JP2010263737A - 生成水霧化装置付き燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音の発生の小さい生成水霧化装置を有する燃料電池車両を提供する。
【解決手段】燃料電池で生成された生成水を霧状にして車体の外方に排出する生成水霧化装置３を備える燃料電池車両１であって、ベンチュリ部２６ｂを備える排気管２６に移動可能に設けられかつ生成水を排気管２６内へ排出し得るノズル４と、ノズル４の端部がベンチュリ部２６ｂの断面中心線２６ｄの近傍位置になる作動位置３ａと該作動位置３ａよりもベンチュリ部２６ｂに対応するノズル４の突出量が小さくなる退避位置３ｂにノズル４を移動させる移動装置７と、移動装置７を制御する制御装置８を有する。制御装置８は、燃料電池の電力によって駆動する駆動装置への電力が所定値以上の場合にノズル４を作動位置３ａに移動させ、駆動装置への電力が所定値より小さい際にノズル４を退避位置３ｂに移動させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池で生成された生成水を霧状にして車体の外方に排出するための生成水霧化装置を備える生成水霧化装置付き燃料電池車両に関する。

燃料電池車両は、例えば電力を生成する燃料電池と、電力生成時に燃料電池が生じる生成水を貯留し得るタンクと、タンク内の水を霧状にして車体の外方に排出する生成水霧化装置を有している（特許文献１参照）。従来の生成水霧化装置は、タンク内の水を吸入しかつ加圧するポンプと、加圧した水を霧状に噴射するノズルと、ポンプを制御する制御装置を有している。制御装置は、車両の走行速度が速いほどポンプの回転数を多くして霧状にし得る水の量を多くする。これによりノズルから排出された生成水が走行風によって好適に拡散されかつ迅速に気化され得る。

従来、エンジンの吸気管に設けられる気化器も知られている（特許文献２参照）。気化器は、例えば吸気管に移動可能に設けられるノズルと、ノズルを移動させる移動装置を制御するための制御装置を有している。制御装置は、吸気管に回転可能に設けられたスロットバルブの回転に連動してスロットバルブと吸気管の壁面の間に形成されるベンチュリ部の略中心位置にノズルの端部が位置するようにノズルを移動させる。これによりノズルから排出される燃料がベンチュリ部の中心近傍を流れる空気によって好適に気化され得る。

特開２００７−１４１４７５号公報 実開平３−７３６４８号公報

ところで燃料電池車両はエンジン車両に比べて騒音が少ない。そのため燃料電池車両では生成水霧化装置から発せられる騒音が問題になる場合がある。しかし特許文献１等の生成水霧化装置には騒音対策のための構造が設けられていない。なお特許文献１の生成水霧化装置は、異なる目的で水を加圧するポンプを制御しているが、ポンプを制御する場合は電力効率や応答性に優れないなどの問題がある。特許文献２の気化装置は、エンジン車両に設けられるために騒音対策を考慮する必要性がない。そこで本発明は、騒音の発生の小さい生成水霧化装置を有する燃料電池車両を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明は、各請求項に記載の通りの構成を備える生成水霧化装置付き燃料電池車両であることを特徴とする。請求項１に記載の発明によると、ベンチュリ部を備える排気管に移動可能に設けられかつ生成水を排気管内へ排出し得るノズルと、ノズルの端部がベンチュリ部の断面中心線の近傍位置になる作動位置と該作動位置よりもベンチュリ部に対応するノズルの突出量が小さくなる退避位置にノズルを移動させる移動装置と、移動装置を制御する制御装置を有している。制御装置は、燃料電池の電力によって駆動する駆動装置への電力が所定値以上の場合にノズルを作動位置に移動させ、駆動装置への電力が所定値より小さい際にノズルを退避位置に移動させる。

