JP7517274B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
低負荷発電モードにおいて、低圧で燃料ガスを供給する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
これに対して、本発明者は、燃料電池が搭載された車両内で会議等（会議に限らず、塾、受験勉強、移動教室）を行う場合を考慮して、当該車両内で静穏性を確保することを検討した。
特開２０１６－０３１８７８号公報
しかしながら、特許文献１においては、燃料電池が搭載された車両内で会議等を行う場合を考慮して、当該車両内で静穏性を確保することについては一切検討されていない。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、燃料電池が搭載された車両内で会議等（会議に限らず、塾、受験勉強、移動教室）を行う場合を考慮して、当該車両内で静穏性を確保することができる燃料電池システムを提供するものである。
本発明にかかる燃料電池システムは、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、
前記燃料電池を制御するモードとして、通常モード又は前記通常モードより静穏性を優先した会議モードを含む燃料電池制御部と、
前記会議モードへの切り替え要求の有無を判定する判定部と、
前記会議モードへの切り替え要求有りと判定された場合、前記燃料電池を制御するモードを、前記会議モードに切り替えるモード切替部と、を備える。
このような構成により、燃料電池が搭載された車両内で会議等（会議に限らず、塾、受験勉強、移動教室）を行う場合を考慮して、当該車両内で静穏性を確保することができる。
これは、会議モードへの切り替え要求有りと判定された場合、燃料電池を制御するモードを、会議モードに切り替えるモード切替部を備えていることによるものである。
ここで、前記会議モードに切り替えられた場合、前記燃料電池制御部は、前記通常モードの場合と比べ、前記燃料電池に酸化ガスを供給するコンプレッサの回転数及び前記燃料電池に燃料ガスを供給するインジェクタの駆動回数の少なくとも一方が減少するように前記コンプレッサ及び前記インジェクタの少なくとも一方を制御するのが好ましい。
また、前記判定部は、ユーザのスイッチ操作又はユーザ情報に基づいて、前記会議モードへの切り替え要求の有無を判定するのが好ましい。
また、前記燃料電池が発電した電力を充電するバッテリーをさらに備え、
前記モード切替部は、前記会議モードに切り替える前に会議予備モードに切り替え、
前記会議予備モードに切り替えられた場合、前記燃料電池制御部は、前記通常モードの場合と比べ、前記バッテリーのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が高くなるように前記燃料電池の発電量を制御するのが好ましい。
また、前記ユーザ情報は、ユーザが設定したスケジュール情報であり、
前記ユーザが設定したスケジュールが到来した場合、前記判定部は、前記会議モードへの切り替え要求有りと判定するのが好ましい。
さらに、
駆動トルクを制御する駆動トルク制御部をさらに備え、
前記会議モードに切り替えられた場合、前記駆動トルク制御部は、前記通常モードの場合と比べ、トルク変動が少なくなるように、前記駆動トルクを制御するのが好ましい。
本発明により、燃料電池が搭載された車両内で会議等（会議に限らず、塾、受験勉強、移動教室）を行う場合を考慮して、当該車両内で静穏性を確保することができる燃料電池システムを提供することができる。
燃料電池システム１のシステム構成図である。 制御部８０の機能ブロック図である。 燃料電池システム１の動作例１のフローチャートである。 燃料電池システム１の動作例２のフローチャートである。 燃料電池システム１の動作例３のフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態である燃料電池システム１（会議モード付き燃料電池システム）について添付図面を参照しながら説明する。各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
まず、図１を用いて、実施の形態にかかる燃料電池システム１の構成例について説明する。
図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、車両Ｖに搭載されるシステムで、燃料電池１０、酸化ガス供給路２０、カソードオフガス排気路２１、気液分離器３０、燃料ガス供給路４０、アノードオフガス排気路４１、気液分離器５０、貯水タンク６０、排水路２６、バイパス路７０、制御部８０、コンプレッサ９０、インジェクタ９１、スイッチ９２、バッテリー９３等を備えている。
車両Ｖは、例えば、キッチンカー、オフィスカーである。キッチンカーとは、例えば、キッチンにおいて用いられる用品（例えば、調理器具）が搭載された車両をいう。オフィスカーとは、例えば、オフィスにおいて用いられる用品（例えば、ディスプレイ）が搭載された車両をいう。車両Ｖの種類は、例えば、ワンボックスカー、キャンピングカーである。
