WO2020184573A1 - 船舶用燃料電池システム及び船舶 - Google Patents

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WO2020184573A1
WO2020184573A1 PCT/JP2020/010348 JP2020010348W WO2020184573A1 WO 2020184573 A1 WO2020184573 A1 WO 2020184573A1 JP 2020010348 W JP2020010348 W JP 2020010348W WO 2020184573 A1 WO2020184573 A1 WO 2020184573A1
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load
oxidant gas
gas supply
unit
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PCT/JP2020/010348
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琢也 平岩
照繕 灰庭
剛広 丸山
和睦 鬼追
学 品川
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ヤンマー株式会社
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    • B63H21/17—Use of propulsion power plant or units on vessels the vessels being motor-driven by electric motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H23/00—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements
    • B63H23/22—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing
    • B63H23/24—Transmitting power from propulsion power plant to propulsive elements with non-mechanical gearing electric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention provides a fuel cell that supplies electric power generated by an electrochemical reaction between fuel gas and oxidant gas to a propulsion motor that generates propulsive force for a hull.
  • An oxidant gas supply unit that supplies oxidant gas to the fuel cell,
  • a marine fuel cell system including an oxidant gas supply control unit that controls the oxidant gas supply unit so that the oxidant gas supply amount to the fuel cell becomes a target oxidant gas supply amount, and a marine fuel cell system thereof. Regarding ships.
  • the fuel is applied to the power generation load required for the fuel cell from the power load including the propulsion motor.
  • the supply amount of fuel for power generation and air for power generation (an example of oxidant gas) to the fuel cell is controlled so as to follow the power generation output of the battery.
  • the amount of power generation air supplied from the air supply pump (an example of the oxidant gas supply unit) to the fuel cell is rapidly followed and increased in response to a rapid increase in the power generation load. It may not be possible. In such a case, the responsiveness of the power generation output of the fuel cell to the power generation load is lowered, and so-called air withering occurs in which the air is exhausted at the cathode electrode of the fuel cell, resulting in deterioration or damage of the fuel cell performance. There is a risk of inviting.
  • the main subject of the present invention is a technique capable of suppressing deterioration and damage of the fuel cell due to air withering at the cathode electrode without deteriorating the responsiveness of the inboard equipment in the marine fuel cell system. Is in the point of providing.
  • the first characteristic configuration of the present invention is a fuel cell that supplies electric power generated by an electrochemical reaction between fuel gas and oxidant gas to a propulsion motor that generates propulsive force of a hull.
  • An oxidant gas supply unit that supplies oxidant gas to the fuel cell,
  • a marine fuel cell system including an oxidant gas supply control unit that controls the oxidant gas supply unit so that the oxidant gas supply amount to the fuel cell becomes a target oxidant gas supply amount.
  • Onboard equipment other than the propulsion motor that consumes the electric power supplied from the fuel cell is installed on the ship.
  • a device operation start operation detection unit that detects the operation start operation of the onboard equipment, and A load rapid increase determination unit for determining whether or not a load rapid increase state in which a rapid increase in the power generation load of the fuel cell is predicted based on the detection result of the device operation start operation detection unit is provided.
  • the target oxidant gas supply amount when the oxidant gas supply control unit determines that the load rapid increase determination unit is in the load rapid increase determination unit is determined by the load rapid increase determination unit that the load is not in the load rapid increase state. The point is to set it larger than.
  • the characteristic configuration of the ship according to the present invention includes a hull and a propulsion mechanism unit having a propulsion electric motor for generating the propulsive force of the hull.
  • the marine fuel cell system according to the present invention which has a fuel cell for supplying electric power generated by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas to the propulsion motor.
  • the oxidant gas supply control unit when controlling the oxidant gas supply unit such as an air supply pump so that the oxidant gas supply amount to the fuel cell becomes the target oxidant gas supply amount.
  • the target oxidant gas supply amount is set to be larger than when the load rapid increase determination unit determines that the load is not in the rapid increase state.
  • the state in which the operation start operation of the onboard equipment is detected by the device operation start operation detection unit in the load rapid increase determination unit is the load rapid increase state in which the power generation load of the fuel cell is predicted to increase rapidly. It is possible to determine whether or not the load is rapidly increasing based on the detection result of the device operation start operation detection unit.
  • the operation of the equipment is started.
  • the operation detection unit detects the operation to start the operation of the onboard equipment and the load rapid increase determination unit determines that the load is in a rapid increase state
  • the load rapid increase determination unit determines that the load is not in a rapid increase state.
  • the target oxidant gas supply amount is set to be large.
  • the air withering of the cathode electrode can be achieved by predicting this and increasing the supply amount of oxidant gas in advance. It is possible to quickly follow the power generation output of the fuel cell against the rapidly increasing power generation load and improve the responsiveness of the onboard equipment.
  • the present invention it is possible to provide a technique capable of suppressing deterioration or damage of the fuel cell due to air withering at the cathode electrode without deteriorating the responsiveness of the inboard equipment in the marine fuel cell system. ..
  • the second characteristic configuration of the present invention is that the device operation start operation detection unit detects the power-on operation of the onboard device as the operation start operation.
  • the device operation start operation detection unit can easily detect the power-on operation of the onboard device, which is turned on, as the operation start operation of the onboard device.
  • the third characteristic configuration of the present invention is a plurality of controls in which the target oxidant gas supply amount is different as a control mode when the oxidant gas supply control unit determines that the load rapid increase determination unit is in the load rapid increase state.
  • the control mode setting unit capable of setting the control mode of the oxidant gas supply control unit is provided.
  • the oxidant gas supply control unit supplies the oxidant gas to the fuel cell in the control mode preset by the control mode setting unit among a plurality of control modes having different target oxidant gas supply amounts.
  • the oxidant gas supply unit is controlled so that the amount becomes the target oxidant gas supply amount. Therefore, even if the amount of increase in the required load of the onboard equipment varies depending on the type and number of onboard equipment to be operated, an appropriate amount of oxidant gas is supplied to the fuel cell in advance. This makes it possible to prevent air withering of the cathode electrode while suppressing waste of energy consumption of the oxidant gas and the oxidant gas supply unit for supplying the oxidant gas.
  • the fourth characteristic configuration of the present invention is that the control mode setting unit switches the control mode of the oxidant gas supply control unit based on the power generation load of the fuel cell.
  • the control mode setting unit automatically switches the control mode based on the power generation load of the fuel cell, so that, for example, the required load of the operating onboard equipment has changed significantly from what was initially expected. Even in this case, it is possible to supply the fuel cell with an oxidant gas having an appropriate amount of oxidant gas supplied in accordance with the change in the required load.
  • the fifth characteristic configuration of the present invention is that the control mode setting unit sets the control mode of the oxidant gas supply control unit immediately after the operation start operation of the onboard equipment is detected by the equipment operation start operation detection unit. The point is to set the heavy load control mode in which the target oxidant gas supply amount is the largest.
  • the control mode setting unit sets the control mode of the oxidant gas supply control unit to the heavy load control mode. It will be set to, and then switched based on the power generation load of the fuel cell.
  • the initial target air supply amount is set to the largest one. Therefore, it is possible to supply a sufficient amount of air to the fuel cell in advance to avoid air withering at the cathode electrode of the fuel cell.
  • the ships 100 and 200 shown in FIGS. 1 and 2 include a hull 1 and propulsion mechanism units 20 and 30 having propulsion motors 21 and 31 for generating the propulsive force of the hull 1.
  • the vessels 100 and 200 include fuel cell systems 101 and 201 having a fuel cell 10 for supplying electric power generated by an electrochemical reaction between fuel gas and oxidant gas to propulsion electric motors 21, 31 and the like, and the fuel cell.
  • a control device 50 for controlling the operation of the systems 101 and 201 is provided.
  • the ships 100 and 200 are provided with a ship maneuvering device 4 having a steering handle 2, an accelerator lever 3, and the like.
  • the control device 50 executes control of the propulsion mechanism units 20 and 30 and the fuel cell systems 101 and 201 based on the operation signal input from the ship maneuvering device 4.
