JP2016201315A - 燃料電池冷却システム、及び、燃料電池式産業車両 - Google Patents

Abstract

【課題】水素吸蔵合金を収容するタンクを効率良く冷却すること。
【解決手段】燃料電池冷却システム１０は、フォークリフト４０と、フォークリフト４０に水素ガスを充填する水素充填設備２０とを備えている。水素充填設備２０は、エゼクタ２５と、エゼクタ２５に圧縮空気を供給する圧縮空気供給部２９とを有している。フォークリフト４０には、燃料電池スタック４１と、燃料電池スタック４１に供給する水素ガスを吸蔵可能な水素吸蔵合金が収容されたタンク４４と、燃料電池スタック４１の発電によって生成された水が貯留される貯留部５５とを備えている。エゼクタ２５の吸引口２８は、貯留部５５に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池冷却システム、及び、燃料電池式産業車両に関する。

燃料電池は、水素と酸素との化学反応によって発電を行う。このため、燃料電池を電力源として用いる車両などには、燃料電池とともに、燃料電池に供給する水素が貯蔵されたタンクが搭載される。

特許文献１では、タンクに水素吸蔵合金を収容している。水素吸蔵合金は、所定温度や所定圧力の条件のもとで水素ガスを吸蔵し、必要時に別の温度や別の圧力の条件のもとで水素ガスを放出する。水素吸蔵合金は、水素ガスを吸蔵するときに発熱し、水素ガスを放出するときに吸熱する。このため、タンクに水素ガスを供給し、水素吸蔵合金に水素ガスを吸蔵させると、水素吸蔵合金が発熱する。水素吸蔵合金の温度が、水素ガスを吸蔵することができる温度の上限を超えると、水素吸蔵合金は、水素ガスを吸蔵することができなくなる。特許文献１では、水素ガスをタンクに供給するときに、水循環系内の水をポンプによって循環させることで、タンクを冷却している。

特開２０００−８８１９６号公報

ところで、水素ガスを短時間で水素吸蔵合金に吸蔵させたい場合、水素吸蔵合金の温度上昇に伴ってタンクの温度も短時間で上昇することになる。このため、タンクを十分に冷却できなくなるおそれがあり、タンクに対する冷却性能の更なる向上が望まれている。

本発明の目的は、水素吸蔵合金を収容するタンクを効率良く冷却することができる燃料電池冷却システム、及び、燃料電池式産業車両を提供することにある。

上記課題を解決する燃料電池冷却システムは、燃料電池と、前記燃料電池に供給する水素ガスを吸蔵可能な水素吸蔵合金が収容されたタンクと、前記燃料電池の発電によって生成された水が貯留される貯留部と、前記タンクに水素ガスを供給するための水素ガス供給源と、圧縮空気の通過に伴い負圧となる吸引口が前記貯留部に接続されたエゼクタと、前記貯留部に貯留された水を用いて前記タンクを冷却させる冷却部と、を備えている。

これによれば、燃料電池の発電によって貯留部には水が貯留されている。タンクに水素ガスを供給して水素吸蔵合金に水素ガスを吸蔵するときには、エゼクタに圧縮空気が流される。すると、エゼクタの吸引口には、負圧が発生する。吸引口に負圧が発生することで、貯留部内の空気がエゼクタ内に吸引され、貯留部の内圧が低下する。貯留部の内圧が低下することで、貯留部に貯留された水の沸点が下がり、貯留部内の水が蒸発するときの潜熱により低温となる。そしてこの低温となった水でタンクが冷却される。よって、水素吸蔵合金の温度の上昇によってタンクの温度は上昇しようとするが、貯留部内の水が蒸発するときの潜熱によってタンクは冷却されるため、効率良くタンクを冷却することができる。

上記燃料電池冷却システムについて、前記貯留部に水を供給する水供給部を備えてもよい。これによれば、貯留部内の水が蒸発により不足したときに、水を補うことができる。
上記課題を解決する燃料電池式産業車両は、燃料電池と、前記燃料電池を電力源として駆動するモータと、前記燃料電池に供給する水素ガスを吸蔵可能な水素吸蔵合金が収容されたタンクと、前記燃料電池の発電によって生成された水が貯留される貯留部と、を備え、圧縮空気の通過に伴い負圧となる吸引口を有するエゼクタ、及び、水素ガス供給源を備える水素充填設備によって前記タンクに水素ガスが供給される燃料電池式産業車両であって、前記貯留部は、前記吸引口が接続される接続部を有し、前記貯留部に貯留された水を用いて前記タンクを冷却させる冷却部を備えている。

