JP6948270B2 - 産業車両用の燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、産業車両用の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(fuel cell stack)に水素と酸素が供給され、これら水素と酸素が燃料電池スタック内で化学反応を起こすことにより、電気エネルギーが生成される。また、近年では、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、燃料電池式の産業車両が実用化されている。

燃料電池システムを効率的に動作させるためには、燃料電池スタックの温度を適切な範囲に保つ必要がある。燃料電池スタックは発電時に発熱し、これによって燃料電池スタックの温度が一定以上に高くなると、燃料電池スタックの発電効率が低下するからである。そこで、燃料電池システムは、燃料電池スタックを冷却するための冷却機構を備えている。冷却機構には水冷式と空冷式がある。水冷式の冷却機構の一例として、燃料電池スタックを冷却する冷却水が流れる冷却水路と、冷却水路を流れる冷却水を冷却するラジエータと、ラジエータを冷却する冷却ファンと、を備えた機構が知られている。

通常、冷却ファンの回転数は、冷却水路を流れる冷却水の温度に基づいて制御される。また、冷却ファンの回転数が大きくなると、それに従って冷却ファンの作動音や振動（以下、「ノイズバイブレーション」という。）も大きくなる。また、エンジン式の産業車両の場合は、走行時や荷役時にエンジン回転数を上昇させるため、エンジン回転数上昇による（冷却ファンを含む）ノイズバイブレーションは大きくなる。一方、アイドリング時に冷却ファンが高速で回転することがないため、産業車両の搭乗者には冷却ファンの作動音等がほとんど気にならない。燃料電池式産業車両において、発電時には冷却ファン以外にコンプレッサもノイズバイブレーションを発生する。コンプレッサは、燃料電池の発電と同期しており、電力を必要とする走行時や荷役時に作動し、アイドリング時には作動を停止している。
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

特許文献１に記載の技術では、車両の走行時に得られる風（以下、「走行風」という。）をラジエータに当てることにより、放熱可能な熱量を大きくしている。しかしながら、産業車両は普通自動車に比べてはるかに低速で走行するため、産業車両では普通自動車のように走行風を利用できないという違いがある。また、産業車両は荷役装置を有し、普通自動車は荷役装置を有しないという違いもある。したがって、特許文献１に記載の発明とは異なる、産業車両に適した燃料電池システムの提供が求められている。

また、従来の燃料電池システムにおいては、図６に示すように、冷却ファンの回転数を制御している。図６は、燃料電池スタックの発電量Ｑと、冷却水の温度Ｔｐと、冷却ファンの回転数指令値Ｒｓの関係を、横軸に時間Ｔｉｍｅをとって表した図である。図６においては、燃料電池スタックの発電量Ｑを一点鎖線で示し、冷却ファンの回転指令値Ｒｓおよび冷却水の温度Ｔｐをそれぞれ実線で示している。冷却ファンの回転数指令値Ｒｓは、冷却ファンの回転数を制御する際に、冷却ファンの回転数を決定する指令値である。

図６に示す冷却ファンの回転数の制御においては、冷却水の温度Ｔｐが目標温度ｔ０を超えたタイミングで冷却ファンの回転を開始する。その後、冷却水の温度Ｔｐが上昇傾向から下降傾向に転じて目標温度ｔ０に戻るまでの間、冷却ファンの回転数指令値Ｒｓを徐々に増加させていく。そして、冷却水の温度Ｔｐが目標温度ｔ０に戻ったら、その後、冷却ファンの回転数指令値Ｒｓを徐々に減少させていく。

上述のように冷却ファンの回転数を制御すると、燃料電池スタックの発電量Ｑがゼロ、すなわち発電が停止しているときでも、冷却ファンが高速で回転することがある。具体的には、産業車両がアイドリングの状態で発電が停止しているときでも、冷却ファンが高速で回転することがある。
産業車両の搭乗者や産業車両の周辺にいる人間にとって、エンジン式の産業車両における走行時や荷役時のノイズバイブレーションがアイドリング時のそれに比べて大きくなることは、当たり前のことであり違和感を与えることはない。したがって、燃料電池式の産業車両においても走行時や荷役時にノイズバイブレーションが大きいことに違和感を与えることはなく、さらに、燃料電池スタックが発電しているときは、燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサも作動しているため、冷却ファンのノイズバイブレーションのみが気になることはない。
これに対し、燃料電池スタックが発電を停止しているときは、コンプレッサの作動が停止している。このため、燃料電池スタックが発電を停止しているときに冷却ファンが高速で回転すると、産業車両の搭乗者や産業車両の周辺にいる人間に違和感を与えることになり、その結果、冷却ファンのノイズバイブレーションが耳障りと感じられるおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、燃料電池スタックの冷却に用いられる冷却ファンのノイズバイブレーションが産業車両の搭乗者やその周辺の人間に与える違和感を低減することができる、産業車両用の燃料電池システムを提供することにある。

本発明に係る産業車両用の燃料電池システムは、産業車両に搭載される燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水が流れる冷却水路と、前記冷却水路を流れる前記冷却水を冷却するラジエータと、前記ラジエータを冷却する冷却ファンと、前記冷却ファンの回転数を制御するファン制御部と、を備え、前記ファン制御部は、前記燃料電池スタックの発電状態に基づいて、前記冷却ファンの回転数を制御するものである。