ところで騒音の大きさ（音響パワー）は、一般に管内を流れる気体の流速の８乗に比例する。そのため排気管内を流れる気体の流量が同じであれば、気体の流速が小さいほど、あるいは流速の不均一が小さい程、騒音が小さくなり得る。一方、霧状にされ得る水量は、流速が遅いベンチュリ部の内周面近傍から排出されるよりも流速が速いベンチュリ部の断面中心線近傍において排出される方が多くなる。

これに対して本発明は、駆動装置への電力が所定値以上であって駆動装置の駆動によって生じる音が大きい場合においてノズルが作動位置へ移動する。そのためノズルが作動位置へ移動して排気管のベンチュリ部に対応する領域がノズルによって狭くなることで騒音が大きくなった場合であっても、駆動装置の駆動による音によってノズルによる騒音が際立たなくなる。一方、ノズルが作動位置へ移動することで、ノズルから排出されて霧状になる水の量が多くなる。

また駆動装置への電力が所定値よりも小さい場合は、駆動装置の駆動によって生じる音が小さくなるが、ノズルが退避位置へ移動するために排気管のベンチュリ部に対応する領域が広くなる。これにより該領域における流速が遅くなり、該領域から生じ得る騒音が小さくなる。かくして生成水を霧状にする量を極力少なくすることなく、騒音の発生を抑制することができる。また制御装置は、ノズルの移動によって騒音の発生を調整するために応答性良く騒音の発生を調整し得る。

請求項２に記載の発明によると、車両が荷役装置を備える産業車両であって、駆動装置として走行用モータと荷役装置を駆動させる荷役装置用駆動装置を有している。制御装置は、走行用モータと荷役装置用駆動装置の少なくとも一つへの電力が各所定値以上の場合にノズルを作動位置に移動させる。そして走行用モータと荷役装置用駆動装置の両方への電力が各所定値よりも小さい場合にノズルを退避位置に移動させる。したがってノズルによる騒音は、走行用モータと荷役装置用駆動装置のいずれか一方の駆動によって生じ得る騒音によって際立たなくなる。一方、両方の駆動装置が停止または駆動が小さい場合は、ノズルが退避位置へ移動してノズルによる騒音が小さくなる。

請求項３に記載の発明によると、生成水を貯留し得るタンクから延出する導入管がノズルに接続される。燃料電池の排気側に排気管が接続される。制御装置は、燃料電池の排気量に対応して導入管に設けられたバルブの開度を制御してノズルから排気管内へ排出される生成水の量を調整する。したがって燃料電池からの排気量が多く、排気管内を流れる排気の流速が速い場合にノズルから排出される水の量を多くすることで多くの水を霧状にすることができる。一方、燃料電池からの排気量が少なく、排気管内を流れる排気の流速が遅い場合には、ノズルから排出される水の量を少なくすることで、水が霧状にされずに液体のまま排気管へ放出されることを抑制できる。

フォークリフトの側面図である。 燃料電池システムの構成図である。 生成水霧化装置の構成部品図である。 図３のIV―IV線一部断面図である。 燃料電池車両の制御装置に関する一部構成部品図である。

本発明の一つの実施形態を図１〜５にしたがって説明する。図１に示すように燃料電池車両１は、産業車両の一つである屋内などで使用されるフォークリフトであって荷役装置１２を有している。荷役装置１２は、車体１１の前部に立設されたマスト１２ａと、マスト１２ａに昇降可能に取付けられたリフトブラケット１２ｂと、リフトブラケット１２ｂに取付けられたフォーク１２ｃを有している。マスト１２ａには、油圧ポンプ１６と油圧ポンプ１６によって伸縮するリフトシリンダ１２ｄが設けられている。フォーク１２ｃとリフトブラケット１２ｂは、リフトシリンダ１２ｄとマスト１２ａによって昇降され得る。

図１に示すように燃料電池車両１は、車体１１の前下部に駆動輪（前輪）１３を有し、車体１１の後下部に後輪１４を有している。車体１１の前側内部には駆動輪１３に動力を付与する走行用モータ１５が設けられている。車体１１の後側内部には、燃料電池２０と水素タンク２１などを備える燃料電池システム２が設けられている。燃料電池２０が生成した電力は、走行用モータ１５や油圧ポンプ（荷役装置用駆動装置）１６などの各種駆動装置に供給される。