燃料電池１０は、例えば、固体高分子形の燃料電池である。燃料電池１０は、コンプレッサ９０により酸化ガス供給路２０を介して供給される酸化ガス（空気、酸素）とインジェクタ９１及び燃料ガス供給路４０を介して供給される燃料ガス（水素）とが電気化学反応することにより発電する複数の単セルを積層して一つの構成単位としたスタックを備える。燃料電池１０としては、例えば、特開２０１８－４１６３０号公報、特開２０１９－１２１５７８号公報に記載のものを用いることができる。図示しないが、燃料電池１０（スタック）により発電された電力は、車両Ｖの駆動モータ、車両Ｖに搭載された各種補機、車室内に設けられたコンセントに供給される。コンセントは、電力（交流電力）を得るため、電化製品（例えば、冷凍冷蔵庫、ウォーターサーバー、電気炊飯器、電気ポット、テレビ、パーソナルコンピュータ、充電器）のプラグが差し込まれる器具である。コンセントは、アウトレット（Outlet）又はソケット（Socket）とも呼ばれる。
酸化ガス供給路２０は、コンプレッサ９０と燃料電池１０とを接続（連通）する管路である。コンプレッサ９０から供給される酸化ガス（空気、酸素）は、酸化ガス供給路２０を介して燃料電池１０に供給される。
カソードオフガス排気路２１は、燃料電池１０と排気口２２とを接続（連通）する管路である。カソードオフガス排気路２１の途中には、燃料電池１０側に三方弁Ｖ１が、排気口２２側にＶ２が、それぞれ設けられている。三方弁Ｖ１、Ｖ２の開閉状態は、制御部８０により制御される。燃料電池１０から排出されるカソードオフガスは、三方弁Ｖ１、Ｖ２の開閉状態に応じて、カソードオフガス排気路２１を介して排気口２２から車両Ｖの外部に排気される。また、燃料電池１０から排出されるカソードオフガスは、三方弁Ｖ１の開閉状態に応じて、カソードオフガス排気路２１（三方弁Ｖ１）と気液分離器３０とを接続（連通）する接続路２３ａを介して気液分離器３０に供給される。
気液分離器３０は、接続路２３ａを介して供給されるカソードオフガスに含まれる酸化ガスと生成水とを分離する。分離された酸化ガスは、三方弁Ｖ２の開閉状態に応じて、気液分離器３０とカソードオフガス排気路２１（三方弁Ｖ２）とを接続（連通）する接続路２３ｂ及びカソードオフガス排気路２１を介して、排気口２２から車両Ｖの外部に排気される。一方、分離された生成水は、気液分離器３０と貯水タンク６０とを接続（連通）する生成水供給路２４を介して貯水タンク６０に供給され、当該貯水タンク６０に貯水される。なお、分離された生成水の一部は、気液分離器３０と酸化ガス供給路２０とを接続（連通）する循環路２５を介して酸化ガス供給路２０に供給され、燃料電池１０に供給される酸化ガスの加湿に用いられる。
燃料ガス供給路４０は、水素タンク（図示せず）と燃料電池１０とを接続（連通）する管路である。水素タンクから供給される燃料ガス（水素）は、インジェクタ９１及び燃料ガス供給路４０を介して燃料電池１０に供給される。
アノードオフガス排気路４１は、燃料電池１０と気液分離器５０とを接続（連通）する管路である。燃料電池１０から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排気路４１を介して気液分離器５０に供給される。
気液分離器５０は、アノードオフガス排気路４１を介して供給されるアノードオフガスに含まれる燃料ガスと生成水とを分離する。分離された燃料ガスは、気液分離器５０と燃料ガス供給路４０とを接続（連通）する循環路４３を介して燃料ガス供給路４０に供給され、再度、燃料電池１０に供給される。一方、分離された生成水は、三方弁Ｖ１の開閉状態に応じて、気液分離器５０とカソードオフガス排気路２１とを接続（連通）する生成水供給路４４等を介して貯水タンク６０に供給され、当該貯水タンク６０に貯水される。
貯水タンク６０は、燃料電池１０で生成された上記生成水を貯水する。貯水タンク６０には、排水弁Ｖ３が設けられている。排水弁Ｖ３の開閉状態は、制御部８０により制御される。なお、生成水は、主に、車両Ｖが停車中に多く発生し、貯水タンク６０に貯水される。例えば、１、２時間の停車で、１リットル前後の生成水が貯水タンク６０に貯水される場合がある（発電量による）。
排水路２６は、貯水タンク６０（排水弁Ｖ３）とカソードオフガス排気路２１とを接続（連通）する管路である。貯水タンク６０に貯水された生成水は、排水弁Ｖ３の開閉状態に応じて、排水路２６及びカソードオフガス排気路２１を介して排気口２２から車両Ｖの外部に排水される。
バイパス路７０は、酸化ガス供給路２０とカソードオフガス排気路２１とを接続（連通）する管路である。バイパス路７０の途中には、開閉弁Ｖ４が設けられている。開閉弁Ｖ４の開閉状態は、制御部８０により制御される。コンプレッサ９０から供給される酸化ガス（空気、酸素）は、開閉弁Ｖ４の開閉状態に応じて、バイパス路７０を介してカソードオフガス排気路２１に供給され、さらに、三方弁Ｖ１、Ｖ２の開閉状態に応じて、カソードオフガス排気路２１を介して排気口２２から車両Ｖの外部に排気される。