これによれば、エゼクタの吸引口に負圧が発生することで、貯留部の内圧が低下する。貯留部の内圧が低下することで、貯留部に貯留された水が蒸発しやすくなり、貯留部内の水が蒸発するときの潜熱により低温となった水でタンクが冷却される。よって、水素吸蔵合金の温度の上昇によってタンクの温度は上昇しようとするが、貯留部内の水が蒸発するときの潜熱によってタンクは冷却されるため、効率良くタンクを冷却することができる。

本発明によれば、水素吸蔵合金を収容するタンクを効率良く冷却することができる。

燃料電池冷却システムを示す概略構成図。 タンクに水素ガスを供給するときの燃料電池冷却システムを示す概略構成図。 貯留部に工業用水を供給するときの燃料電池冷却システムを示す概略構成図。 燃料電池式産業車両の変形例を示す概略構成図。

以下、燃料電池冷却システム、及び、燃料電池式産業車両の一実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池冷却システム１０は、燃料電池式産業車両としてのフォークリフト４０と、フォークリフト４０に水素ガスを供給する水素充填設備２０とを備えている。なお、本実施形態の燃料電池冷却システム１０は、工場内での運用を想定したものである。また、以下の説明において、「上」は鉛直方向とは反対方向であり、「下」とは鉛直方向である。

水素充填設備２０は、水素ガス供給源２１を備えている。水素ガス供給源２１には、水素ガスを圧縮する圧縮機や、水素ガスを蓄える蓄圧器などを含む。水素ガス供給源２１には、水素供給ホース２２を介して、設備側水素カプラ２３が接続されている。水素供給ホース２２には、水素バルブ２４が設けられている。

また、水素充填設備２０は、エゼクタ２５と、エゼクタ２５に圧縮空気を供給する圧縮空気供給部２９とを備えている。エゼクタ２５は、管径を細く絞った絞り部２５ａを有している。エゼクタ２５は、圧縮空気を絞り部２５ａに供給する供給口２６に加え、圧縮空気を絞り部２５ａから排出する排出口２７を有する。また、エゼクタ２５は、絞り部２５ａに開口する吸引口２８を有し、吸引口２８には、絞り部２５ａに圧縮空気が通過する際に負圧が発生する。すなわち、絞り部２５ａに流速の早い圧縮空気を流して、ベンチュリ管の原理により、負圧を発生させ、対象の内圧を下げることができる。

圧縮空気供給部２９は、コンプレッサなどによって圧縮された空気をエゼクタ２５の供給口２６に供給する。エゼクタ２５の吸引口２８には、吸引ホース３０を介して設備側吸引カプラ３１が接続されている。

また、水素充填設備２０は、水供給部３２を備えている。水供給部３２は、工業用水が流れる工業用水ラインに接続されている。水供給部３２には、給水ホース３３を介して、設備側給水カプラ３４が接続されている。給水ホース３３には、給水バルブ３５が設けられている。

水素充填設備２０は、水素バルブ２４、給水バルブ３５、及び、圧縮空気供給部２９を制御する制御部３６を備えている。
フォークリフト４０には、複数のセルを積層して構成した燃料電池としての燃料電池スタック４１、及び、燃料電池スタック４１を電力源として駆動するモータ４２が搭載されている。モータ４２は、例えば、フォークリフト４０を走行させるための走行用モータや、フォークリフト４０の荷役装置を動作させるための荷役用モータである。

また、フォークリフト４０は、燃料電池スタック４１に供給する水素ガスを吸蔵可能な水素吸蔵合金４４が収容されたタンク４３を備えている。水素吸蔵合金４４は、所定温度や所定圧力の条件のもとで水素ガスを吸蔵し、必要時に別の温度や別の圧力の条件のもとで水素ガスを放出する。水素吸蔵合金４４は、水素ガスを吸蔵するときに発熱し、水素ガスを放出するときに吸熱する。タンク４３には、タンク４３の温度を検出する温度計４５が取り付けられている。

タンク４３には、水素供給管４６が連通している。水素供給管４６には、車両側水素カプラ４７が設けられている。車両側水素カプラ４７は、フォークリフト４０の外部に露出して設けられており、設備側水素カプラ２３が接続される。本実施形態において、車両側水素カプラ４７としては、設備側水素カプラ２３が接続されている状態で開き、設備側水素カプラ２３が接続されていない状態で閉じる自動開閉バルブを内蔵したカプラが用いられている。