  • the propulsion of the hull 1 in the bow direction is referred to as "forward”
  • the propulsion of the hull 1 in the stern direction is referred to as "reverse”.
  • the propulsion mechanism portion 20 of the ship 100 shown in FIG. 1 is configured as a fixed propeller type, and includes a propeller 23 for obtaining a propulsive force for propelling the hull 1, a propulsion electric motor 21 for rotationally driving the propeller 23, and a propeller 23.
  • the hull 1 is provided with a clutch 22 that can switch the rotation direction between forward rotation and reverse rotation.
  • a rudder 26 that is arranged behind the propeller 23 and rotates about a substantially vertical axis to turn the hull 1 and a rudder electric motor 25 that rotates the rudder 26 to change the posture of the rudder 26. It is provided on the hull 1.
  • the fixed propeller type propulsion mechanism unit 20 obtains a propulsive force for propelling the hull 1 by operating the propulsion electric motor 21 in conjunction with the operation of the accelerator lever 3 by the operator to rotate the propeller 23.
  • the hull 1 can be turned by operating the rudder electric motor 25 in conjunction with the operation of the steering handle 2 by the operator to change the posture of the rudder 26.
  • the propulsion electric motor 21 and the rudder electric motor 25 are electric power loads that are operated by the electric power generated by the fuel cell 10.
  • control device 50 of the ship 100 shown in FIG. 1 can switch the propulsion direction of the hull 1 between forward and reverse in conjunction with the operation of the accelerator lever 3 by the operator. That is, by switching the rotation direction of the clutch 22 linked to the operation of the accelerator lever 3 by the operator, the hull 1 can be advanced by rotating the propeller 23 in the forward direction, and the hull 1 can be moved forward by reversing the propeller 23. You can move backwards.
  • the propulsion mechanism portion 30 of the ship 200 shown in FIG. 2 is configured in a pod type, and the propeller 33 for obtaining the propulsive force of the hull 1 and the propulsion electric motor 31 for rotationally driving the propeller 33 are provided with respect to the hull 1. It is provided on a pod 32 that is rotatable about a substantially vertical axis. Further, a pod electric motor 35 for rotating the pod 32 to change the posture of the pod 32 is provided on the hull 1. That is, the pod-type propulsion mechanism unit 30 causes the hull 1 to respond to the attitude of the pod 32 by operating the propulsion motor 21 and rotating the propeller 23 in conjunction with the operation of the accelerator lever 3 by the operator.
  • the hull 1 can be turned by operating the pod electric motor 35 in conjunction with the operation of the steering handle 2 by the operator to change the attitude of the pod 32 while obtaining the propulsive force to propel the hull in the direction. ..
  • the propulsion electric motor 21 and the rudder electric motor 25 are electric power loads that are operated by the electric power generated by the fuel cell 10.
  • the propulsion mechanism units 20 and 30 of the ships 100 and 200 are configured as a fixed propeller type or a pod type, but the marine fuel cell system according to the present invention includes at least propulsion motors 21 and 31. Anything may be used, and another type of propulsion mechanism may be adopted.
  • control device 50 of the ship 200 shown in FIG. 2 can switch the propulsion direction of the hull 1 between forward and reverse in conjunction with the operation of the accelerator lever 3 by the operator. That is, the propeller 33 is rotated by the propulsion motor 31 with the posture of the pod 32 in the forward posture (the posture shown in FIG. 2) by the rotational operation of the pod electric motor 35 linked to the operation of the accelerator lever 3 by the operator. As a result, the hull 1 can be advanced, and the propeller 33 is moved by the propulsion motor 31 in a state where the posture of the pod 32 is reversed by the pod electric motor 35 (the posture inverted with respect to the posture shown in FIG. 2). The hull 1 can be moved backward by rotating it.
  • a plurality of inboard devices 5 such as a work machine such as a cargo handling crane and an air conditioner are provided as a power load different from the propulsion electric motors 21 and 31, the rudder electric motor 25, and the pod electric motor 35. It is provided.
  • Each of these inboard devices 5 is provided with a power switch 6 for switching the power supply state.
  • the fuel cell systems 101 and 201 are supplied with an air supply unit 11A that supplies air as an oxidizing agent gas to the cathode electrode of the fuel cell 10 and a fuel gas such as hydrogen gas to the anode electrode of the fuel cell 10.
  • a fuel gas supply unit 11B is provided.
  • the air supply unit 11A is composed of an air pump or the like that sends the air taken in from the outside air to the cathode electrode of the fuel cell 10.
  • the control device 50 is configured to be able to adjust the amount of air supplied to the cathode electrode of the fuel cell 10 by controlling the rotation speed of the air pump constituting the air supply unit 11A.
  • the fuel gas supply unit 11B includes a hydrogen cylinder that stores hydrogen gas, which is a fuel gas, in a high pressure state, and a hydrogen supply valve that adjusts the flow rate of the fuel gas introduced from the hydrogen cylinder to the anode electrode of the fuel cell 10. Has been done.
  • the control device 50 is configured to control the opening degree of the hydrogen supply valve constituting the fuel gas supply unit 11B so that the amount of fuel gas supplied to the anode electrode of the fuel cell 10 can be adjusted.
  • the control device 50 functions as a steering control unit 59 that controls steering to control the operation of the propulsion mechanism units 20 and 30 based on the operation signal of the ship maneuvering device 4, and also functions as a course of the hull 1. It also functions as an automatic steering unit 57 that performs automatic steering to guide the vehicle to the target course.
  • the automatic steering unit 57 aims to return the actual course to the target course when the target course is preset and the actual course detected by GPS or the like deviates from the target course. It is configured to automatically operate the steering handle 2.
  • control device 50 includes a forward / backward switching operation detection unit 51A, a sharp turning operation detection unit 51B, a device operation start operation detection unit 51C, a load rapid increase determination unit 52, a control mode setting unit 53, and an air supply control unit 55A, which will be described later. It also functions as various control units such as the fuel gas supply control unit 55B.
  • the air supply control unit 55A controls the air supply unit 11A so that the air supply amount to the fuel cell 10 becomes the target air supply amount
  • the fuel gas supply control unit 55B supplies the fuel gas to the fuel cell 10.
  • the fuel gas supply unit 11B is controlled so that the amount becomes the target fuel gas supply amount.
  • the target air supply amount and the target fuel gas supply amount are basically determined so that the power generation output of the fuel cell 10 follows the power generation load required for the fuel cell 10.
  • the air supply control unit 55A may not be able to quickly follow and increase the amount of power generation air supplied to the fuel cell 10 in response to the sudden increase in the required power generation load. In such a case, the responsiveness of the power generation output of the fuel cell 10 to the power generation load is lowered, and so-called air withering occurs in which the air is exhausted at the cathode electrode of the fuel cell 10, so that the performance of the fuel cell 10 is lowered or damaged. May lead to.
  • the fuel cell systems 101 and 201 of the present embodiment if there is a high possibility that the power generation load on the fuel cell 10 will suddenly increase, the fuel cell systems 101 and 201 will predict the sudden increase and increase the amount of air supplied to the fuel cell 10 in advance. It is configured to determine the target air supply. As a result, it is possible to suppress performance deterioration and damage of the fuel cell 10 due to air withering at the cathode electrode without lowering the responsiveness of the propulsion mechanism units 20 and 30 and the inboard equipment 5. The details will be described below.
  • the air supply control unit 55A is configured to execute air supply control for controlling the amount of air supplied to the fuel cell 10 by the air supply unit 11A along the flow shown in FIG. That is, in this air supply control, although the details will be described later, a load rapid increase determination process (step # 1, FIG. 5) is performed to determine whether or not the load rapid increase determination unit 52 predicts a rapid increase in the power generation load of the fuel cell 10. -See FIG. 7). Then, when the determination process (step # 1) determines that the load is not in the sudden increase state but in the normal load state, the normal supply control (step # 2) is executed, and the determination process (step # 1) executes the load. If it is determined that the state is rapidly increasing, a predetermined rapid increase supply control (step # 3) is executed.
  • the target air supply amount Ao becomes the required air supply amount AL (x) required to generate electric power corresponding to the power generation load x required by the fuel cell 10. It is determined.