燃料電池システム２は、図２に示すように燃料電池２０と、生成水を貯留し得るタンク２５と、タンク２５内の水を霧状にする生成水霧化装置（気化器）３を有している。燃料電池２０は、例えば固体高分子型であって、アノード側に管路２７を介して水素タンク２１が接続される。これによりアノード側に水素タンク２１から水素が供給される。燃料電池２０のカソード側には管路２９を介して加湿器２３が接続され、加湿器２３には管路２８を介してコンプレッサ２２が接続される。したがってコンプレッサ２２によって酸化剤ガスである酸素を含む空気が加圧されて加湿器２３に供給される。そして加湿器２３において酸素に水分が供給され、該酸素を含む空気が燃料電池２０のカソード側に供給される。

燃料電池２０のアノードに供給された水素分子は、水素イオンになって電解質膜に含まれる水分を伴ってカソード側へ移動する。カソードに供給された空気中の酸素分子は、酸素イオンになって水素イオンと結合して生成水になる。生成水は、カソードに供給された空気の排気とともに管路３０を介して加湿器２３に供給され、一部が加湿器２３にて抽出されて再利用される。残りの生成水は、排気とともに管路３１を介して希釈器２４に排出される（カソード側の排気）。

燃料電池２０のカソード側の水や窒素の一部は、逆拡散してアノード側へ移動する。そしてアノード側においてこれらの濃度が高くなると発電効率が低下する。これを抑制するためにアノード側には図２に示すようにパージガス用管路３２が接続されている。管路３２に設けられた開閉弁３３は、燃料電池２０が所定時間稼動を継続した時点で燃料電池用制御装置８（図５参照）によって制御されて開放される。これによりアノード側に溜まった水分と窒素は水素ガスと共にパージガス用管路３２を介して希釈器２４側へ排出（掃気）される（アノード側の排気）。

希釈器２４には、図２に示すように管路３１，３２を介して燃料電池２０のカソード側の排気とアノード側の排気が供給される。これら排気は、比重差によって希釈器２４内において気体と液体（生成水）に分離され、液体になった生成水は落下してタンク２５内に貯留される。また希釈器２４内では、アノード側の排気に含まれる水素の濃度がカソード側の排気に含まれる空気によって希釈される。そして希釈器２４内の気体は、希釈器２４の排気口に接続された排気管２６へ排出される。

排気管２６は、図３に示すように入口側管部２６ａとベンチュリ部２６ｂと広がり管部２６ｃを一体に有している。入口側管部２６ａは、円筒状で全長において内外周径が略同じであり一端部が希釈器２４に接続される。ベンチュリ部２６ｂは、管の内周径の一部がくびれた部分であって入口側管部２６ａよりも内周径が小さい。広がり管部２６ｃは、ベンチュリ部２６ｂから出口部２６ｃ１に向けて徐々に内周径が大きくなっている。したがって排気管２６内を流れる気体は、ベンチュリ部２６ｂ内またはベンチュリ部２６ｂの近傍において最も速くなる。

図２，３に示すように生成水霧化装置３は、導入管５とノズル４を有している。導入管５は、タンク２５から延出してノズル４に接続されており、導入管５の途中にはバルブ６が設けられている。ノズル４は、外周面に雄ねじ４ｃを有しており、排気管２６のベンチュリ部２６ｂに形成された雌ねじ付きの取付孔２６ｄに螺合される。これによりノズル４は、導入管５に対して径方向に移動可能に取付けられる。ノズル４は、導入管５と連通する給水孔４ａを有している。ノズル４の基端部には、ギヤ４ｄが取付けられており、ギヤ４ｄに移動装置７のギヤ７ｃが噛合わされる。