本発明に係る産業車両用の燃料電池システムは、前記冷却水の温度を検出する水温検出部をさらに備え、前記ファン制御部は、前記燃料電池スタックの発電状態に基づいて、前記冷却ファンの回転数を制御する第１の制御モードと、前記燃料電池スタックの発電状態および前記冷却水の温度に基づいて、前記冷却ファンの回転数を制御する第２の制御モードとを有し、前記冷却水の温度が所定指標温度を超えた場合に、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切り替えてもよい。

前記ファン制御部は、前記冷却水の温度が前記所定指標温度よりも高い高温側指標温度を超えた場合に、前記冷却ファンが最大回転数で回転するように前記冷却ファンの回転数を制御してもよい。

前記ファン制御部は、前記燃料電池スタックの発電状態が発電停止になった場合に、前記冷却ファンの回転を停止するように前記冷却ファンの回転数を制御してもよい。

前記ファン制御部は、前記燃料電池スタックが発電を開始する場合に、前記冷却水の温度が前記所定指標温度よりも低い低温側指標温度以下のときは、前記冷却ファンの回転を停止状態とし、前記冷却水の温度が前記低温側指標温度を超えたときに、前記燃料電池スタックの発電状態に基づく前記冷却ファンの回転数の制御を開始してもよい。

本発明に係る産業車両用の燃料電池システムは、前記冷却水の温度を検出する水温検出部と、外気温を検出する外気温検出部とをさらに備え、前記ファン制御部は、前記冷却水の温度と前記外気温との差分、および、前記燃料電池スタックの発電状態に基づいて、前記冷却ファンの回転数を制御してもよい。

本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に用いられる冷却ファンのノイズバイブレーションが産業車両の搭乗者やその周辺の人間に与える違和感を低減することができる。

本発明の実施形態に係る産業車両用の燃料電池システムを含む、産業車両の構成例を模式的に示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る産業車両用の燃料電池システムにおける燃料電池スタックの発電状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る産業車両用の燃料電池システムにおける冷却ファンの回転数の制御例を説明する図である。 本発明の実施形態に係る産業車両用の燃料電池システムにおける冷却ファンの回転数の制御モードを説明する図である。 本発明の実施形態に係る産業車両用の燃料電池システムにおける冷却ファンの回転数の他の制御例を説明する図である。 従来の産業車両用の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図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

＜燃料電池システムの構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る産業車両用の燃料電池システムを含む、産業車両の構成例を模式的に示すブロック図である。本発明に係る燃料電池システムは、産業車両に搭載される燃料電池システムである。なお、本発明の実施形態においては、燃料電池システムが搭載される産業車両として、フォークリフトを例に挙げて説明する。フォークリフトは、荷役装置を有する産業車両に相当する。ただし、本発明に係る燃料電池システムはフォークリフトに限らず、荷役装置を有する他の産業車両に搭載されるものであってもよい。

図１において、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック（以下、「ＦＣスタック」ともいう。）１と、水素タンク２と、コンプレッサ３と、を備えている。ＦＣスタック１は、図示しない複数の発電セルを積層した構成になっている。各々の発電セルは、たとえば、固体高分子電解質をアノード極とカソード極とによって挟み込んで形成される。水素タンク２は、ＦＣスタック１に対して、発電のための燃料ガスとなる水素を供給する。コンプレッサ３は、ＦＣスタック１に対して、酸化剤ガスとなる酸素を含む空気を供給する。ＦＣスタック１と水素タンク２の間には、流量制御弁４が設けられている。流量制御弁４は、水素タンク２からＦＣスタック１に供給される水素の量を調整するものである。

ＦＣスタック１は、水素タンク２から流量制御弁４を通してＦＣスタック１に供給される水素と、コンプレッサ３からＦＣスタック１に供給される空気中の酸素との化学反応により、電気エネルギーを生成する。すなわち、ＦＣスタック１は、水素と酸素の化学反応により発電する。

ＦＣスタック１には、ＦＣスタック１を冷却するための冷却機構が接続されている。冷却機構は、冷却水路６と、水温センサ７と、ラジエータ８と、ウォータポンプ９と、冷却ファン１０と、を備えた構成になっている。冷却水路６は、ＦＣスタック１を冷却する冷却水が流れる水路である。冷却水路６の一部は、ＦＣスタック１と熱的に結合して配置されている。これにより、冷却対象となるＦＣスタック１と、冷却水路６を流れる冷却水との間で熱交換が行われ、この熱交換によってＦＣスタック１が冷却される構成になっている。

水温センサ７は、冷却水路６を流れる冷却水の温度を検出するものである。すなわち、水温センサ７は、水温検出部に相当する。水温センサ７は、ＦＣスタック１からラジエータ８に至る冷却水路６の途中に設けられている。水温センサ７が検出する冷却水の温度は、ＦＣ制御装置５に入力される。ラジエータ８は、冷却水路６に流れる冷却水を冷却するものである。ウォータポンプ９は、冷却水路６を流れる冷却水を循環させるポンプである。ウォータポンプ９は、ラジエータ８からＦＣスタック１に至る冷却水路６の途中に設けられている。ウォータポンプ９は、ＦＣスタック１の発電量に基づいて回転数が設定されており、ラジエータファンが回転している時には最大回転数で回転し冷却水を送る。