  • the target air supply amount Ao is equal to the required air supply amount AL (x) required to generate electric power corresponding to the power generation load x required by the fuel cell 10. Is also decided to be large.
  • the target air supply amount Ao is determined by multiplying the required air supply amount AL (x) by a coefficient R larger than 1, or the maximum air supply amount within the supplyable range of the air supply unit 11A. It can be determined to be Amax.
  • the forward / backward switching operation detection unit 51A shown in FIG. 3 is configured to detect a forward / backward switching operation in which the propulsion direction of the hull 1 is switched between forward and reverse.
  • the forward / backward switching operation detection unit 51A detects the operation of switching the propulsion direction between the forward movement and the reverse movement by the accelerator lever 3 as the forward / backward movement switching operation. For example, when the operator detects the operation of the accelerator lever 3 for reversing the propulsion directions of the propulsion motors 21 and 31, and the rate of change of the output command value of the propulsion motor 21 becomes a predetermined value or more.
  • the forward / backward switching operation detection unit 51A can detect whether or not the forward / backward switching operation has been performed based on the propulsion direction and output of the propulsion electric motor 21 in the form in which the forward / backward switching operation has been performed.
  • the method of detecting the forward / backward switching operation by the forward / backward switching operation detection unit 51A is not limited to the one based on the propulsion direction and output of the propulsion electric motor 21, and can be appropriately modified.
  • the sharp turn operation detection unit 51B shown in FIG. 3 is configured to detect the sharp turn operation of the hull 1.
  • the steep turn operation detection unit 51B detects the steering angle of the steering handle 2, and when the detected rudder angle is equal to or greater than the set steering angle, the steer to the steering handle 2 is detected as a steep turn operation.
  • the sharp turn operation detection unit 51B also detects as a sharp turn operation the automatic steering by the automatic steering unit 57 when the course deviation angle formed by the actual course with respect to the target course is equal to or larger than a predetermined set angle. be able to. Further, when the sharp turn operation detection unit 51B detects the above automatic steering as a sharp turn operation and the course deviation angle during the automatic steering is less than a predetermined set angle, the subsequent turn Then, the detection of the sharp turning operation is canceled because the sharp turning accompanied by the sudden increase in the power generation load is not performed.
  • the method of detecting a sharp turn operation by the sharp turn operation detection unit 51B is not limited to the one based on the steering angle of the steering handle 2 and the state of automatic steering, and can be appropriately modified.
  • the device operation start operation detection unit 51C shown in FIG. 3 is configured to detect the operation start operation of a work machine such as a cargo handling crane and an inboard device 5 such as an air conditioner.
  • the device operation start operation detection unit 51C can detect an operation of turning on the power switch 6 installed on each inboard device 5 as an operation start operation.
  • the method of detecting the operation start operation of the inboard device 5 by the device operation start operation detection unit 51C is not limited to the one based on the turned-on state of the power switch 6, and can be appropriately modified.
  • the load rapid increase determination unit 52 executes the first to third determination processes as shown in FIGS. 5 to 7 to determine whether or not the fuel cell 10 is in a load rapid increase state in which a rapid increase in the power generation load is predicted. It is configured to do.
  • the first determination process shown in FIG. 5 it is determined whether or not the load is rapidly increasing based on the detection result of the forward / backward switching operation detection unit 51A. That is, it is determined that the state in which the forward / backward switching operation detection unit 51A detects the forward / backward movement (yes in step # 11) is the load rapid increase state in which the power generation load of the fuel cell 10 is predicted to increase rapidly (step). # 14).
  • the state in which the forward / backward switching operation detection unit 51A does not detect the forward / backward operation (No in step # 11) is determined to be a normal state other than the load sudden increase state (step # 12).
  • this first determination process it is determined whether or not the propulsion speed S of the hull 1 is equal to or less than the predetermined set propulsion speed S1 (step # 13). Then, when the propulsion speed S of the hull 1 is equal to or less than the set propulsion speed S1 (yes in step # 13), the rotational load of the propulsion motor 21 rapidly increases even when the forward / backward switching operation is performed. Since there is no such thing, the determination that the load is in the rapid increase state is prohibited, and it is determined that the load is in the normal state (step # 12).
  • the propulsion speed S of the hull 1 can be directly measured, but can also be estimated from the rotation speed of the propeller 23. In the present embodiment, when the propulsion speed of the hull 1 is equal to or less than the predetermined set propulsion speed S, the determination that the load is rapidly increasing is prohibited, but such processing is appropriately modified or modified. It can be omitted.
  • the rate of increase in the power generation load of the fuel cell 10 is maintained below a predetermined set rate, and the fuel cell 10 is maintained.
  • the elapsed time T in a state where the power generation load is stable is measured, and it is determined whether or not the elapsed time T exceeds a predetermined set elapsed time T1 (step # 15). Then, until the elapsed time T exceeds the set elapsed time T1 (no in step # 15), in other words, until the power generation load of the fuel cell 10 becomes stable, the forward / backward switching operation is not detected.
  • step # 14 the cancellation of the determination of the load rapid increase state is prohibited, and the determination of the load rapid increase state (step # 14) is maintained.
  • the elapsed time T exceeds the set elapsed time T1 (yes in step # 15)
  • Such processing can be appropriately modified or omitted.
  • the air supply control unit 55A executes the above-mentioned rapid increase supply control (step # 3 in FIG. 4) to perform the target air.
  • the air supply amount to be larger than the required air supply amount the air supply amount to the fuel cell 10 becomes larger than when it is determined that the fuel cell 10 is in the normal load state. Therefore, if there is a high possibility that the power generation load on the fuel cell 10 will suddenly increase due to the reversal of the propulsion direction of the hull 1, predict this and increase the amount of air supplied to the fuel cell 10 in advance. Can be done.
  • step # 21 the state in which the sharp turn operation is detected by the sharp turn operation detection unit 51B (yes in step # 21) is the load rapid increase state in which the power generation load of the fuel cell 10 is predicted to increase rapidly (step #). 24).
  • step # 22 the state in which the sharp turning operation detection unit 51B does not detect the sharp turning operation (No in step # 21) is determined to be a normal state other than the above-mentioned sudden increase in load state (step # 22).
  • step # 23 it is determined whether or not the propulsion speed S of the hull 1 is equal to or less than the predetermined set propulsion speed S1 (step # 23). Then, when the propulsion speed S of the hull 1 is equal to or less than the set propulsion speed S1 (yes in step # 23), the sudden increase in the rotational load of the propulsion motor 21 occurs even when a sharp turning operation is performed. Since there is no such thing, the determination that the load is in the rapid increase state is prohibited, and it is determined that the load is in the normal state (step # 22).
  • the propulsion speed S of the hull 1 can be directly measured, but can also be estimated from the rotation speed of the propeller 23. In the present embodiment, when the propulsion speed of the hull 1 is equal to or less than the predetermined set propulsion speed S, the determination that the load is rapidly increasing is prohibited, but such processing is appropriately modified or modified. It can be omitted.
  • step # 24 when it is once determined that the load is rapidly increasing (step # 24), the rate of increase in the power generation load of the fuel cell 10 is maintained below a predetermined set rate, and the fuel cell 10 is maintained.
  • the elapsed time T in a state where the power generation load is stable is measured, and it is determined whether or not the elapsed time T exceeds a predetermined set elapsed time T1 (step # 25). Then, even if the sharp turning operation is not detected until the elapsed time T exceeds the set elapsed time T1 (no in step # 25), in other words, until the power generation load of the fuel cell 10 becomes stable.
  • step # 24 Cancellation of the determination of the load rapid increase state is prohibited, and the determination of the load rapid increase state (step # 24) is maintained.
  • the elapsed time T exceeds the set elapsed time T1 (yes in step # 25)
  • Such processing can be appropriately modified or omitted.
  • the air supply control unit 55A executes the above-mentioned rapid increase supply control (step # 3 in FIG. 4) to perform the target air.