移動装置７は、図３に示すようにモータ７ａと出力軸７ｂとギヤ７ｃを有している。モータ７ａは、ステッピングモータであって燃料電池用制御装置８（図５参照）によって制御されて出力軸７ｂを軸回転させる。これにより図３，４に示すようにノズル４は、ベンチュリ部２６ｂの内周面２６ｂ１に対する突出量が変わり、作動位置３ａと退避位置３ｂの間を移動する。作動位置３ａでは、ノズル４の先端部４ｂがベンチュリ部２６ｂの断面中心線２６ｄに近い位置（好ましくは断面中心線２６ｄ上）になる。退避位置３ｂでは、ノズル４の先端部４ｂがベンチュリ部２６ｂの内周面２６ｂ１の近傍に位置し、かつベンチュリ部２６ｂに対応する領域へのノズル４の突出量が小さくなり、好ましくはゼロになる。

図２，３に示すようにタンク２５内の気圧は燃料電池２０からの排気によって高くなり、排気管２６内の圧力は圧力損失によってタンク２５内の圧力よりも低くなる。またベンチュリ部２６ｂ内の圧力は、排気管２６を流れる気体によって入口側管部２６ａ内の圧力よりも低くなる。したがって前記圧力損失による圧力差またはベンチュリ部２６ｂにおける圧力低下を利用してタンク２５に貯留された水が導入管５に吸い上げられる。そして水は、導入管５とノズル４の給水孔４ａを通ってノズル４の先端部４ｂから排出される。

ノズル４の先端部４ｂに排出された水は、排気管２６内を流れる排気によって切り取られて霧状になる。特にベンチュリ部２６ｂの断面中心線２６ｄ近傍は、ベンチュリ部２６ｂの内周面近傍に比べて排気の流速が速いために、ノズル４の先端部４ｂから切り取られる水の量が多くなる。そして霧状になった水は、排気とともに排気管２６から車体１１（図１参照）の外の大気中へ排出される。

図５に示すように燃料電池用制御装置８は、産業車両用制御装置９と接続されており、産業車両用制御装置９は、各種駆動装置（走行用モータ１５、油圧ポンプ１６等）と接続されている。産業車両用制御装置９は、駆動装置１５，１６に所定の大きさの電力を供給し、かつ該電力の大きさを情報信号として燃料電池用制御装置８に送信する。燃料電池用制御装置８は、駆動装置への電力の大きさに応じて移動装置７を制御する。

例えば走行用モータ１５の供給電力が所定値以上の場合（走行時）あるいは油圧ポンプ１６の供給電力が所定値以上の場合（荷役時）において移動装置７を制御してノズル４を作動位置３ａに移動させる（図３，４参照）。走行用モータ１５と油圧ポンプ１６の供給電力が所定よりも小さい場合（停車時、低速時または掃気時）においてノズル４を退避位置３ｂに移動させる。

燃料電池用制御装置８には、図５に示すようにコンプレッサ２２と流量センサ３４が接続されている。流量センサ３４は、コンプレッサ２２の吸気口に設けられている。したがって流量センサ３４の出力信号は、コンプレッサ２２が燃料電池２０に供給する空気量に対応し、かつ燃料電池２０のカソード側から排出される排気量に対応している。燃料電池用制御装置８は、流量センサ３４の出力信号に基づいてバルブ６を制御する。例えば流量センサ３４の出力信号に基づいて燃料電池２０からの排気量が多いと判断した際に、バルブ６の開度を大きくしてノズル４から排出される水の量を多くする。逆に燃料電池２０からの排気量が少ないと判断した際に、バルブ６の開度を小さくしてノズル４から排出される水の量を少なくする。

以上のように燃料電池車両１は、図３に示すようにノズル４と移動装置７制御装置８を有している。制御装置８は、燃料電池２０の電力によって駆動する駆動装置１５，１６への電力が所定値以上の場合にノズル４を作動位置３ａに移動させ、駆動装置１５，１６への電力が所定値より小さい際にノズル４を退避位置３ｂに移動させる。