冷却ファン１０は、ラジエータ８を冷却するものである。冷却ファン１０は、冷却ファン１０自身の回転によって空気流を発生させる。冷却ファン１０が発生する空気流は、ラジエータ８に吹き付けられ、これによってラジエータ８が冷却される。冷却ファン１０が発生する空気流の強さは、冷却ファン１０の回転数が大きくなるほど強くなる。冷却ファン１０の回転数は、冷却ファン１０の回転速度に比例する。したがって、冷却ファン１０の回転によるラジエータ８の冷却効果は、冷却ファン１０の回転数を上げるほど大きくなる。

ＦＣスタック１の出力には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１と蓄電装置１２が電気的に接続されている。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ものである。蓄電装置１２は、蓄電装置１２から車両負荷２０に供給される直流電力を安定化させる役目を果たす。蓄電装置１２は、ＦＣスタック１が生成する電気エネルギーを充電によって蓄える充電機能と、充電によって蓄えた電気エネルギーを放出する放電機能とを有する。蓄電装置１２は、たとえば、キャパシタまたは二次電池などによって構成される。

蓄電装置１２には電圧センサ１３が電気的に接続されている。電圧センサ１３は、蓄電装置１２の電圧を検出するセンサである。電圧センサ１３が検出する蓄電装置１２の電圧値は、ＦＣ制御装置５に入力される。ＦＣスタック１とＤＣ／ＤＣコンバータ１１の間には、発電量センサ１４が電気的に接続されている。発電量センサ１４は、ＦＣスタック１が発電する発電量を検出するセンサである。発電量センサ１４が検出するＦＣスタック１の発電量は、ＦＣ制御装置５に入力される。

ＦＣ制御装置５は、燃料電池システム１００全体の処理および動作を制御するものである。ＦＣ制御装置５は、たとえば、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には、制御対象として、コンプレッサ３と、流量制御弁４と、冷却ファン１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１が、それぞれ電気的に接続されている。また、ＦＣ制御装置５には、水温センサ７と、電圧センサ１３と、発電量センサ１４と、外気温センサ１５が、それぞれ電気的に接続されている。これらのセンサは、ＦＣ制御装置５が制御対象を制御する際に参照する参照情報を入力するセンサである。ＦＣ制御装置５に入力される参照情報には、水温センサ７が検出する冷却水の温度、電圧センサ１３が検出する蓄電装置１２の電圧値、発電量センサ１４が検出するＦＣスタック１の発電量、外気温センサ１５が検出する外気温の各情報が含まれる。外気温センサ１５は、燃料電池システム１００を搭載したフォークリフトなどの産業車両において、ＦＣスタック１が発生する熱や車両負荷２０が発生する熱の影響をなるべく受けない位置に配置される。

ＦＣ制御装置５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１に電流指令値を出力することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１がＦＣスタック１から取り出す出力電流を制御する。また、ＦＣ制御装置５は、冷却ファン１０に回転数指令値を出力することにより、冷却ファン１０の回転数を制御する。すなわち、ＦＣ制御装置５は、ファン制御部としての機能を果たす。ファン制御部は、ＦＣスタック１の発電状態に基づいて、冷却ファン１０の回転数を制御するものである。ＦＣ制御装置５がファン制御部として機能する場合の具体的な制御の仕方については後述する。

ＦＣ制御装置５は、コンプレッサ３に給気指令値を出力することにより、コンプレッサ３による空気の供給量を制御する。また、ＦＣ制御装置５は、流量制御弁４の開度を調整することにより、ＦＣスタック１に供給される水素の量を制御する。ＦＣスタック１に供給される水素の量と酸素の量が多くなると、それに応じてＦＣスタック１の発電量が多くなる。このため、ＦＣ制御装置５は、コンプレッサ３による空気の供給量と、流量制御弁４による水素の供給量とを制御することにより、ＦＣスタック１の発電状態を制御することができる。ＦＣスタック１の発電状態は、ＦＣスタック１の発電量によって表すことができる。

ＦＣスタック１の発電状態には、ＦＣスタック１の発電量の違いに応じて複数の状態がある。本実施形態においては、一例として、ＦＣスタック１の発電状態が４つあるものとする。４つの発電状態は、発電停止、低発電、中発電、高発電に分かれる。発電停止は、ＦＣスタック１の発電量がゼロ、すなわちＦＣスタック１が発電を停止している状態である。高発電は、ＦＣスタック１の発電量が最大、すなわち最高発電の状態である。低発電は、ＦＣスタック１の発電量がゼロよりも多く、かつ、中発電時の発電量よりも少ない状態である。中発電は、ＦＣスタック１の発電量が低発電時の発電量よりも多く、かつ、高発電時の発電量よりも少ない状態である。

ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電状態が、発電停止、低発電、中発電、高発電のうちいずれか１つの状態となるように制御する。具体的には、ＦＣ制御装置５は、図２に示すように、電圧センサ１３が検出する蓄電装置１２の電圧Ｖに基づいて、ＦＣスタック１の発電状態を制御する。以下、ＦＣ制御装置５によるＦＣスタック１の発電状態の制御方法を、発電量を増やす場合と、発電量を減らす場合に分けて説明する。なお、ＦＣスタック１の発電量を増やす場合は、ＦＣ制御装置５がコンプレッサ３と流量制御弁４を制御することにより、ＦＣスタック１に供給される水素の量と酸素の量を増やすことになる。また、ＦＣスタック１の発電量を減らす場合は、ＦＣ制御装置５がコンプレッサ３と流量制御弁４を制御することにより、ＦＣスタック１に供給される水素の量と酸素の量を減らすことになる。また、ＦＣスタック１の発電を停止する場合は、ＦＣ制御装置５がコンプレッサ３と流量制御弁４を制御することにより、ＦＣスタック１に対して水素の供給と酸素の供給を共に停止することになる。なお、燃料電池スタックの発電状態は、具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１によって引かれる電流量に基づいて制御される。

（発電量を増やす場合）
ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電状態が発電停止のときに、蓄電装置１２の電圧Ｖが、予め決められた閾値電圧Ｖｔｈ０１を下回ると、ＦＣスタック１の発電状態を発電停止から低発電に切り換える。また、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電状態が低発電のときに、蓄電装置１２の電圧Ｖが、予め決められた閾値電圧Ｖｔｈ１２を下回ると、ＦＣスタック１の発電状態を低発電から中発電に切り換える。また、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電状態が中発電のときに、蓄電装置１２の電圧Ｖが、予め決められた閾値電圧Ｖｔｈ２３を下回ると、ＦＣスタック１の発電状態を中発電から高発電に切り換える。

（発電量を減らす場合）
ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電状態が高発電のときに、蓄電装置１２の電圧Ｖが、予め決められた閾値電圧Ｖｔｈ３２を上回ると、ＦＣスタック１の発電状態を高発電から中発電に切り換える。また、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電状態が中発電のときに、蓄電装置１２の電圧Ｖが、予め決められた閾値電圧Ｖｔｈ２１を上回ると、ＦＣスタック１の発電状態を中発電から低発電に切り換える。また、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電状態が低発電のときに、蓄電装置１２の電圧Ｖが、予め決められた閾値電圧Ｖｔｈ１０を上回ると、ＦＣスタック１の発電状態を低発電から発電停止に切り換える。

図１の説明に戻って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力側には、蓄電装置１２を介して車両負荷２０が電気的に接続されている。本実施形態においては、車両負荷２０の一例として、走行モータ２１および荷役モータ２２を挙げる。走行モータ２１は、フォークリフトの車軸を駆動するためのモータである。荷役モータ２２は、フォークリフトの荷役装置を駆動するためのモータである。フォークリフトの走行は、燃料電池システム１００から車両負荷２０に供給される直流電力によって走行モータ２１が車軸を駆動することにより行われる。フォークリフトの荷役は、燃料電池システム１００から車両負荷２０に供給される直流電力によって荷役モータ２２が荷役装置を駆動することにより行われる。

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に電気的に接続されている。車両制御装置３３は、たとえば、マイクロコンピュータ等によって構成される。車両制御装置３３は、制御対象となる走行モータ２１および荷役モータ２２をそれぞれ個別に制御するものである。

車両制御装置３３には、アクセルペダル３４、リフトレバー３５およびチルトレバー３６がそれぞれ電気的に接続されている。アクセルペダル３４、リフトレバー３５およびチルトレバー３６は、それぞれ、フォークリフトの搭乗者によって操作されるものである。具体的には、アクセルペダル３４は、フォークリフトを走行させる際に搭乗者によって操作される。リフトレバー３５およびチルトレバー３６は、フォークリフトの荷役装置を動作させる際に搭乗者によって操作される。車両制御装置３３とＦＣ制御装置５とは、たとえばＣＡＮ(Controller Area Network)により、互いに通信可能に構成されている。

＜燃料電池システムの処理および動作＞
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の処理および動作として、ＦＣ制御装置５が冷却ファン１０の回転数を制御する際の制御方法について図３を参照しつつ説明する。図３は、燃料電池スタックの発電量Ｑと、冷却水の温度Ｔｐと、冷却ファンの回転数指令値Ｒｓの関係を、横軸に時間Ｔｉｍｅをとって表した図である。図３においては、燃料電池スタックの発電量Ｑを一点鎖線で示し、冷却ファンの回転指令値Ｒｓおよび冷却水の温度Ｔｐをそれぞれ実線で示している。

冷却水路６を流れる冷却水の温度に関しては、３つの異なる指標温度ｔ１，ｔ２，ｔ３がある。指標温度ｔ２は、指標温度ｔ１よりも高く、かつ、指標温度ｔ３よりも低い温度である。指標温度ｔ１は、たとえば、ＦＣスタック１を効率良く発電させるために目標とすべき冷却水の温度である。指標温度ｔ２は、たとえば、上述した目標とすべき冷却水の温度よりも数℃程度高い温度に設定される。指標温度ｔ３は、たとえば、ＦＣスタック１がオーバーヒートを起こす可能性がある温度よりも数℃程度低い温度に設定される。指標温度ｔ２は所定指標温度に相当する。また、指標温度ｔ１は低温側指標温度に相当し、指標温度ｔ３は高温側指標温度に相当する。これらの指標温度ｔ１，ｔ２，ｔ３は、燃料電池スタックの仕様（最大発電量）によって異なるため、予め実験等により最適な値が決定し、ＦＣ制御装置５を構成するマイクロコンピュータ等のメモリに記憶することにより、ＦＣ制御装置５に設定されている。

