特許 5948210 車両に搭載される燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5948210

(24)【登録日】2016年6月10日

(45)【発行日】2016年7月6日

(54)【発明の名称】車両に搭載される燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20160623BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20160623BHJP

   B60L 11/18 20060101ALI20160623BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 P

   H01M8/00 Z

   B60L11/18 G

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-228102(P2012-228102)

(22)【出願日】2012年10月15日

(65)【公開番号】特開2014-82056(P2014-82056A)

(43)【公開日】2014年5月8日

【審査請求日】2015年8月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147500

【弁理士】

【氏名又は名称】田口 雅啓

(74)【代理人】

【識別番号】100166235

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100179914

【弁理士】

【氏名又は名称】光永 和宏

(72)【発明者】

【氏名】松浦 章雄

【審査官】 大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−１４９９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０９５１０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２３８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０１７５９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００，８／０４−８／０６６８

Ｂ６０Ｌ １１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両に搭載される燃料電池システムであって、
車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、
前記車両負荷と並列に前記燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、
前記キャパシタの開回路電圧に基づいて、前記燃料電池スタックの発電電力を、所定の最低電力、所定の中間電力および所定の最大電力の３段階に切り替える制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックが前記所定の中間電力で発電している際に、前記キャパシタの開回路電圧が所定の閾値を下回ると、前記燃料電池スタックの発電電力を前記所定の中間電力から前記所定の最大電力に切り替え、
前記所定の閾値は、前記所定の最大電力、前記所定の中間電力、前記キャパシタの容量、前記キャパシタの許容最低電圧および前記発電電力が前記所定の中間電力から前記所定の最大電力まで上昇する際の電力上昇率に基づいて定められることを特徴とする、車両に搭載される燃料電池システム。

【請求項2】

前記所定の閾値は、該所定の閾値をＶ_ＴＨ１、前記所定の最大電力をＰ_Ｈ、前記所定の中間電力をＰ_Ｍ、前記キャパシタの容量をＣ、前記キャパシタの許容最低電圧をＶ_ｍｉｎ、前記電力上昇率をαとすると、

【数1】

によって定められることを特徴とする、請求項１に記載の車両に搭載される燃料電池システム。

【請求項3】

前記所定の中間電力は、前記車両を所定期間に渡って使用することによって算出される該車両の平均消費電力に設定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の車両に搭載される燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムを搭載したフォークリフトや乗用車等の産業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、発電電力の変動は燃料電池スタックの劣化の原因となるため、燃料電池スタックの劣化を防ぐためには、発電電力の変動を最大限抑えて一定電力で発電することが好ましい。例えば特許文献１には、燃料電池スタックの発電電力を連続的に変化させずに所定の３段階に制御する燃料電池システムが記載されている。このようなシステムでは、燃料電池スタックに接続される負荷と並列にキャパシタが接続されており、燃料電池スタックの発電電力が負荷の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタに充電され、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から放電される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭６４−３８９６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のように燃料電池スタックの発電電力を３段階に制御するシステムにおいて、例えば燃料電池スタックの発電電力を所定の中間電力から最大電力に切り替える場合、発電電力が中間電力から最大電力まで上昇するのには一定の時間を要する。そのため、負荷に対する安定した電力供給を維持するためには、この間に不足する電力をキャパシタからの放電電力で補わなくてはならない。理想的には、発電電力の切り替え時に不足する電力量とその際にキャパシタから放電可能な最大電力量とが等しければ、キャパシタの容量を最大限有効利用していることになり、キャパシタを小型化することができる。しかしながら、従来そのような技術は存在せず、余裕をもって過度に大容量のキャパシタを選択しているのが現状である。

【0005】

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、発電電力の切り替え時にキャパシタの容量を最大限有効利用することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、この発明に係る車両に搭載される燃料電池システムは、車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、車両負荷と並列に燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、キャパシタの開回路電圧に基づいて、燃料電池スタックの発電電力を、所定の最低電力、所定の中間電力および所定の最大電力の３段階に切り替える制御手段とを備え、制御手段は、燃料電池スタックが所定の中間電力で発電している際に、キャパシタの開回路電圧が所定の閾値を下回ると、燃料電池スタックの発電電力を所定の中間電力から所定の最大電力に切り替え、所定の閾値は、所定の最大電力、所定の中間電力、キャパシタの容量、キャパシタの許容最低電圧および発電電力が所定の中間電力から所定の最大電力まで上昇する際の電力上昇率に基づいて定められることを特徴とする。

【0007】

好適には、上記所定の閾値は、当該所定の閾値をＶ_ＴＨ１、所定の最大電力をＰ_Ｈ、所定の中間電力をＰ_Ｍ、キャパシタの容量をＣ、キャパシタの許容最低電圧をＶ_ｍｉｎ、電力上昇率をαとすると、

【数1】

によって定められる。

【0008】

所定の中間電力は、車両を所定期間に渡って使用することによって算出される当該車両の平均消費電力に設定することができる。

【発明の効果】

【0009】

この発明に係る車両に搭載される燃料電池システムによれば、発電電力の切り替え時にキャパシタの容量を最大限有効利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】この発明の実施の形態に係る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。

