電圧値である。あるいは、燃料電池２から出力される電気エネルギーの状態を当該燃料電池２のセル電圧として計測し、セル電圧値が所定値以下になるとコンタクタ１１をＯＮ状態にしてもよい。

１００ 産業車両、１ 燃料電池システム、２ 燃料電池、４ エアコンプレッサ（空気供給装置）、６ 燃料電池ＥＣＵ（制御装置）、７ ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）、９ 車両負荷、１０ リチウムイオンキャパシタ（蓄電装置）、１１ コンタクタ、１２ 車両ＥＣＵ（制御装置）、１３ 起動スイッチ。

Claims (3)

1. 産業車両に搭載される燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に電気的に接続される車両負荷と、
   前記燃料電池と前記車両負荷との間に電気的に接続される電圧変換装置と、
   前記電圧変換装置と前記車両負荷との間に電気的に接続される蓄電装置と、
   前記蓄電装置と前記車両負荷との間に設けられるコンタクタと、
   前記燃料電池に空気を供給する空気供給装置と、
   前記空気供給装置および前記コンタクタを制御する制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池システムの掃気処理中に前記産業車両の起動スイッチがＯＮにされると、前記空気供給装置による前記燃料電池への空気の供給を中止させた後、前記燃料電池から出力される電気エネルギーの減少状態に基いて、前記コンタクタをＯＮ状態にする、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から出力される前記電気エネルギーは、前記電圧変換装置の出力電流または出力電圧として計測され、
   前記制御装置は、前記出力電流または前記出力電圧が所定値以下になると、前記コンタクタをＯＮ状態にする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池から出力される前記電気エネルギーは、前記電圧変換装置の前記出力電流として計測され、
   前記制御装置は、前記出力電流がゼロになると、前記コンタクタをＯＮ状態にする、請求項２に記載の燃料電池システム。

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