ＦＣ制御装置５が冷却ファン１０の回転数を制御する際に適用可能な制御モード（以下、「ファン回転制御モード」ともいう。）には、図４に示すように、複数の制御モードＭ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３がある。第１の制御モードＭ１は、ＦＣスタック１の発電状態に基づいて、冷却ファン１０の回転数を制御する制御モードである。第２の制御モードＭ２は、ＦＣスタック１の発電状態および冷却水の温度に基づいて、冷却ファン１０の回転数を制御する制御モードである。これ以外にも、冷却ファン１０が最大回転数で回転するように冷却ファン１０の回転数を制御する制御モード（以下、「最大回転数制御モード」という。）Ｍ３と、冷却ファン１０の回転を停止するように冷却ファン１０の回転数を制御する制御モード（以下、「回転数ゼロ制御モード」という。）Ｍ０がある。

ＦＣ制御装置５は、コンプレッサ３および流量制御弁４をそれぞれ制御してＦＣスタック１に水素と空気を供給し、ＦＣスタック１は、水素と酸素の供給を受けて発電を開始する。ＦＣスタック１が発電すると、発電によって発生する熱が、冷却水路６を流れる冷却水に伝わる。このため、ＦＣスタック１が発電すると冷却水の温度が上昇する。冷却水は、ラジエータ８と冷却ファン１０を用いて冷却される。その際、ＦＣ制御装置５は、冷却ファン１０に回転数指令値を出力することにより、冷却ファン１０の回転数を制御する。また、ＦＣ制御装置５は、冷却ファン１０の回転数を制御するにあたって、水温センサ７が検出する冷却水の水温（以下、「検出水温」ともいう。）Ｔｐを監視する。

ＦＣ制御装置５は、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ１に達するまでは、ファン回転制御モードを回転数ゼロ制御モードＭ０に設定して冷却ファン１０の回転数を制御する。これにより、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ１以下のときは、冷却ファン１０の回転が停止状態に維持される。

その後、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ１を超えると、ＦＣ制御装置５は、ファン回転制御モードを回転数ゼロ制御モードＭ０から第１の制御モードＭ１に切り替える。これにより、冷却ファン１０の回転数は、ＦＣスタック１の発電状態に基づいて制御される。換言すると、ＦＣ制御装置５は、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ１を超えたときに、ＦＣスタック１の発電状態に基づく冷却ファン１０の回転数の制御を開始する。その後、ＦＣ制御装置５は、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ１超、指標温度ｔ２以下の範囲にある間は、第１の制御モードＭ１を継続して適用する。

ＦＣ制御装置５は、第１の制御モードＭ１に対応する第１の制御用マップを有する。第１の制御用マップは、第１の制御モードＭ１を適用して冷却ファン１０の回転数を制御する際にＦＣ制御装置５が参照する制御用マップである。第１の制御用マップは、ＦＣスタック１の発電状態と、冷却ファン１０の回転数指令値との関係を対応付けたマップであって、ＦＣ制御装置５を構成するマイクロコンピュータ等のメモリにあらかじめ記憶される。ＦＣ制御装置５は、以下の（１）〜（４）のうち少なくともいずれか１つに基づいて、ＦＣスタック１の発電状態を認識することができる。
（１）発電量センサ１４が検出するＦＣスタック１の発電量
（２）電圧センサ１３が検出する蓄電装置１２の電圧
（３）電圧センサ１３の検出結果を基にＦＣ制御装置５が決定するＦＣスタック１の発電量
（４）ＦＣ制御装置５がＤＣ／ＤＣコンバータ１１に出力する電流指令値

冷却ファン１０の回転数指令値は、ＦＣ制御装置５が冷却ファン１０の回転数を制御する際に、冷却ファン１０の回転数を決定する指令値である。冷却ファン１０の回転数指令値は、ＦＣ制御装置５から冷却ファン１０に出力され、冷却ファン１０は、ＦＣ制御装置５から出力される回転数指令値に従って回転する。また、冷却ファン１０の回転数は、回転数指令値の数値が大きいほど、大きくなる。

ＦＣ制御装置５は、第１の制御用マップを参照することにより、現在のＦＣスタック１の発電状態に対応する冷却ファン１０の回転数指令値を得る。そして、ＦＣ制御装置５は、第１の制御モードＭ１を適用して冷却ファン１０の回転数を制御する際に、第１の制御用マップを参照して得られる回転数指令値に従って冷却ファン１０の回転数を制御する。

第１の制御用マップによって冷却ファン１０の回転数指令値に対応付けられるＦＣスタック１の発電状態は、発電停止を除く、低発電、中発電、高発電のいずれか１つである。また、第１の制御用マップにおいて、低発電と対応付けられる冷却ファン１０の回転数指令値は、中発電と対応付けられる冷却ファン１０の回転数指令値よりも小さくなる。また、第１の制御用マップにおいて、中発電と対応付けられる冷却ファン１０の回転数指令値は、高発電と対応付けされる冷却ファン１０の回転数指令値よりも小さくなる。したがって、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電量が多いほど冷却ファン１０が高速で回転するように、冷却ファン１０の回転数を制御することになる。