【図2】この発明の実施の形態に係る車両に搭載される燃料電池システムにおけるキャパシタの開回路電圧と燃料電池スタックの発電電力の時間遷移を示す図である。

【図3】この発明の実施の形態に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける発電電力の切り替え時における時間遷移の詳細を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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に搭載される燃料電池システム１００の構成を図１に示す。

【0012】

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、水素ガスを供給可能な水素タンク２と、酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ３とを備えており、水素タンク２から供給される水素とコンプレッサ３から供給される空気中の酸素とが燃料電池スタック１内で化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが生成される。燃料電池スタック１と水素タンク２との間には、燃料電池スタック１に供給される水素ガス量を調整するための電磁弁４が設けられており、電磁弁４およびコンプレッサ３は後述する電子制御ユニット（ＥＣＵ）８によって制御される。

【0013】

燃料電池スタック１の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して車両負荷２０に接続されており、燃料電池スタック１で発電された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５によって所定の電圧まで降圧された後、車両負荷２０に出力される。

【0014】

車両負荷２０は、具体的には産業車両の荷役装置を駆動するための荷役モータや車軸を駆動するための走行モータ等であり、燃料電池システム１００から供給される電力によって荷役モータや走行モータが駆動されることによって、車両の荷役動作や走行動作が行われる。

【0015】

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力には、車両負荷２０と並列にキャパシタ６が接続されている。燃料電池スタック１の発電電力Ｐ_Ｇが車両負荷２０の要求電力Ｐ_Ｗを上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ６に充電され、発電電力Ｐ_Ｇが要求電力Ｐ_Ｗを下回る場合には、不足分の電力がキャパシタ６から放電される。また、キャパシタ６には、電圧推定器７が取り付けられている。電圧推定器７は、キャパシタ６に入出力される電流を積算することによってキャパシタ６の充電量を求め、当該充電量に基づいてキャパシタ６の開回路電圧（ＯＣＶ）を推定する。

【0016】

さらに、燃料電池システム１００は、マイクロコンピュータによって構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）８を備えている。ＥＣＵ８は、電圧推定器７によって推定されるキャパシタ６の開回路電圧Ｖ_Ｃに基づいて、電磁弁４の開度とコンプレッサ３の吐出量を制御することによって、燃料電池スタック１に供給される水素と酸素の量を調整し、燃料電池スタック１の発電電力Ｐ_Ｇを制御する。

【0017】

前述したように、燃料電池スタック１の劣化を防ぐためには、その発電電力Ｐ_Ｇの変動を最大限抑えて一定電力で発電することが好ましい。そのため、ＥＣＵ８は、燃料電池スタック１の発電電力Ｐ_Ｇを、所定の最低電力Ｐ_Ｌ、中間電力Ｐ_Ｍ、最大電力Ｐ_Ｈの３段階に制御する。ここで、最大電力Ｐ_Ｈは、産業車両が最大高負荷で動作する際に車両負荷２０が要求する電力の最大値として定義され、最低電力Ｐ_Ｌは、燃料電池スタック１が劣化を伴うことなく発電可能な電力の最低値として定義され、中間電力Ｐ_Ｍは、最大電力Ｐ_Ｈと最低電力Ｐ_Ｌとの間の所定値として定義される。

【0018】

ＥＣＵ８は、電圧推定器７によって推定されるキャパシタ６の開回路電圧Ｖ_Ｃを常時監視し、図２に示されるように、キャパシタ６の開回路電圧Ｖ_Ｃが所定の第１閾値Ｖ_ＴＨ１と第２閾値Ｖ_ＴＨ２との間にある通常時には、燃料電池スタック１の発電電力Ｐ_Ｇを中間電力Ｐ_Ｍに設定する。また、ＥＣＵ８は、車両負荷２０の要求電力Ｐ_Ｗの増加等に起因してキャパシタ６の充電量が減少し、その開回路電圧Ｖ_Ｃが所定の第１閾値Ｖ_ＴＨ１を下回ったことを検知すると、発電電力Ｐ_Ｇを中間電力Ｐ_Ｍから最大電力Ｐ_Ｈに切り替え、開回路電圧Ｖ_Ｃが上昇して第１閾値Ｖ_ＴＨ１を上回ったことを検知すると、発電電力Ｐ_Ｇを再び中間電力Ｐ_Ｍに切り替える。また、ＥＣＵ８は、キャパシタ６の充電量が増加してその開回路電圧Ｖ_Ｃが所定の第２閾値Ｖ_ＴＨ２を上回ったことを検知すると、発電電力Ｐ_Ｇを中間電力Ｐ_Ｍから最低電力Ｐ_Ｌに切り替え、開回路電圧Ｖ_Ｃが低下して第２閾値Ｖ_ＴＨ２を下回ったことを検知すると、発電電力Ｐ_Ｇを再び中間電力Ｐ_Ｍに切り替える。