コンプレッサ９０は、酸化ガス供給路２０を介して燃料電池１０に酸化ガスを供給する。コンプレッサ９０の回転数は、後述の燃料電池制御部８１により制御される。
インジェクタ９１は、水素ガスを間欠的に噴射することが可能なオンオフ弁（ＯＮＯＦＦ弁）を有する噴射口を備えている。インジェクタ９１の駆動回数（オンオフ弁のオンオフ回数）は、後述の燃料電池制御部８１により制御される。
スイッチ９２は、ユーザが操作するスイッチで、通常モード又は会議モードへ切り替える際に操作される。スイッチ９２の状態は、制御部８０により検出される。
バッテリー９３は、燃料電池１０が発電した電力を充電する蓄電池である。バッテリー９３としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリー９３には、ＳＯＣセンサ９４が取り付けられている。ＳＯＣセンサ９４は、バッテリー９３の残容量であるＳＯＣ（State of charge）を検出する。
制御部８０は、プロセッサ（図示せず）を備えている。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。プロセッサは、１つの場合もあるし、複数の場合もある。プロセッサは、ＲＯＭ等の不揮発性の記憶部（図示せず）からＲＡＭ（図示せず）に読み込まれた所定プログラムを実行することにより、図２に示すように、燃料電池制御部８１、判定部８２、モード切替部８３、トルク制御部８４として機能する。図２は、制御部８０の機能ブロック図である。これらの一部又は全部は、ハードウエアにより実現してもよい。
燃料電池制御部８１は、燃料電池１０を制御するモードとして、通常モード又は通常モードより静穏性を優先した会議モードを含む。燃料電池制御部８１は、モード切替部８３により切り替えられたモードで燃料電池１０を制御する。例えば、通常モードに切り替えられた場合、燃料電池制御部８１は、通常の回転数となるようにコンプレッサ９０を制御する。また、通常の駆動回数となるようにインジェクタ９１を制御する。一方、会議モードに切り替えられた場合、燃料電池制御部８１は、通常モードの場合と比べ、コンプレッサ９０の回転数及びインジェクタ９１の駆動回数の少なくとも一方が減少するようにコンプレッサ９０及びインジェクタ９１の少なくとも一方を制御する。
判定部８２は、会議モードへの切り替え要求の有無を判定する。例えば、判定部８２は、ユーザのスイッチ操作又はユーザ情報に基づいて、会議モードへの切り替え要求の有無を判定する。スイッチ操作は、ユーザのスイッチ９２に対する操作である。ユーザがスイッチ９２に対して会議モードへ切り替える旨の操作を行った場合、判定部８２は、会議モードへの切り替え要求有りと判定する。
ユーザ情報は、ユーザが設定したスケジュール情報（例えば、会議開始日時）である。スケジュール情報は、例えば、例えば、ユーザが携帯端末（例えば、スマートフォン）や据え置き型の情報処理端末（例えば、パーソナルコンピュータ）から入力（設定）し、このスケジュール情報が入力された携帯端末や情報処理端末と燃料電池システム１とが有線又は無線で通信することにより取得される。そして、ユーザが設定したスケジュール（例えば、会議開始日時）が到来した場合、判定部８２は、会議モードへの切り替え要求有りと判定する。
モード切替部８３は、通常モード又は会議モードのいずれかに切り替える。例えば、モード切替部８３は、会議モードへの切り替え要求有りと判定された場合、燃料電池１０を制御するモードを、会議モードに切り替える。
トルク制御部８４は、駆動トルクを制御する。駆動トルクは、図示しないが、車両Ｖの駆動モータから動力伝達機構を介して駆動輪に伝達され、車両Ｖの走行に用いられるトルクである。例えば、会議モードに切り替えられた場合、トルク制御部８４は、通常モードの場合と比べ、トルク変動が少なくなるように（例えば、トルク最大値とトルク最小値との差が小さくなるように、又は、単位時間あたりのトルク変動の回数が少なくなるように）、駆動トルクを制御する。
次に、上記構成の燃料電池システム１の動作例１について説明する。
図３は、燃料電池システム１の動作例１のフローチャートである。
以下の説明においては、前提として、燃料電池制御部８１は、通常モードで燃料電池１０を制御しているものとする。
まず、会議モードへの切り替え要求の有無を判定する（ステップＳ１０）。これは、判定部８２が判定する。例えば、ユーザがスイッチ９２に対して会議モードへ切り替える旨の操作を行った場合、判定部８２は、会議モードへの切り替え要求有りと判定する。また、ユーザが設定したスケジュール（例えば、会議開始日時）が到来した場合、判定部８２は、会議モードへの切り替え要求有りと判定する。
ステップＳ１０の判定の結果、会議モードへの切り替え無しと判定された場合（ステップＳ１０：Ｎｏ）、燃料電池制御部８１は、通常モードで燃料電池１０を制御する（ステップＳ１１）。例えば、燃料電池制御部８１は、通常の回転数となるようにコンプレッサ９０を制御する。また、通常の駆動回数となるようにインジェクタ９１を制御する。