その後、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ２を超えると、ＦＣ制御装置５は、ファン回転制御モードを第１の制御モードＭ１から第２の制御モードＭ２に切り替える。これにより、冷却ファン１０の回転数は、ＦＣスタック１の発電状態および冷却水の温度に基づいて制御される。その後、ＦＣ制御装置５は、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ２超、指標温度ｔ３以下の範囲にある間は、第２の制御モードＭ２を継続して適用する。

ここで、第１の制御モードＭ１および第２の制御モードＭ２は、ＦＣスタック１の発電状態を冷却ファン１０の回転数制御に反映させるという点で共通する。ただし、第２の制御モードＭ２は、ＦＣスタック１の発電状態だけでなく、冷却水の温度についても冷却ファン１０の回転数制御に反映させる点が、第１の制御モードＭ１と異なる。

また、ＦＣ制御装置５は、第１の制御モードＭ１および第２の制御モードＭ２のいずれか一方を適用する場合に、冷却水の温度と外気温との差分を、冷却ファン１０の回転数制御に反映させる。具体的には、ＦＣ制御装置５は、冷却水の温度と外気温との差分が大きい場合は、該差分が小さい場合よりも冷却ファン１０の回転数が小さくなるように制御する。このように、ＦＣ制御装置５は、冷却水の温度と外気温との差分、および、ＦＣスタック１の発電状態に基づいて、冷却ファン１０の回転数を制御する。これにより、ＦＣスタック１を発電させた場合に、冷却水の温度と外気温との差分が大きくなる時期は、冷却ファン１０の回転数が小さく抑えられるため、ノイズバイブレーションを効果的に抑制することができる。なお、冷却水の温度と外気温との差分が大きくなる時期とは、典型的には冬期である。

また、ＦＣ制御装置５は、第２の制御モードＭ２に対応する第２の制御用マップを有する。第２の制御用マップは、第２の制御モードＭ２を適用して冷却ファン１０の回転数を制御する際にＦＣ制御装置５が参照する制御用マップである。第２の制御用マップは、ＦＣスタック１の発電状態および冷却水の温度と、冷却ファン１０の回転数指令値との関係を対応付けたマップであって、ＦＣ制御装置５を構成するマイクロコンピュータ等のメモリにあらかじ記憶される。第２の制御用マップを使用する場合は、第１の制御用マップを使用する場合に比べて、冷却ファン１０の回転数指令値が大きくなる。ＦＣ制御装置５は、第２の制御用マップを参照することにより、現在のＦＣスタック１の発電状態と現在の冷却水の温度とに対応付けられた冷却ファン１０の回転数指令値を得る。そして、ＦＣ制御装置５は、第２の制御モードＭ２で冷却ファン１０の回転数を制御する際に、第２の制御用マップを参照して得られる回転数指令値に従って冷却ファン１０の回転数を制御する。

第２の制御用マップによって冷却ファン１０の回転数指令値に対応付けられるＦＣスタック１の発電状態および冷却水の温度のうち、ＦＣスタック１の発電状態は、発電停止を除く、低発電、中発電、高発電のいずれか１つである。また、冷却水の温度は、水温センサ７が検出する冷却水の温度である。ここで、ＦＣスタック１の発電状態が同じである場合は、第２の制御用マップに対応付けられる冷却ファン１０の回転数指令値は、冷却水の温度の高低によって変化する。具体的には、冷却水の温度が高いほど、第２の制御用マップを参照して得られる冷却ファン１０の回転数指令値が大きくなる。したがって、ＦＣ制御装置５は、冷却水の温度が高いほど、冷却ファン１０が高速で回転するように、冷却ファン１０の回転数を制御する。

また、ＦＣ制御装置５は、ＦＣスタック１の発電量が多いほど、冷却ファン１０の回転数を制御する。ＦＣ制御装置５が参照する第２の制御用マップにおいては、たとえば、ＦＣスタック１の発電状態を基に得られる冷却ファン１０の回転数指令値に対し、冷却水の温度を基に得られる冷却ファン１０の回転数指令値を加算するかたちで、実際に冷却ファン１０の回転数制御に適用すべき回転数指令値が規定される。このため、第２の制御モードＭ２を適用する場合は、第１の制御モードＭ１を適用する場合に比べて、冷却ファン１０が高速で回転することになる。

その後、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ２以下になると、ＦＣ制御装置５は、ファン回転制御モードを第２の制御モードＭ２から第１の制御モードＭ１に切り替える。これにより、冷却ファン１０の回転数は、ＦＣスタック１の発電状態に基づいて制御される。

その後、ＦＣスタック１の発電状態が発電停止になると、ＦＣ制御装置５は、ファン回転制御モードを第１の制御モードＭ１から回転数ゼロ制御モードＭ０に切り替える。これにより、冷却ファン１０の回転が停止状態に移行する。