燃料電池スタック４１は、フォークリフト４０に搭載されたタンク４３から供給される水素ガスと、空気中の酸素との化学反応によって発電が行われる。燃料電池スタック４１による発電が行われると、水とガスとを含むオフガスが発生する。

フォークリフト４０は、燃料電池スタック４１が発電することで発生したオフガスが流入する流入管５１を備えている。流入管５１は、気液分離器５２に連通している。燃料電池スタック４１で排出されたオフガスは、流入管５１を介して気液分離器５２に流入する。気液分離器５２では、自然落下方式によりオフガスが水とガスに分離される。気液分離器５２において、流入管５１よりも上方には、排気管５３が連通している。そして、気液分離器５２で水と分離されたガスは、排気管５３からフォークリフト４０の外部に排気される。

気液分離器５２には、流入管５１よりも下方に、連通管５４が連通している。連通管５４は、気液分離器５２よりも下方に設けられた貯留部５５に連通している。気液分離器５２で分離された水は、連通管５４を通って貯留部５５に流入する。連通管５４には、気液分離器５２と貯留部５５との連通と、閉塞とを切り替える閉塞バルブ５６が設けられている。

貯留部５５は、密閉容器である。貯留部５５には、連通管５４よりも下方に、排水管５７が連通している。排水管５７は、フォークリフト４０の外部まで延びており、着脱可能な排水蓋５８によって閉塞されている。排水蓋５８が取り付けられた状態では、貯留部５５に水が貯留される。貯留部５５の水を外部に排出したいときには、排水蓋５８を取り外すことで、外部に水を排出することができる。

また、貯留部５５には、連通管５４よりも下方に、冷却管６１が連通している。冷却管６１は、タンク４３に向けて延びており、冷却管６１内の水で、タンク４３が冷却される。例えば、タンク４３に冷却管６１が接触していたり、冷却管６１を通った水がタンク４３に直接接触する穴が設けられている。したがって、冷却管６１が貯留部５５内の水を用いてタンク４３を冷却する冷却部となる。

貯留部５５には、連通管５４、及び、冷却管６１よりも上方に給水管６２が連通している。給水管６２には、車両側給水カプラ６３が設けられている。車両側給水カプラ６３は、フォークリフト４０の外部に露出して設けられており、設備側給水カプラ３４が接続される。本実施形態において、車両側給水カプラ６３としては、設備側給水カプラ３４が接続されている状態で開き、設備側給水カプラ３４が接続されていない状態で閉じる自動開閉バルブを内蔵したカプラが用いられている。

貯留部５５には、給水管６２よりも上方に、吸引管６４が連通している。吸引管６４には、車両側吸引カプラ６５が設けられている。車両側吸引カプラ６５は、フォークリフト４０の外部に露出して設けられており、設備側吸引カプラ３１が接続される。本実施形態において、車両側吸引カプラ６５としては、設備側吸引カプラ３１が接続されている状態で開き、設備側吸引カプラ３１が接続されていない状態で閉じる自動開閉バルブを内蔵したカプラが用いられている。本実施形態において、車両側吸引カプラ６５は、エゼクタ２５が接続される接続部となる。

次に、本実施形態の燃料電池冷却システム１０の作用について説明する。
図２に示すように、水素吸蔵合金４４に水素ガスを吸蔵させるときには、設備側水素カプラ２３を車両側水素カプラ４７に、設備側吸引カプラ３１を車両側吸引カプラ６５に、設備側吸引カプラ３１を車両側吸引カプラ６５に、それぞれ接続する。したがって、各カプラは、流体継手となる。また、水素充填設備２０の制御部３６と、フォークリフト４０に搭載される図示しない制御装置とが有線又は無線によって接続される。

水素吸蔵合金４４に水素ガスを吸蔵させるときには、閉塞バルブ５６を閉じる。閉塞バルブ５６は、フォークリフト４０に搭載される図示しない制御装置によって閉塞されてもよいし、手動で閉じられてもよい。

各カプラ同士が接続される前には、制御部３６は、水素バルブ２４、及び、給水バルブ３５は閉じた状態に維持している。各カプラ同士が接続されると、制御部３６は、水素充填設備２０の操作者などの操作に応じて、水素バルブ２４の開放を許容する。水素バルブ２４が開放されると、図２中の矢印Ａ１に示すように、水素ガス供給源２１→水素供給ホース２２→水素供給管４６→タンク４３の経路で水素ガスが流れる。