  • the air supply amount to be larger than the required air supply amount the air supply amount to the fuel cell 10 becomes larger than when it is determined that the fuel cell 10 is in the normal load state. Therefore, when there is a high possibility that the power generation load on the fuel cell 10 suddenly increases due to the sharp turning, it is possible to predict this and increase the amount of air supplied to the fuel cell 10 in advance.
  • step # 34 the state in which the operation start operation of the inboard device 5 is detected by the device operation start operation detection unit 51C (yes in step # 31) is a load rapid increase state in which a rapid increase in the power generation load of the fuel cell 10 is predicted. Is done (step # 34).
  • step # 34 the state in which the operation start operation of the inboard device 5 is not detected by the device operation start operation detection unit 51C (No in step # 31) is a normal state other than the load sudden increase state (step # 22).
  • step # 34 when it is once determined that the load is rapidly increasing (step # 34), the rate of increase in the power generation load of the fuel cell 10 is maintained below a predetermined set rate, and the fuel cell 10 is maintained.
  • the elapsed time T in a state where the power generation load is stable is measured, and it is determined whether or not the elapsed time T exceeds a predetermined set elapsed time T1 (step # 35). Then, even if the operation start operation is not detected until the elapsed time T exceeds the set elapsed time T1 (no in step # 35), in other words, until the power generation load of the fuel cell 10 becomes stable.
  • step # 34 Cancellation of the determination of the load rapid increase state is prohibited, and the determination of the load rapid increase state (step # 34) is maintained.
  • the elapsed time T exceeds the set elapsed time T1 (yes in step # 35)
  • Such processing can be appropriately modified or omitted.
  • the air supply control unit 55A executes the above-mentioned rapid increase supply control (step # 3 in FIG. 4) to perform the target air.
  • the air supply amount to be larger than the required air supply amount the air supply amount to the fuel cell 10 becomes larger than when it is determined that the fuel cell 10 is in the normal load state. Therefore, if there is a high possibility that the power generation load on the fuel cell 10 will suddenly increase due to the operation of the inboard equipment 5, it is possible to predict this and increase the amount of air supplied to the fuel cell 10 in advance. ..
  • the control mode setting unit 53 determines the control mode.
  • the setting process (step # 33) is executed.
  • the control mode to be executed by the air supply control unit 55A is selected from a plurality of control modes and set.
  • the air supply control unit 55A has a large load control mode in which the target air supply amount is determined to be the largest and a target as control modes when the load rapid increase determination unit 52 determines that the load is in a rapid increase state.
  • step # 33 It has a medium load control mode in which the air supply amount is determined to be smaller than the large load control mode, and a small load control mode in which the target air supply amount is determined to be smaller than the medium load control mode. Then, in the control mode setting process (step # 33), for example, a large load control is performed according to a manual control mode setting operation for the mode setting switch 53a by the operator or the number of power switches 6 among the plurality of inboard devices 5.
  • the control mode to be executed by the air supply control unit 55A is selected from the mode, the medium load control mode, and the small load control mode. Therefore, even if the amount of increase in the required load of the inboard equipment 5 varies depending on the type and number of the inboard equipment 5 to be operated, an appropriate amount of air is supplied to the fuel cell 10 in advance. be able to.
  • the air supply control unit 55A is based on the power generation load of the fuel cell 10.