【0019】

ここで、上記所定の第１閾値Ｖ_ＴＨ１の定め方について説明する。燃料電池スタック１の発電電力Ｐ_Ｇを中間電力Ｐ_Ｍから最大電力Ｐ_Ｈに切り替える際には、ＥＣＵ８は、電磁弁４の開度とコンプレッサ３の吐出量を制御することによって、燃料電池スタック１に供給される水素と酸素の量を増加させ、発電電力Ｐ_Ｇを最大電力Ｐ_Ｈまで上昇させる。この際、図３に詳細に示されるように、時刻ｔ_０において切り替えを開始しても、発電電力Ｐ_Ｇが中間電力Ｐ_Ｍから最大電力Ｐ_Ｈまで上昇するのには一定時間τを要する。そのため、車両負荷２０の要求電力Ｐ_Ｗが最大電力Ｐ_Ｈに等しいクリティカルケースにおいても車両負荷２０に対する安定した電力供給を維持するためには、この一定時間τの間に不足する電力量（図中に斜線で示される領域）Ｗ_Ａを、キャパシタ６からの放電電力で補わなくてはならない。

【0020】

このとき、上記第１閾値Ｖ_ＴＨ１の定義から、切り替え開始時ｔ_０におけるキャパシタ６の開回路電圧はＶ_ＴＨ１であり、キャパシタ６の許容最低電圧をＶ_ｍｉｎ、キャパシタ６の容量をＣとすると、キャパシタ６が放電可能な電力量Ｗ_Ｃは

【0021】

【数2】

【0022】

と表される。この放電可能電力量Ｗ_Ｃによって不足電力量Ｗ_Ａを補うためには、

【0023】

【数3】

【0024】

の関係を満たす必要がある。さらに、背景技術の説明において述べたように、キャパシタ６の容量を最大限有効利用するためには、放電可能電力量Ｗ_Ｃと不足電力量Ｗ_Ａとが等しくなり、

【0025】

【数4】

【0026】

の関係を満たすのが理想的である。

【0027】

この式（３）に式（１）を代入し、Ｖ_ＴＨ１について整理すると、

【0028】

【数5】

【0029】

の関係が得られる。

【0030】

また、図３において、発電電力Ｐ_Ｇが中間電力Ｐ_Ｍから最大電力Ｐ_Ｈまで上昇する際の変化が直線的であると仮定すると、不足電力量Ｗ_Ａは

【0031】

【数6】

【0032】

によって近似することでき、この式（５）を式（４）に代入すると、

【0033】

【数7】

【0034】

の関係が得られる。さらに、発電電力Ｐ_Ｇが中間電力Ｐ_Ｍから最大電力Ｐ_Ｈまで上昇する際の電力上昇率αを

【0035】

【数8】

によって定義して式（６）に代入すると、

【0036】

【数9】

【0037】

の関係が得られる。すなわち、最大電力Ｐ_Ｈ、中間電力Ｐ_Ｍ、キャパシタ容量Ｃ、キャパシタ許容最低電圧Ｖ_ｍｉｎ、電力上昇率αが与えられた際に、式（８）に従って第１閾値Ｖ_ＴＨ１を定めることによって、キャパシタ６の容量を最大限有効利用することができる。

【0038】

以上説明したように、こ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１００では、ＥＣＵ８は、燃料電池スタック１が所定の中間電力Ｐ_Ｍで発電している際に、キャパシタ６の開回路電圧Ｖ_Ｃが所定の第１閾値Ｖ_ＴＨ１を下回ると、燃料電池スタック１の発電電力Ｐ_Ｇを中間電力Ｐ_Ｍから最大電力Ｐ_Ｈに切り替える制御を行い、当該所定の第１閾値Ｖ_ＴＨ１は、上記式（８）に従って定められる。これにより、キャパシタ６の容量を最大限有効利用することができ、キャパシタ６を小型化することができる。

【0039】

その他の実施の形態．
上記の実施の形態において、燃料電池スタック１の劣化をさらに防ぐためには、発電電力Ｐ_Ｇの切り替え回数を最大限少なくすることが好ましい。本願の発明者による研究によれば、産業車両を例えば、１週間や１ヶ月など所定期間に渡って実際の作業に使用してその平均消費電力を算出し、上記所定の中間電力Ｐ_Ｍを算出された平均消費電力に設定することによって、発電電力Ｐ_Ｇの切り替え回数を大幅に少なくできることが分かっている。
なお、上記の実施の形態において、荷役装置を有する産業車両として説明したが、上記発明が適用可能である車両であれば特に限定されない。例えば、乗用車やフォークリフト、牽引車であってもよい。

【符号の説明】

【0040】

１００ 燃料電池システム、１ 燃料電池スタック、６ キャパシタ、８ ＥＣＵ（制御手段）、Ｐ_Ｇ 発電電力、Ｐ_Ｈ 最大電力、Ｐ_Ｍ 中間電力、Ｐ_Ｌ 最低電力、Ｖ_Ｃ キャパシタの開回路電圧、Ｖ_ＴＨ１ 第１閾値（閾値）、Ｖ_ｍｉｎ キャパシタの許容最低電圧、Ｃ キャパシタの容量、α 電力上昇率。

【図1】

【図2】

【図3】