ところで騒音の大きさ（音響パワー）は、一般に管内を流れる気体の流速の８乗に比例する。そのため排気管２６内を流れる気体の流量が同じであれば、気体の流速が小さいほど、あるいは流速の不均一が小さい程、騒音が小さくなり得る。一方、霧状にされ得る水量は、流速が遅いベンチュリ部２６ｂの内周面近傍から排出されるよりも流速が速いベンチュリ部２６ｂの断面中心線２６ｄ近傍において排出される方が多くなる。

これに対して本形態は、駆動装置１５，１６への電力が所定値以上であって駆動装置１５，１６の駆動によって生じる音が大きい場合においてノズル４が作動位置３ａへ移動する。そのためノズル４が作動位置３ａへ移動して排気管２６のベンチュリ部２６ｂに対応する領域がノズル４によって狭くなることで騒音が大きくなった場合であっても、駆動装置１５，１６の駆動による音によってノズル４による騒音が際立たなくなる。一方、ノズル４が作動位置３ａへ移動することで、ノズル４から排出されて霧状にされ得る水の量が多くなる。

また駆動装置１５，１６への電力が所定値よりも小さい場合は、駆動装置１５，１６の駆動によって生じる音が小さくなるが、ノズル４が退避位置３ｂへ移動するため排気管２６のベンチュリ部２６ｂに対応する領域が広くなる。これにより該領域における流速が遅くなり、該領域から生じ得る騒音が小さくなる。かくして生成水を霧状にする量を極力少なくすることなく、騒音の発生を抑制することができる。また制御装置８は、ノズル４の移動によって騒音の発生を調整するために応答性良く騒音の発生を調整し得る。

また燃料電池車両１は、図１，５に示すように駆動装置として走行用モータ１５と油圧ポンプ（荷役装置用駆動装置）１６を有している。制御装置８は、走行用モータ１５と油圧ポンプ１６の少なくとも一つへの電力が各所定値以上の場合にノズル４を作動位置３ａに移動させる。そして走行用モータ１５と油圧ポンプ１６の両方への電力が各所定値よりも小さい場合にノズル４を退避位置３ｂに移動させる。

したがってノズル４による騒音は、走行用モータ１５と油圧ポンプ１６のいずれか一方の駆動によって生じ得る騒音によって際立たなくなる。例えば走行用モータ１５への電力が大きくなると（走行時）車両１の速度が速くなって車輪（駆動輪１３と後輪１４）と床面間のロードノイズが大きくなる。油圧ポンプ１６への電力が大きくなると（荷役時）油圧ポンプ１６および油圧ポンプ１６によって駆動する荷役装置１２の各種部材、例えばマスト１２ａに懸架された図示省略のチェーンやリフトシリンダ１２ｄ等が発する音が大きくなる。これによりノズル４による騒音が際立たなくなる。一方、両方の駆動装置１５，１６が停止または駆動が小さい場合は、ノズル４が退避位置３ｂへ移動してノズル４による騒音が小さくなる。

また図２，３に示すように燃料電池２０の排気側に排気管２６が接続される。制御装置８は、燃料電池２０の排気量に対応して導入管５に設けられたバルブ６の開度を制御してノズル４から排気管２６内へ排出される生成水の量を調整する。したがって燃料電池２０からの排気量が多く、排気管２６内を流れる排気の流速が速い場合にノズル４から排出される水の量を多くすることで多くの水を霧状にすることができる。一方、燃料電池２０からの排気量が少なく、排気管２６内を流れる排気の流速が遅い場合には、ノズル４から排出される水の量を少なくすることで、水が霧状にされずに液体のまま排気管２６へ放出されることを抑制できる。

また図２に示すように排気管２６の下流側にはマフラーが設けられていない。そのため排気管２６の排気に含まれている水がマフラーによって液化される問題が生じない。またマフラーを設けるスペースも不要である。