  • the control mode to be executed is switched. For example, when the medium load control mode is selected and the power generation load of the fuel cell 10 is lower than a predetermined value, the control mode is switched to the small load control mode, and the power generation load of the fuel cell 10 is a predetermined value. When the number increases, the control mode can be switched to the heavy load control mode. As a result, for example, even if the required load of the onboard equipment 5 to be operated changes significantly from what was initially assumed, the fuel cell has an appropriate amount of air supplied in accordance with the change in the required load. It will be supplied to 10.
  • step # 33 immediately after the operation start operation of the inboard device 5 is detected (yes in step # 31), the control mode executed by the air supply control unit 55A has the highest target air supply amount. Large Set to the above heavy load control mode. As a result, even if the actual required load of the inboard equipment 5 generated after the detection of the work start operation is larger than expected, a sufficient amount of air is supplied to the fuel cell 10 in advance. Since the air is supplied, air withering at the cathode electrode of the fuel cell 10 is avoided. After that, when the actual power generation load of the fuel cell 10 becomes low, the control mode is appropriately changed to the medium load control mode and the small load control mode in the control mode setting process (step # 33) as described above. Therefore, the fuel cell 10 is supplied with an appropriate amount of air that matches the change in the required load of the inboard equipment 5.

Abstract

船内機器の作動開始操作を検知する機器作動開始操作検知部（５１Ｃ）と、機器作動開始操作検知部（５１Ｃ）の検知結果に基づいて燃料電池（１０）の発電負荷の急増が予測される負荷急増状態であるか否かを判定する負荷急増判定部（５２）と、を備え、酸化剤ガス供給制御部（１１Ａ）が、負荷急増判定部（５２）で負荷急増状態であると判定したときの目標酸化剤ガス供給量を、負荷急増判定部で負荷急増状態でないと判定したときよりも大きく設定する。

Description

船舶用燃料電池システム及び船舶
　本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電した電力を船体の推進力を発生する推進用電動機に供給する燃料電池と、
　前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
　前記燃料電池への酸化剤ガス供給量が目標酸化剤ガス供給量になるように前記酸化剤ガス供給部を制御する酸化剤ガス供給制御部と、を備えた船舶用燃料電池システム及びそれを備えた船舶に関する。
　燃料電池の発電電力で推進用電動機を駆動して推進力を得る船舶（例えば特許文献１を参照。）では、推進用電動機を含む電力負荷から燃料電池へ要求される発電負荷に対して当該燃料電池の発電出力を追従させるように、燃料電池への発電用燃料及び発電用空気（酸化剤ガスの一例）の供給量が制御される。
特開２００６－３３９５１号公報
　上述のような船舶用燃料電池システムでは、発電負荷の急増に対して燃料電池への空気供給ポンプ（酸化剤ガス供給部の一例）からの発電用空気の供給量を迅速に追従させて増加させることができない場合がある。このような場合には、発電負荷に対する燃料電池の発電出力の応答性が低下する上に、燃料電池のカソード電極において空気が消費尽くされる所謂空気枯れが発生し、燃料電池の性能低下や損傷を招く虞がある。
　この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、船舶用燃料電池システムにおいて、船内機器の応答性を低下させることなく、カソード電極での空気枯れに起因する燃料電池の性能低下や損傷を抑制できる技術を提供する点にある。
　本発明の第特徴構成は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電した電力を船体の推進力を発生する推進用電動機に供給する燃料電池と、
　前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
　前記燃料電池への酸化剤ガス供給量が目標酸化剤ガス供給量になるように前記酸化剤ガス供給部を制御する酸化剤ガス供給制御部と、を備えた船舶用燃料電池システムであって、
　前記燃料電池から供給される電力を消費する前記推進用電動機とは別の船内機器が船内に設置されており、
　前記船内機器の作動開始操作を検知する機器作動開始操作検知部と、
　前記機器作動開始操作検知部の検知結果に基づいて前記燃料電池の発電負荷の急増が予測される負荷急増状態であるか否かを判定する負荷急増判定部と、を備え、
　前記酸化剤ガス供給制御部が、前記負荷急増判定部で前記負荷急増状態であると判定したときの前記目標酸化剤ガス供給量を、前記負荷急増判定部で前記負荷急増状態でないと判定したときよりも大きく設定する点にある。
　また、本発明に係る船舶の特徴構成は、船体と、当該船体の推進力を発生する推進用電動機を有する推進機構部と、を備え、
　燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電した電力を前記推進用電動機に供給する燃料電池を有する本発明に係る船舶用燃料電池システムを備えた点にある。
　本構成によれば、上記酸化剤ガス供給制御部において、燃料電池への酸化剤ガス供給量が目標酸化剤ガス供給量になるように空気供給ポンプ等の酸化剤ガス供給部を制御するにあたり、上記負荷急増判定部で負荷急増状態であると判定された場合には、上記負荷急増判定部で負荷急増状態でないと判定された場合よりも、上記目標酸化剤ガス供給量が大きいものに設定される。よって、燃料電池への発電負荷が急増する可能性が高い場合、それを予測して予め酸化剤ガスの供給量を増加させておくことで、カソード電極の空気枯れを防止しながら、急増する発電負荷に対して迅速に燃料電池の発電出力を追従させることができる。
　また、荷役用クレーンなどの作業機械や空調装置などの船内機器の作動開始操作が行われた場合には、それに続く船内機器の作動に伴って当該機器に発電電力を供給する燃料電池の発電負荷が急増する。
　そこで、本構成によれば、上記負荷急増判定部において、上記機器作動開始操作検知部で船内機器の作動開始操作が検知された状態を燃料電池の発電負荷の急増が予測される負荷急増状態であるとする形態で、上記機器作動開始操作検知部の検知結果に基づいて上記負荷急増状態であるか否かを判定することができる。
　そして、上記酸化剤ガス供給制御部において、燃料電池への酸化剤ガス供給量が目標酸化剤ガス供給量になるように空気供給ポンプ等の酸化剤ガス供給部を制御するにあたり、上記機器作動開始操作検知部で船内機器の作動開始操作が検知されて上記負荷急増判定部で負荷急増状態であると判定された場合には、上記負荷急増判定部で負荷急増状態でないと判定された場合よりも、上記目標酸化剤ガス供給量が大きいものに設定される。よって、船内機器の作動に起因して燃料電池への発電負荷が急増する可能性が高い場合、それを予測して予め酸化剤ガスの供給量を増加させておくことで、カソード電極の空気枯れを防止しながら、急増する発電負荷に対して迅速に燃料電池の発電出力を追従させて、船内機器の応答性を向上することができる。
　従って、本発明により、船舶用燃料電池システムにおいて、船内機器の応答性を低下させることなく、カソード電極での空気枯れに起因する燃料電池の性能低下や損傷を抑制できる技術を提供することができる。
　本発明の第２特徴構成は、前記機器作動開始操作検知部が、前記船内機器の電源投入操作を前記作動開始操作として検知する点にある。
　本構成によれば、上記機器作動開始操作検知部において、船内機器の電源が投入される船内機器の電源投入操作を、船内機器の作動開始操作として簡単に検知することができる。
　本発明の第３特徴構成は、前記酸化剤ガス供給制御部が、前記負荷急増判定部で前記負荷急増状態であると判定したときの制御モードとして前記目標酸化剤ガス供給量が異なる複数の制御モードを有すると共に、