なお、図３においては、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ３を超える前に、検出水温Ｔｐが上昇傾向から下降傾向に転じている。この場合、ＦＣ制御装置５は、最大回転数制御モードＭ３を適用することはない。これに対し、たとえば図５に示すように、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ３を超えた場合は、ＦＣ制御装置５は、ファン回転制御モードを第２の制御モードＭ２から最大回転数制御モードＭ３に切り替える。これにより、冷却ファン１０が最大回転数で回転するように、冷却ファン１０の回転数が制御される。

その後、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ３以下になると、ＦＣ制御装置５は、ファン回転制御モードを最大回転数制御モードＭ３から第２の制御モードＭ２に切り替える。これにより、冷却ファン１０の回転数は、ＦＣスタック１の発電状態および冷却水の温度に基づいて制御される。なお、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ２超、指標温度ｔ３以下の範囲にある場合と、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ１超、指標温度ｔ２以下の範囲にある場合と、検出水温Ｔｐが指標温度ｔ１以下の場合の各々については、先に述べたとおりである。

＜実施形態の効果＞
本発明の実施形態においては、ＦＣ制御装置５が、ＦＣスタック１の発電状態に基づいて、冷却ファン１０の回転数を制御する構成を採用している。このため、ＦＣスタック１の補機となり、ＦＣスタックの発電状態に基づいて動作するコンプレッサ３の動作に冷却ファン１０の回転を同調させることができる。これにより、ＦＣスタック１の冷却に用いられる冷却ファン１０のノイズバイブレーションがフォークリフトの搭乗者やその周辺の人間に与える違和感を低減することができる。特に、アイドリング状態において冷却ファンのみがノイズバイブレーションを発生させることによって与える違和感を防止できる。

また、従来の方法（図６）では、冷却水の温度Ｔｐが目標温度ｔ０を超えている間は、冷却ファンの回転数指令値Ｒｓを徐々に増加させ、その後、冷却水の温度Ｔｐが目標温度ｔ０に戻ると、それ以降は冷却ファンの回転数指令値Ｒｓを徐々に減少させている。このため、冷却水の温度Ｔｐの変化に対して、冷却ファンの回転数の変化が大きく遅れて追従してしまう。その結果、冷却ファンの回転数指令値Ｔｐが安定せずにハンチングを起こしやすくなる。一方、本実施形態においては、冷却ファン１０の回転数がＦＣスタック１の発電状態に基づいて制御されるため、ＦＣスタック１の発電にともなう冷却水の温度変化に対し、冷却ファン１０の回転数の変化が遅れずに追従する。その結果、冷却ファンの回転数指令値Ｒｓが安定してハンチングを起こしにくくなる。

また、本発明の実施形態においては、水温センサ７が検出する冷却水の温度Ｔｐが指標温度ｔ２を超えた場合に、ＦＣ制御装置５が、第１の制御モードＭ１から第２の制御モードＭ２に切り換える構成を採用している。これにより、冷却水の温度Ｔｐが指標温度ｔ２を超えた場合は、ＦＣスタック１の発電状態だけでなく、冷却水の温度Ｔｐも反映させて、冷却ファン１０の回転数を制御することができる。したがって、第１の制御モードＭ１から第２の制御モードＭ２に切り換えずに冷却ファン１０の回転数を制御する場合に比べて、冷却水の温度Ｔｐが指標温度ｔ３を超えにくくなる。よって、ＦＣスタック１がオーバーヒートしないように冷却ファン１０の回転数を制御することができる。

また、本発明の実施形態においては、水温センサ７が検出する冷却水の温度Ｔｐが指標温度ｔ３を超えた場合に、ＦＣ制御装置５は、冷却ファン１０が最大回転数で回転するように冷却ファン１０の回転数を制御する構成を採用している。これにより、仮に、冷却水の温度Ｔｐが指標温度ｔ３を超えた場合でも、冷却ファン１０が最大回転数で回転することにより、冷却水の温度上昇を抑え、かつ、冷却水の温度Ｔｐを指標温度ｔ３以下に戻すことができる。したがって、ＦＣスタック１のオーバーヒートをより確実に回避することができる。

また、本発明の実施形態においては、ＦＣスタック１の発電状態が発電停止となった場合に、ＦＣ制御装置５は、冷却ファン１０の回転を停止するように冷却ファン１０の回転数を制御する構成を採用している。これにより、コンプレッサ３の作動が停止するのと同期して、冷却ファン１０の回転が停止するようになる。このため、冷却ファン１０のノイズバイブレーションが、産業車両の搭乗者やその周辺の人間に違和感を与えるおそれがなくなる。

また、本発明の実施形態においては、ＦＣスタック１が発電を開始する場合に、ＦＣ制御装置５は、水温センサ７が検出する冷却水の温度Ｔｐが指標温度ｔ１以下のときは、冷却ファン１０の回転を停止状態に維持する。また、ＦＣ制御装置５は、冷却水の温度Ｔｐが指標温度ｔ１を超えたときに、ＦＣスタック１の発電状態に基づく冷却ファン１０の回転数の制御を開始する。これにより、コンプレッサ３が作動する前、あるいは、コンプレッサ３の作動音等が小さいときに、冷却ファン１０のノイズバイブレーションが、産業車両の搭乗者やその周辺の人間に違和感を与えるおそれがなくなる。