（他の実施の形態）
本発明は、上記実施の形態に限定されず以下の形態等であっても良い。例えば図３に示すノズル４は、排気管２６のベンチュリ部２６ｂに移動可能に設けられている。しかし入口側管部２６ａまたは広がり管部２６ｃにノズルが移動可能に設けられ、ノズルが作動位置に移動することでノズルの端部がベンチュリ部２６ｂの近傍または内部においてベンチュリ部２６ｂの断面中心線２６ｄの近傍位置になり、ノズルが退避位置に移動することでノズルのベンチュリ部２６ｂに対応する領域（軸方向の平行領域）への突出量が小さくなる形態であっても良い。

図３に示す移動装置７は、ギヤ７ｃとギヤ４ｄを介してノズル４を軸回転させている。しかし移動装置がノズルを直接、軸回転させるモータを有していても良い。または移動装置が気圧（例えばコンプレッサ２２によって生じた気圧）あるいは液圧（例えば導入管５の水圧）を利用してノズルを移動させても良い。

図１に示す燃料電池車両１は、荷役装置１２を駆動させる駆動装置として油圧ポンプ１６を有している。しかし油圧ポンプ１６に代えてモータを有し、モータによって各種荷役装置を駆動させても良い。燃料電池車両１は、産業車両であるが自動車やバスなどの車両であって、駆動装置として走行用モータを有していても良い。

図２に示すノズル４は、排気管２６に設けられており、排気管２６は燃料電池２０の排気側に接続されている。しかしコンプレッサに接続された排気管を有しており、その排気管にノズルが移動可能に設けられていても良い。

１…燃料電池車両
２…燃料電池システム
３…生成水霧化装置
３ａ…作動位置
３ｂ…退避位置
４…ノズル
４ｂ…先端部
５…導入管
６…バルブ
７…移動装置
８…燃料電池用制御装置
９…産業車両用制御装置
１２…荷役装置
１５…走行用モータ（駆動装置）
１６…油圧ポンプ（荷役装置用駆動装置）
２０…燃料電池
２５…タンク
２６…排気管
２６ｂ…ベンチュリ部
２６ｄ…断面中心線
３３…開閉弁
３４…流量センサ

Claims (3)

1. 燃料電池で生成された生成水を霧状にして車体の外方に排出する生成水霧化装置を備える生成水霧化装置付き燃料電池車両であって、
   ベンチュリ部を備える排気管に移動可能に設けられかつ前記生成水を前記排気管内へ排出し得るノズルと、前記ノズルの端部が前記ベンチュリ部の断面中心線の近傍位置になる作動位置と該作動位置よりも前記ベンチュリ部に対応する前記ノズルの突出量が小さくなる退避位置に前記ノズルを移動させる移動装置と、前記移動装置を制御する制御装置を有し、
   前記制御装置は、前記燃料電池の電力によって駆動する駆動装置への電力が所定値以上の場合に前記ノズルを作動位置に移動させ、前記駆動装置への電力が前記所定値より小さい際に前記ノズルを退避位置に移動させることを特徴とする生成水霧化装置付き燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の生成水霧化装置付き燃料電池車両であって、
   前記車両が荷役装置を備える産業車両であって、
   駆動装置として走行用モータと前記荷役装置を駆動させる荷役装置用駆動装置を有し、
   制御装置は、前記走行用モータと前記荷役装置用駆動装置の少なくとも一つへの電力が各所定値以上の場合にノズルを作動位置に移動させ、前記走行用モータと前記荷役装置用駆動装置の両方への電力が前記各所定値よりも小さい場合に前記ノズルを退避位置に移動させることを特徴とする生成水霧化装置付き燃料電池車両。
3. 請求項１または２に記載の生成水霧化装置付き燃料電池車両であって、
   生成水を貯留し得るタンクから延出する導入管がノズルに接続され、
   燃料電池の排気側に排気管が接続され、
   制御装置は、前記燃料電池の排気量に対応して前記導入管に設けられたバルブの開度を制御して前記ノズルから前記排気管内へ排出される前記生成水の量を調整することを特徴とする生成水霧化装置付き燃料電池車両。

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