　前記酸化剤ガス供給制御部の制御モードを設定可能な制御モード設定部を備えた点にある。
　本構成によれば、酸化剤ガス供給制御部において、目標酸化剤ガス供給量が異なる複数の制御モードのうち、制御モード設定部により予め設定された制御モードで、燃料電池への酸化剤ガス供給量が目標酸化剤ガス供給量になるように酸化剤ガス供給部が制御される。よって、作動する船内機器の種類や数によって当該船内機器の要求負荷の増加幅等が様々である場合でも、それに見合った適切な酸化剤ガス供給量の酸化剤ガスを燃料電池に予め供給しておくことができ、このことで、酸化剤ガス及びそれを供給するための酸化剤ガス供給部の消費エネルギの浪費を抑制しながら、カソード電極の空気枯れを防止することができる。
　本発明の第４特徴構成は、前記制御モード設定部が、前記燃料電池の発電負荷に基づいて前記酸化剤ガス供給制御部の制御モードを切り替える点にある。
　本構成によれば、制御モード設定部により燃料電池の発電負荷に基づいて自動的に制御モードが切り替えられるので、例えば作動する船内機器の要求負荷が当初想定していたものとは大幅に変化した場合であっても、その要求負荷の変化に見合った適切な酸化剤ガス供給量の酸化剤ガスを燃料電池に供給することができる。
　本発明の第５特徴構成は、前記制御モード設定部が、前記機器作動開始操作検知部で前記船内機器の作動開始操作が検知された直後の前記酸化剤ガス供給制御部の制御モードを、前記目標酸化剤ガス供給量が最も大きい大負荷制御モードに設定する点にある。
　本構成によれば、船内機器の作動開始操作が検知されて負荷急増状態であると判定された場合において、制御モード設定部は、酸化剤ガス供給制御部の制御モードを、一旦大負荷制御モードに設定し、その後燃料電池の発電負荷に基づいて切り替えることになる。このことで、作業開始操作の検知に続いて発生する船内機器の実際の要求負荷が想定していたものよりも大きかった場合であっても、当初の目標空気供給量が最も大きいものに設定されるので、燃料電池に対して予め充分な空気供給量の空気を供給して、燃料電池のカソード電極での空気枯れを回避することができる。
固定プロペラ式の推進機構部を有する船舶及び船舶用燃料電池システムの概略構成図 ポッド式の推進機構部を有する船舶及び船舶用燃料電池システムの概略構成図 制御部に関連する構成のブロック図 酸化剤ガス供給制御のフロー図 前後進切替操作検知によるモード判定処理のフロー図 急旋回操作検知によるモード判定処理のフロー図 船内機器の作動開始操作検知によるモード判定処理のフロー図
　本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
　図１及び図２に示す船舶１００，２００は、船体１と、当該船体１の推進力を発生する推進用電動機２１，３１を有する推進機構部２０，３０と、を備えて構成されている。この船舶１００，２００には、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電した電力を推進用電動機２１，３１等に供給する燃料電池１０を有する燃料電池システム１０１，２０１と、この燃料電池システム１０１，２０１の運転を制御する制御装置５０が設けられている。
　上記船舶１００，２００には、操舵ハンドル２やアクセルレバー３等を有する操船装置４が設けられている。制御装置５０は、この操船装置４から入力された操作信号に基づいて推進機構部２０，３０や燃料電池システム１０１，２０１に対する制御を実行する。
　尚、図１及び図２に示す船体１において、図面上右側が船首であり図面上左側が船尾である。そして、本願において、船体１が船首方向に推進することを「前進」と呼び、船体１が船尾方向に推進することを「後進」と呼ぶ。
　図１に示す船舶１００の推進機構部２０は、固定プロペラ式に構成されており、船体１を推進させる推進力を得るプロペラ２３と、プロペラ２３を回転駆動させる推進用電動機２１と、プロペラ２３の回転方向を正転と逆転とで切替可能なクラッチ２２とが船体１に設けられている。更に、プロペラ２３の後方に配置されて略鉛直軸周りに回転して船体１を旋回させるための舵２６と、舵２６を回転させて当該舵２６の姿勢を変更する舵用電動機２５とが、船体１に設けられている。即ち、この固定プロペラ式の推進機構部２０は、操船者によるアクセルレバー３の操作に連動して推進用電動機２１を作動させてプロペラ２３を回転させることで、船体１を推進させる推進力を得ながら、操船者による操舵ハンドル２の操作に連動して舵用電動機２５を作動させて舵２６の姿勢を変更することで、船体１を旋回可能に構成されている。尚、この推進機構部２０では、上記推進用電動機２１と上記舵用電動機２５が、燃料電池１０の発電電力により作動する電力負荷である。
　また、図１に示す船舶１００の制御装置５０は、操船者によるアクセルレバー３の操作に連動して、船体１の推進方向を前進と後進とで切り替えることができる。即ち、操船者によるアクセルレバー３の操作に連動するクラッチ２２の回転方向の切替動作によって、プロペラ２３を正転させることで船体１を前進させることができ、プロペラ２３を逆転させることで船体１を後進させることができる。
　図２に示す船舶２００の推進機構部３０は、ポッド式に構成されており、船体１の推進力を得るプロペラ３３と、プロペラ３３を回転駆動させる推進用電動機３１とが、船体１に対して略鉛直軸周りで回転可能なポッド３２に設けられている。更に、ポッド３２を回転させて当該ポッド３２の姿勢を変更するポッド用電動機３５が、船体１に設けられている。即ち、このポッド式の推進機構部３０は、操船者によるアクセルレバー３の操作に連動して推進用電動機２１を作動させてプロペラ２３を回転させることで、船体１をポッド３２の姿勢に応じた方向へ推進させる推進力を得ながら、操船者による操舵ハンドル２の操作に連動してポッド用電動機３５を作動させてポッド３２の姿勢を変更することで、船体１を旋回可能に構成されている。尚、この推進機構部２０では、上記推進用電動機２１と上記舵用電動機２５が、燃料電池１０の発電電力により作動する電力負荷である。
　尚、本実施形態では、船舶１００，２００の推進機構部２０，３０を固定プロペラ式又はポッド式に構成したが、本発明に係る船舶用燃料電池システムでは、少なくとも推進用電動機２１，３１を備えるものであれば良く、別の方式の推進機構部を採用しても構わない。
　また、図２に示す船舶２００の制御装置５０は、操船者によるアクセルレバー３の操作に連動して、船体１の推進方向を前進と後進とで切り替えることができる。即ち、操船者によるアクセルレバー３の操作に連動するポッド用電動機３５の回転動作によって、ポッド３２の姿勢を前進姿勢（図２に示す姿勢）とした状態で推進用電動機３１によりプロペラ３３を回転させることで船体１を前進させることができ、ポッド用電動機３５によりポッド３２の姿勢を後進姿勢（図２に示す姿勢に対して前後反転させた姿勢）とした状態で推進用電動機３１によりプロペラ３３を回転させることで船体１を後進させることができる。
　船体１内には、上記推進用電動機２１，３１、舵用電動機２５、及びポッド用電動機３５とは別の電力負荷として、荷役用クレーンなどの作業機械や空調装置などの複数の船内機器５が設けられている。これら船内機器５の夫々には、電力の供給状態を切り替えるための電源スイッチ６が設けられている。
　燃料電池システム１０１，２０１には、燃料電池１０のカソード電極に対して酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給部１１Ａと、燃料電池１０のアノード電極に対して水素ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部１１Ｂとが設けられている。
　空気供給部１１Ａは、外気から取り込んだ空気を燃料電池１０のカソード電極に送る空気ポンプ等で構成されている。制御装置５０は、当該空気供給部１１Ａを構成する空気ポンプの回転数を制御して、燃料電池１０のカソード電極への空気供給量を調整可能に構成されている。
　燃料ガス供給部１１Ｂは、燃料ガスである水素ガスを高圧状態で貯留する水素ボンベと、当該水素ボンベから燃料電池１０のアノード電極に導入される燃料ガスの流量調整を行う水素供給弁等で構成されている。制御装置５０は、当該燃料ガス供給部１１Ｂを構成する水素供給弁の開度を制御して、燃料電池１０のアノード電極への燃料ガス供給量を調整可能に構成されている。
　図３に示すように、制御装置５０は、操船装置４の操作信号に基づいて推進機構部２０，３０の作動を制御する操舵制御を行う操舵制御部５９として機能すると共に、船体１の針路を目標針路に導くための自動操舵を行う自動操舵部５７としても機能する。この自動操舵部５７は、目標針路が予め設定されている場合において、ＧＰＳ等で検知される実際の針路が上記目標針路に対して乖離している場合に、実際の針路を目標針路に戻すべく自動的に操舵ハンドル２の操作を行うものとして構成されている。
　更に、制御装置５０は、後述する前後進切替操作検知部５１Ａ、急旋回操作検知部５１Ｂ、機器作動開始操作検知部５１Ｃ、負荷急増判定部５２、制御モード設定部５３、空気供給制御部５５Ａ、燃料ガス供給制御部５５Ｂ等の各種制御部としても機能する。
　そして、空気供給制御部５５Ａは、燃料電池１０への空気供給量が目標空気供給量になるように空気供給部１１Ａを制御し、燃料ガス供給制御部５５Ｂは、燃料電池１０への燃料ガス供給量が目標燃料ガス供給量になるように燃料ガス供給部１１Ｂを制御する。そして、これら目標空気供給量並びに目標燃料ガス供給量は、基本的に、燃料電池１０に対して要求される発電負荷に対して燃料電池１０の発電出力が追従するように決定される。
　しかしながら、空気供給制御部５５Ａについては、要求される発電負荷の急増に対して燃料電池１０への発電用空気の供給量を迅速に追従させて増加させることができない場合がある。このような場合、発電負荷に対する燃料電池１０の発電出力の応答性が低下する上に、燃料電池１０のカソード電極において空気が消費尽くされる所謂空気枯れが発生し、燃料電池１０の性能低下や損傷を招く虞がある。