一方、ステップＳ１０の判定の結果、会議モードへの切り替え有りと判定された場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、モード切替部８３が、燃料電池１０を制御するモードを、会議モードに切り替えると共に、燃料電池制御部８１が、この切り替えられた会議モードで燃料電池１０を制御する（ステップＳ１２）。例えば、燃料電池制御部８１は、通常モードの場合と比べ、コンプレッサ９０の回転数及びインジェクタ９１の駆動回数の少なくとも一方が減少するようにコンプレッサ９０及びインジェクタ９１の少なくとも一方を制御する。これにより、コンプレッサ９０、インジェクタ９１の駆動音が低減されるため、燃料電池１０が搭載された車両Ｖ内において会議に適した静穏な環境を確保することができる。また、ユーザが設定したスケジュール（例えば、会議開始日時）が到来した場合、自動的に会議モードに切り替わるため、ユーザの利便性が向上する。
次に、上記構成の燃料電池システム１の動作例２について説明する。
図４は、燃料電池システム１の動作例２のフローチャートである。
図４は、図３に対してステップＳ１３を追加したものに相当する。それ以外、図３と同様である。以下、図３との相違点であるステップＳ１３を中心に説明する。
ステップＳ１０の判定の結果、会議モードへの切り替え要求有りと判定された場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、モード切替部８３は、会議モードに切り替える前に会議予備モードに切り替え、燃料電池１０を制御する（ステップＳ１３）。会議予備モードに切り替えられた場合、燃料電池制御部８１は、通常モードの場合と比べ、バッテリー９３のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、すなわち、ＳＯＣセンサ９４の検出値が高くなるように（例えば、通常モードの場合と比べ、充電量が増えるように、又は、上限ぎりぎりまで充電されるように）燃料電池１０の発電量を制御する。これにより、会議モードに移行する前にバッテリー９３のＳＯＣを高めることができるため、バッテリー９３の使用時間が延び、燃料電池１０の駆動を減らすことができる。また、ユーザが設定したスケジュール（例えば、会議開始日時）が到来した場合、自動的に会議予備モードに切り替わるため、ユーザの利便性が向上する。なお、会議予備モードは、会議モードの一部と考えることもできる。
そして、例えば、ＳＯＣセンサ９４の検出値が予め定められた値に達した場合、ステップＳ１２の処理を実行する。それ以外、図３と同様の処理である。
次に、上記構成の燃料電池システム１の動作例３について説明する。
図５は、燃料電池システム１の動作例３のフローチャートである。
図５は、図３に対してステップＳ１４を追加したものに相当する。それ以外、図３と同様である。以下、図３との相違点であるステップＳ１４を中心に説明する。
ステップＳ１０の判定の結果、会議モードへの切り替え有りと判定された場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、モード切替部８３が、燃料電池１０を制御するモードを、会議モードに切り替えると共に、燃料電池制御部８１が、この切り替えられた会議モードで燃料電池１０を制御する（ステップＳ１２）。
次に、トルク変動が少なくなるように、駆動トルクを制御する（ステップＳ１４）。例えば、トルク制御部８４は、通常モードの場合と比べ、トルク変動が少なくなるように（例えば、トルク最大値とトルク最小値との差が小さくなるように、又は、単位時間あたりのトルク変動の回数が少なくなるように）、駆動トルクを制御する。これにより、走行中の車両Ｖ内においても、落ち着いた状況で会議を行うことができる。なお、この駆動トルクの制御は、会議モードの一部と考えることもできる。
なお、ステップＳ１４の処理は、図４中に追加してもよい。
以上説明したように、実施の形態によれば、燃料電池１０が搭載された車両Ｖ内で会議等（会議に限らず、塾、受験勉強、移動教室）を行う場合を考慮して、当該車両Ｖ内で静穏性を確保することができる。
これは、会議モードへの切り替え要求有りと判定された場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、燃料電池１０を制御するモードを、会議モードに自動的に切り替えるモード切替部８３を備えていることによるものである。
次に、変形例について説明する。
上記実施の形態では、ステップＳ１０の判定の結果、会議モードへの切り替え有りと判定された場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、燃料電池制御部８１は、通常モードの場合と比べ、コンプレッサ９０の回転数及びインジェクタ９１の駆動回数の少なくとも一方が減少するようにコンプレッサ９０及びインジェクタ９１の少なくとも一方を制御するように説明したが、これに限らない。例えば、ステップＳ１０の判定の結果、会議モードへの切り替え有りと判定された場合（ステップＳ１０：Ｙｅｓ）、燃料電池制御部８１は、燃料電池１０の発電を停止するように、当該燃料電池１０を制御すると共に、バッテリー９３からの電力を、車両Ｖの駆動モータ、車両Ｖに搭載された各種補機、車室内に設けられたコンセント等に供給するようにしてもよい。