＜変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、上記実施形態においては、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の４つに分けて制御する例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、ＦＣスタック１の発電状態を２つ、３つ、あるいは５つ以上に分けて制御する構成を採用してもよい。

また、上記実施形態においては、ＦＣ制御装置５が第１の制御モードＭ１または第２の制御モードＭ２を適用する場合に、それぞれに対応する制御用マップを用いて冷却ファン１０の回転数指令値を得るようにしたが、本発明はこれに限らない。たとえば、ＦＣ制御装置５は、演算によって冷却ファン１０の回転数指令値を求めてもよいし、他の方法で回転数指令値を取得してもよい。

１ ＦＣスタック（燃料電池スタック）、５ ＦＣ制御装置（ファン制御部）、６ 冷却水路、７ 水温センサ（水温検出部）、８ ラジエータ、１０ 冷却ファン、１５ 外気温センサ（外気温検出部）、Ｍ０ 回転数ゼロ制御モード、Ｍ１ 第１の制御モード、Ｍ２ 第２の制御モード、Ｍ３ 最大回転数制御モード、ｔ１ 指標温度（低温側指標温度）、ｔ２ 指標温度（所定指標温度）、ｔ３ 指標温度（高温側指標温度）、Ｔｐ 冷却水の温度、Ｑ 燃料電池スタックの発電量、Ｒｓ 冷却ファンの回転指令値。

Claims (7)

1. 産業車両に搭載される燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを冷却する冷却水が流れる冷却水路と、
   前記冷却水の温度を検出する水温検出部と、
   前記冷却水路を流れる前記冷却水を冷却するラジエータと、
   前記ラジエータを冷却する冷却ファンと、
   前記冷却ファンの回転数を制御するファン制御部と、
   を備え、
   前記ファン制御部は、
   前記燃料電池スタックの発電状態に基づいて、前記燃料電池スタックの発電量が多いほど前記冷却ファンの回転数を高くするように制御する第１の制御モードと、
   前記燃料電池スタックの発電状態および前記冷却水の温度に基づいて、前記燃料電池スタックの発電量が多いほど前記冷却ファンの回転数を高くするように制御し、前記冷却水の温度が高いほど、前記冷却ファンの回転数を高くするように制御する第２の制御モードとを有し、
   前記冷却水の温度が所定指標温度を超えた場合に、前記第１の制御モードから前記第２の制御モードに切り替える
   産業車両用の燃料電池システム。
2. 前記ファン制御部は、前記水温検出部が検出する前記冷却水の温度が前記所定指標温度よりも高い高温側指標温度を超えた場合に、前記冷却ファンが最大回転数で回転するように前記冷却ファンの回転数を制御する
   請求項１に記載の産業車両用の燃料電池システム。
3. 前記ファン制御部は、前記燃料電池スタックの発電状態が発電停止になった場合に、前記冷却ファンの回転を停止するように前記冷却ファンの回転数を制御する
   請求項１〜２のいずれか１項に記載の産業車両用の燃料電池システム。
4. 前記ファン制御部は、前記燃料電池スタックが発電を開始する場合に、前記冷却水の温度が前記所定指標温度よりも低い低温側指標温度以下のときは、前記冷却ファンの回転を停止状態とし、前記冷却水の温度が前記低温側指標温度を超えたときに、前記燃料電池スタックの発電状態に基づく前記冷却ファンの回転数の制御を開始する
   請求項１に記載の産業車両用の燃料電池システム。
5. 産業車両に搭載される燃料電池システムであって、
   発電停止を含む複数の発電状態に制御される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを冷却する冷却水が流れる冷却水路と、
   前記冷却水路を流れる前記冷却水を冷却するラジエータと、
   前記ラジエータを冷却する冷却ファンと、
   前記冷却ファンの回転数を制御するファン制御部と、
   を備え、
   前記ファン制御部は、
   前記燃料電池スタックの発電状態に基づいて、前記燃料電池スタックの発電量が多いほど前記冷却ファンの回転数を高くするように制御し、
   前記燃料電池スタックの発電状態が発電停止となった場合に、冷却ファンのファン回転制御モードを回転数ゼロ制御モードに設定して、前記冷却ファンの回転を停止するように前記冷却ファンの回転数を制御する
   産業車両用の燃料電池システム。
6. 前記冷却水の温度を検出する水温検出部をさらに備え、
   前記ファン制御部は、前記水温検出部が検出する前記冷却水の温度が所定指標温度よりも高い高温側指標温度を超えた場合に、前記冷却ファンが最大回転数で回転するように前記冷却ファンの回転数を制御する
   請求項５に記載の産業車両用の燃料電池システム。
7. 前記冷却水の温度を検出する水温検出部と、
   外気温を検出する外気温検出部とをさらに備え、
   前記ファン制御部は、
   前記冷却水の温度と前記外気温との差分、および、前記燃料電池スタックの発電状態に基づいて、前記冷却ファンの回転数を制御するものであって、
   前記燃料電池スタックの発電量が多いほど前記冷却ファンの回転数を高くするように制御し、
   前記冷却水の温度と前記外気温との差分が大きい場合は、該差分が小さい場合よりも前記冷却ファンの回転数を低くするように制御する
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の産業車両用の燃料電池システム。

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