　そこで、本実施形態の燃料電池システム１０１，２０１は、燃料電池１０への発電負荷が急増する可能性が高い場合、それを予測して予め燃料電池１０への空気の供給量を増加させるべく上記目標空気供給量を決定するように構成されている。このことで、推進機構部２０，３０や船内機器５の応答性を低下させることなく、カソード電極での空気枯れに起因する燃料電池１０の性能低下や損傷を抑制することができる。以下にその詳細について説明を加える。
　空気供給制御部５５Ａは、図４に示すフローに沿って、空気供給部１１Ａによる燃料電池１０への空気供給量を制御する空気供給制御を実行するように構成されている。
　即ち、この空気供給制御では、詳細については後述するが負荷急増判定部５２によって燃料電池１０の発電負荷の急増が予測される負荷急増状態であるか否かの判定処理（ステップ＃１、図５～図７参照）が行われる。そして、判定処理（ステップ＃１）により上記負荷急増状態ではない通常負荷状態であると判定された場合には通常供給制御（ステップ＃２）が実行され、判定処理（ステップ＃１）により上記負荷急増状態であると判定された場合には所定の急増供給制御（ステップ＃３）が実行される。
　尚、上記通常供給制御（ステップ＃２）では、目標空気供給量Ａｏが、燃料電池１０が要求される発電負荷ｘに相当する電力を発電するのに必要な必要空気供給量ＡＬ（ｘ）に決定される。一方、上記急増供給制御（ステップ＃３）では、目標空気供給量Ａｏが、燃料電池１０が要求される発電負荷ｘに相当する電力を発電するのに必要な必要空気供給量ＡＬ（ｘ）よりも大きいものに決定される。例えば、目標空気供給量Ａｏは、上記必要空気供給量ＡＬ（ｘ）に１よりも大きい係数Ｒを乗じた供給量に決定したり、空気供給部１１Ａの供給可能範囲内での最大空気供給量Ａｍａｘに決定することができる。
　そして、このような構成により、燃料電池１０への発電負荷が急増する可能性が高い場合、それを予測して予め燃料電池１０への空気の供給量を増加させておくことができる。
　次に、負荷急増状態であるか否かの判定処理の詳細について説明を加える。
　図３に示す前後進切替操作検知部５１Ａは、船体１の推進方向が前進と後進との間で切り替わる前後進切替操作を検知するものとして構成されている。
　前後進切替操作検知部５１Ａは、操船者がアクセルレバー３による前進と後進との間の推進方向の切替操作を上記前後進切替操作として検知する。例えば、操船者により推進用電動機２１，３１の推進方向を反転させるためのアクセルレバー３の操作が検知され、且つ、推進用電動機２１の出力指令値の変化率が所定値以上となった場合に、前後進切替操作が行われたとする形態で、前後進切替操作検知部５１Ａは推進用電動機２１の推進方向及び出力に基づいて前後進切替操作が行われたか否かを検知することができる。尚、前後進切替操作検知部５１Ａによる前後進切替操作の検知方法については、推進用電動機２１の推進方向及び出力に基づくものに限らず、適宜改変可能である。
　図３に示す急旋回操作検知部５１Ｂは、船体１の急旋回操作を検知するものとして構成されている。
　急旋回操作検知部５１Ｂは、操舵ハンドル２の舵角を検知し、当該検知した舵角が設定舵角以上である場合に、その操舵ハンドル２への操舵を急旋回操作として検知する。
　更に、急旋回操作検知部５１Ｂは、目標針路に対して実際の針路がなす針路乖離角度が所定の設定角度以上であるときの上記自動操舵部５７による自動操舵についても、急旋回操作として検知することができる。
　また、急旋回操作検知部５１Ｂにおいて、上記のような自動操舵を急旋回操作として検知した場合において、当該自動操舵中の針路乖離角度が所定の設定角度未満となった場合には、後の旋回では発電負荷の急増を伴う急旋回が行われないとして、当該急旋回操作の検知が解除される。尚、急旋回操作検知部５１Ｂによる急旋回操作の検知方法については、操舵ハンドル２の舵角や自動操舵の状態に基づくものに限らず、適宜改変可能である。
　図３に示す機器作動開始操作検知部５１Ｃは、荷役用クレーンなどの作業機械や空調装置などの船内機器５の作動開始操作を検知するものとして構成されている。
　機器作動開始操作検知部５１Ｃは、夫々の船内機器５に対して設置された電源スイッチ６の投入操作を作動開始操作として検知することができる。尚、機器作動開始操作検知部５１Ｃによる船内機器５の作動開始操作の検知方法については、電源スイッチ６の投入状態に基づくものに限らず、適宜改変可能である。
　負荷急増判定部５２は、図５～図７に示すような第１～第３判定処理を実行して、燃料電池１０の発電負荷の急増が予測される負荷急増状態であるか否かを判定するものとして構成されている。
　図５に示す第１判定処理では、上記前後進切替操作検知部５１Ａの検知結果に基づいて上記負荷急増状態であるか否かが判定される。即ち、前後進切替操作検知部５１Ａで前後進操作が検知された状態（ステップ＃１１のｙｅｓ）が、燃料電池１０の発電負荷の急増が予測される負荷急増状態であると判定される（ステップ＃１４）。一方、前後進切替操作検知部５１Ａで前後進操作が検知されていない状態（ステップ＃１１のＮｏ）が、上記負荷急増状態ではない通常状態であると判定される（ステップ＃１２）。
　また、この第１判定処理において、船体１の推進速度Ｓが所定の設定推進速度Ｓ１以下であるか否かが判定される（ステップ＃１３）。そして、船体１の推進速度Ｓが設定推進速度Ｓ１以下であるとき（ステップ＃１３のｙｅｓ）には、例え前後進切替操作が行われた場合であっても推進用電動機２１の回転負荷の急増はないことから、負荷急増状態であるとの判定が禁止されて、通常状態であると判定される（ステップ＃１２）。尚、上記船体１の推進速度Ｓについては、直接的に計測することもできるが、プロペラ２３の回転速度から推定することもできる。
　尚、本実施形態では、船体１の推進速度が所定の設定推進速度Ｓ以下である場合には、負荷急増状態であるとの判定を禁止するようにしたが、このような処理は適宜改変又は省略することができる。
　また、この第１判定処理において、一旦負荷急増状態であると判定された場合（ステップ＃１４）には、燃料電池１０の発電負荷の増加割合が所定の設定割合未満に維持されて燃料電池１０の発電負荷が安定している状態での経過時間Ｔが計測され、その経過時間Ｔが所定の設定経過時間Ｔ１を超えるか否かが判定される（ステップ＃１５）。そして、経過時間Ｔが設定経過時間Ｔ１を超えるまでの間（ステップ＃１５のｎｏ）、言い換えれば燃料電池１０の発電負荷が安定状態となるまでの間は、前後進切替操作が検知されなくなっても、負荷急増状態であるとの判定の解除が禁止されて、負荷急増状態であるとの判定（ステップ＃１４）が維持される。また、経過時間Ｔが設定経過時間Ｔ１を超えた場合（ステップ＃１５のｙｅｓ）には、燃料電池１０の発電負荷が安定したとして、通常状態であると判定される（ステップ＃１２）。
　尚、本実施形態では、負荷急増状態であるとの判定時において、燃料電池１０の発電負荷が安定状態となるまでの間は負荷急増状態であるとの判定の解除を禁止するようにしたが、このような処理は適宜改変又は省略することができる。
　そして、以上のような第１判定処理によって負荷急増状態であると判定された場合には、空気供給制御部５５Ａによって上述した急増供給制御（図４のステップ＃３）が実行されて、目標空気供給量が必要空気供給量よりも大きいものに設定されることで、燃料電池１０への空気供給量が上記通常負荷状態であると判定された場合よりも大きくなる。よって、船体１の推進方向の反転に起因して燃料電池１０への発電負荷が急増する可能性が高い場合、それを予測して予め燃料電池１０への空気の供給量を増加させておくことができる。
　図６に示す第２判定処理では、上記急旋回操作検知部５１Ｂの検知結果に基づいて上記負荷急増状態であるか否かが判定される。即ち、急旋回操作検知部５１Ｂで急旋回操作が検知された状態（ステップ＃２１のｙｅｓ）が、燃料電池１０の発電負荷の急増が予測される負荷急増状態であると判定される（ステップ＃２４）。一方、急旋回操作検知部５１Ｂで急旋回操作が検知されていない状態（ステップ＃２１のＮｏ）が、上記負荷急増状態ではない通常状態であると判定される（ステップ＃２２）。
　また、この第２判定処理において、船体１の推進速度Ｓが所定の設定推進速度Ｓ１以下であるか否かが判定される（ステップ＃２３）。そして、船体１の推進速度Ｓが設定推進速度Ｓ１以下であるとき（ステップ＃２３のｙｅｓ）には、例え急旋回操作が行われた場合であっても推進用電動機２１の回転負荷の急増はないことから、負荷急増状態であるとの判定が禁止されて、通常状態であると判定される（ステップ＃２２）。尚、上記船体１の推進速度Ｓについては、直接的に計測することもできるが、プロペラ２３の回転速度から推定することもできる。
　尚、本実施形態では、船体１の推進速度が所定の設定推進速度Ｓ以下である場合には、負荷急増状態であるとの判定を禁止するようにしたが、このような処理は適宜改変又は省略することができる。
　また、この第２判定処理において、一旦負荷急増状態であると判定された場合（ステップ＃２４）には、燃料電池１０の発電負荷の増加割合が所定の設定割合未満に維持されて燃料電池１０の発電負荷が安定している状態での経過時間Ｔが計測され、その経過時間Ｔが所定の設定経過時間Ｔ１を超えるか否かが判定される（ステップ＃２５）。そして、経過時間Ｔが設定経過時間Ｔ１を超えるまでの間（ステップ＃２５のｎｏ）、言い換えれば燃料電池１０の発電負荷が安定状態となるまでの間は、急旋回操作が検知されなくなっても、負荷急増状態であるとの判定の解除が禁止されて、負荷急増状態であるとの判定（ステップ＃２４）が維持される。また、経過時間Ｔが設定経過時間Ｔ１を超えた場合（ステップ＃２５のｙｅｓ）には、燃料電池１０の発電負荷が安定したとして、通常状態であると判定される（ステップ＃２２）。
　尚、本実施形態では、負荷急増状態であるとの判定時において、燃料電池１０の発電負荷が安定状態となるまでの間は負荷急増状態であるとの判定の解除を禁止するようにしたが、このような処理は適宜改変又は省略することができる。