上記実施形態において、プログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された１又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群（又はソフトウェアコード）を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、random-access memory（RAM）、read-only memory（ROM）、フラッシュメモリ、solid-state drive（SSD）又はその他のメモリ技術、CD-ROM、digital versatile disc（DVD）、Blu-ray（登録商標）ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、またはその他の形式の伝搬信号を含む。
上記実施形態で示した数値は全て例示であり、これと異なる適宜の数値を用いることができるのは無論である。
上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。上記実施形態の記載によって本発明は限定的に解釈されるものではない。本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。
１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…酸化ガス供給路
２１…カソードオフガス排気路
２２…排気口
２３ａ、２３ｂ…接続路
２４…生成水供給路
２５…循環路
２６…排水路
３０…気液分離器
４０…燃料ガス供給路
４１…アノードオフガス排気路
４３…循環路
４４…生成水供給路
５０…気液分離器
６０…貯水タンク
７０…バイパス路
８０…制御部
８１…燃料電池制御部
８２…判定部
８３…モード切替部
８４…トルク制御部
９０…コンプレッサ
９１…インジェクタ
９２…スイッチ
９３…バッテリー
９４…ＳＯＣセンサ
Ｖ…車両
Ｖ１、Ｖ２…三方弁
Ｖ３…排水弁
Ｖ４…開閉弁

Claims (5)

  1. 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、
    前記燃料電池を制御するモードとして、通常モード又は前記通常モードより静穏性を優先した会議モードを含む燃料電池制御部と、
    前記会議モードへの切り替え要求の有無を判定する判定部と、
    前記会議モードへの切り替え要求有りと判定された場合、前記燃料電池を制御するモードを、前記会議モードに切り替えるモード切替部と、
    前記燃料電池が発電した電力を充電するバッテリーと、を備え、
    前記モード切替部は、前記会議モードに切り替える前に会議予備モードに切り替え、
    前記会議予備モードに切り替えられた場合、前記燃料電池制御部は、前記通常モードの場合と比べ、前記バッテリーのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が高くなるように前記燃料電池の発電量を制御する燃料電池システム。
  2. 前記会議モードに切り替えられた場合、前記燃料電池制御部は、前記通常モードの場合と比べ、前記燃料電池に酸化ガスを供給するコンプレッサの回転数及び前記燃料電池に燃料ガスを供給するインジェクタの駆動回数の少なくとも一方が減少するように前記コンプレッサ及び前記インジェクタの少なくとも一方を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記判定部は、ユーザのスイッチ操作又はユーザ情報に基づいて、前記会議モードへの切り替え要求の有無を判定する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記ユーザ情報は、ユーザが設定したスケジュール情報であり、
    前記ユーザが設定したスケジュールが到来した場合、前記判定部は、前記会議モードへの切り替え要求有りと判定する請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 駆動トルクを制御する駆動トルク制御部をさらに備え、
    前記会議モードに切り替えられた場合、前記駆動トルク制御部は、前記通常モードの場合と比べ、トルク変動が少なくなるように、前記駆動トルクを制御する請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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