　そして、以上のような第２判定処理によって負荷急増状態であると判定された場合には、空気供給制御部５５Ａによって上述した急増供給制御（図４のステップ＃３）が実行されて、目標空気供給量が必要空気供給量よりも大きいものに設定されることで、燃料電池１０への空気供給量が上記通常負荷状態であると判定された場合よりも大きくなる。よって、急旋回に起因して燃料電池１０への発電負荷が急増する可能性が高い場合、それを予測して予め燃料電池１０への空気の供給量を増加させておくことができる。
　図７に示す第３判定処理では、上記機器作動開始操作検知部５１Ｃの検知結果に基づいて上記負荷急増状態であるか否かが判定される。即ち、機器作動開始操作検知部５１Ｃで船内機器５の作動開始操作が検知された状態（ステップ＃３１のｙｅｓ）が、燃料電池１０の発電負荷の急増が予測される負荷急増状態であると判定される（ステップ＃３４）。一方、機器作動開始操作検知部５１Ｃで船内機器５の作動開始操作が検知されていない状態（ステップ＃３１のＮｏ）が、上記負荷急増状態ではない通常状態であると判定される（ステップ＃２２）。
　また、この第３判定処理において、一旦負荷急増状態であると判定された場合（ステップ＃３４）には、燃料電池１０の発電負荷の増加割合が所定の設定割合未満に維持されて燃料電池１０の発電負荷が安定している状態での経過時間Ｔが計測され、その経過時間Ｔが所定の設定経過時間Ｔ１を超えるか否かが判定される（ステップ＃３５）。そして、経過時間Ｔが設定経過時間Ｔ１を超えるまでの間（ステップ＃３５のｎｏ）、言い換えれば燃料電池１０の発電負荷が安定状態となるまでの間は、作動開始操作が検知されなくなっても、負荷急増状態であるとの判定の解除が禁止されて、負荷急増状態であるとの判定（ステップ＃３４）が維持される。また、経過時間Ｔが設定経過時間Ｔ１を超えた場合（ステップ＃３５のｙｅｓ）には、燃料電池１０の発電負荷が安定したとして、通常状態であると判定される（ステップ＃３２）。
　尚、本実施形態では、負荷急増状態であるとの判定時において、燃料電池１０の発電負荷が安定状態となるまでの間は負荷急増状態であるとの判定の解除を禁止するようにしたが、このような処理は適宜改変又は省略することができる。
　そして、以上のような第３判定処理によって負荷急増状態であると判定された場合には、空気供給制御部５５Ａによって上述した急増供給制御（図４のステップ＃３）が実行されて、目標空気供給量が必要空気供給量よりも大きいものに設定されることで、燃料電池１０への空気供給量が上記通常負荷状態であると判定された場合よりも大きくなる。よって、船内機器５の作動に起因して燃料電池１０への発電負荷が急増する可能性が高い場合、それを予測して予め燃料電池１０への空気の供給量を増加させておくことができる。
　また、この第３判定処理では、機器作動開始操作検知部５１Ｃでの作動開始操作の検知によって負荷急増状態であると判定された場合（ステップ＃３４）には、制御モード設定部５３により制御モード設定処理（ステップ＃３３）が実行される。この制御モード設定処理（ステップ＃３３）では、空気供給制御部５５Ａで実行する制御モードが複数の制御モードから選択されて設定される。具体的に、空気供給制御部５５Ａは、負荷急増判定部５２で負荷急増状態であると判定したときの制御モードとして、目標空気供給量が最も大きいものに決定される大負荷制御モードと、目標空気供給量が大負荷制御モードよりも小さいものに決定される中負荷制御モードと、目標空気供給量が中負荷制御モードよりも小さいものに決定される小負荷制御モードと、を有する。
　そして、制御モード設定処理（ステップ＃３３）では、例えば作業者によるモード設定スイッチ５３ａに対する手動の制御モード設定操作や複数の船内機器５のうちの電源スイッチ６の投入数に応じて、大負荷制御モード、中負荷制御モード、及び小負荷制御モードから上記空気供給制御部５５Ａで実行する制御モードが選択される。よって、作動する船内機器５の種類や数によって当該船内機器５の要求負荷の増加幅等が様々である場合でも、それに見合った適切な空気供給量の空気を燃料電池１０に予め供給しておくことができる。
　更に、第３判定処理において継続して負荷急増状態であると判定された場合には、上記制御モード設定処理（ステップ＃３３）において、燃料電池１０の発電負荷に基づいて空気供給制御部５５Ａで実行する上記制御モードが切り替えられる。例えば、中負荷制御モードが選択されている状態において、燃料電池１０の発電負荷が所定値よりも低下した場合には、制御モードを小負荷制御モードに切り替え、燃料電池１０の発電負荷が所定値よりも増加した場合には、制御モードを大負荷制御モードに切り替えることができる。このことで、例えば作動する船内機器５の要求負荷が当初想定していたものとは大幅に変化した場合であっても、その要求負荷の変化に見合った適切な空気供給量の空気が燃料電池１０に供給されることになる。
　さらに、船内機器５の作動開始操作が検知された（ステップ＃３１のｙｅｓ）直後のモード設定処理（ステップ＃３３）では、上記空気供給制御部５５Ａで実行する制御モードが目標空気供給量の最も大きい上記大負荷制御モードに設定される。このことで、作業開始操作の検知に続いて発生する船内機器５の実際の要求負荷が想定していたものよりも大きかった場合であっても、燃料電池１０に対して予め充分な空気供給量の空気が供給されているので、燃料電池１０のカソード電極での空気枯れが回避される。また、その後、燃料電池１０の実際の発電負荷が低くなった場合には、上述のように制御モード設定処理（ステップ＃３３）において制御モードが適宜中負荷制御モード及び小負荷制御モードに変更されて、船内機器５の要求負荷の変化に見合った適切な空気供給量の空気が燃料電池１０に供給されることになる。
　本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の各実施形態や各実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
　この出願は、日本で２０１９年３月１４日に出願された特願２０１９－０４７４３８号に基づく優先権を請求する。その内容はこれに言及することにより、本出願に組み込まれるものである。また、本明細書に引用された文献は、これに言及することにより、その全部が具体的に組み込まれるものである。
１　　　　　　　　　船体
４　　　　　　　　　操船装置
５　　　　　　　　　船内機器
１０　　　　　　　　燃料電池
１１Ａ　　　　　　　空気供給部（酸化剤ガス供給部）
２０，３０　　　　　推進機構部
２１，３１　　　　　推進用電動機
５１Ａ　　　　　　　前後進切替操作検知部
５１Ｂ　　　　　　　急旋回操作検知部
５１Ｃ　　　　　　　機器作動開始操作検知部
５２　　　　　　　　負荷急増判定部
５３　　　　　　　　制御モード設定部
５５Ａ　　　　　　　空気供給制御部（酸化剤ガス供給制御部）
５７　　　　　　　　自動操舵部
１００，２００　　　船舶
１０１，２０１　　　燃料電池システム

Claims (6)

  1. 　燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電した電力を船体の推進力を発生する推進用電動機に供給する燃料電池と、
    　前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
    　前記燃料電池への酸化剤ガス供給量が目標酸化剤ガス供給量になるように前記酸化剤ガス供給部を制御する酸化剤ガス供給制御部と、を備えた船舶用燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池から供給される電力を消費する前記推進用電動機とは別の船内機器が船内に設置されており、
    　前記船内機器の作動開始操作を検知する機器作動開始操作検知部と、
    　前記機器作動開始操作検知部の検知結果に基づいて前記燃料電池の発電負荷の急増が予測される負荷急増状態であるか否かを判定する負荷急増判定部と、を備え、
    　前記酸化剤ガス供給制御部が、前記負荷急増判定部で前記負荷急増状態であると判定したときの前記目標酸化剤ガス供給量を、前記負荷急増判定部で前記負荷急増状態でないと判定したときよりも大きく設定する船舶用燃料電池システム。
  2. 　前記機器作動開始操作検知部が、前記船内機器の電源投入操作を前記作動開始操作として検知する請求項１に記載の船舶用燃料電池システム。
  3. 　前記酸化剤ガス供給制御部が、前記負荷急増判定部で前記負荷急増状態であると判定したときの制御モードとして前記目標酸化剤ガス供給量が異なる複数の制御モードを有すると共に、
    　前記酸化剤ガス供給制御部の制御モードを設定可能な制御モード設定部を備えた請求項１又は２に記載の船舶用燃料電池システム。
  4. 　前記制御モード設定部が、前記燃料電池の発電負荷に基づいて前記酸化剤ガス供給制御部の制御モードを切り替える請求項３に記載の船舶用燃料電池システム。
  5. 　前記制御モード設定部が、前記機器作動開始操作検知部で前記船内機器の作動開始操作が検知された直後の前記酸化剤ガス供給制御部の制御モードを、前記目標酸化剤ガス供給量が最も大きい大負荷制御モードに設定する請求項４に記載の船舶用燃料電池システム。
  6. 　船体と、当該船体の推進力を発生する推進用電動機と、を備え、
    　燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電した電力を前記推進用電動機に供給する燃料電池を有する請求項１～５の何れか１項に記載の船舶用燃料電池システムを備えた船舶。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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