また、制御部３６は、圧縮空気供給部２９からエゼクタ２５の供給口２６に圧縮空気を供給させる。エゼクタ２５に供給された圧縮空気は、図２中の矢印Ａ２で示すように絞り部２５ａで高速で噴射され、吸引口２８には負圧が発生する。負圧が発生することで、貯留部５５内の空気がエゼクタ２５に吸引され、貯留部５５の内圧が例えば、０．１気圧程度に低下する。

水素ガス供給源２１からタンク４３に水素ガスが供給されていくと、水素吸蔵合金４４の発熱によってタンク４３の温度が上昇しようとする。ここで、図２中の矢印Ａ３に示すように、貯留部５５内の空気がエゼクタ２５に吸引されて、貯留部５５の内圧が低下していることで、貯留部５５内の水の沸点が低下している。このため、貯留部５５内の水が蒸発することで、潜熱により低温になった水により、タンク４３が冷却される。エゼクタ２５には、貯留部５５内の水の沸点が、水素吸蔵合金４４が水素ガスを吸蔵することができる温度の上限よりも低くなるように圧縮空気が供給される。なお、水の沸点は、０．２５気圧で６０℃である。

貯留部５５内で気化した水（蒸発した水）は、図２中の矢印Ａ３に示すように吸引管６４→吸引ホース３０→吸引口２８の経路でエゼクタ２５に吸引され、圧縮空気とともにエゼクタ２５の排出口２７から排出される。

仮に、水素ガスを水素吸蔵合金に吸蔵させている途中で、貯留部５５の水がタンク４３を冷却するのに要する量よりも少なくなった場合を想定する。制御部３６は、温度計４５によって検出されるタンク４３の温度が閾値を超えると、貯留部５５内の水がタンク４３を冷却するのに不足していると判断する。なお、閾値としては、水素吸蔵合金４４が水素ガスを吸蔵できる温度の上限よりも低い値に設定される。

制御部３６は、タンク４３の温度が閾値を超えると、図３に示すように、給水バルブ３５を開けることで、貯留部５５に工業用水を供給する。これにより、図３中の矢印Ａ４に示すように水供給部３２→給水ホース３３→給水管６２→貯留部５５の経路で水が供給され、貯留部５５内の水の不足が補われる。

したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）フォークリフト４０は、燃料電池スタック４１の発電によって生成された水を貯留する貯留部５５を有している。燃料電池スタック４１に供給する水素ガスを吸蔵可能な水素吸蔵合金４４が収容されたタンク４３に水素ガスを供給するときには、エゼクタ２５によって貯留部５５から空気を排出して、貯留部５５の内圧を低下させる。これにより、貯留部５５内の水の沸点が低下するため、貯留部５５内の水が蒸発することで、潜熱によってタンク４３は冷却される。エゼクタ２５によって貯留部５５の内圧を低下させて、水を蒸発させることで、水を蒸発させずにタンク４３の冷却を行う場合と比較して、タンク４３を高い冷却性能で効率よく冷却することができる。

（２）また、燃料電池スタック４１の発電に伴い生成される水を利用してタンク４３の冷却を行うことができる。貯留部５５に水を貯留する場合、貯留部５５から水が溢れ出す前に水を廃棄する必要がある。タンク４３による熱交換によって貯留部５５の水を蒸発させることで、水を外部に排出することができるため、排水蓋５８を取り外すなどの手間なく貯留部５５の水を廃棄することができる。

（３）水素充填設備２０は、貯留部５５に水を供給する水供給部３２を有しているため、貯留部５５内の水が蒸発により不足したときに、水素充填設備２０から貯留部５５に対して水を補うことができる。これにより、継続してタンク４３の冷却をすることができる。

（４）水素吸蔵合金は、水素の他の貯蔵方式（例えば、圧縮方式）と比較して、同一圧力下でのエネルギー密度に優れる反面、水素を吸蔵させる際には発熱するため水素を吸蔵させるときに水素吸蔵合金を冷却するための機構が必要になる。例えば、圧縮方式と同等の速度（例えば、３分）で水素ガスを供給する場合、１００ｋＷ程度の発熱を処理しなければならない。本実施形態のように、貯留部５５に貯留された水を用いてタンク４３を冷却し、かつ、この水を蒸発させることによる潜熱を利用して貯留部５５を冷却することで、タンク４３を効率良く冷却することができる。このため、タンク４３内の水素吸蔵合金４４に短時間で水素ガスを吸蔵させる場合であっても、水素吸蔵合金４４の温度が水素ガスを吸蔵することができる温度の上限に達しにくく、短時間でタンク４３に水素ガスを供給することができる。

（５）タンク４３の冷却により水素ガスを短時間でタンク４３に供給することができるため、タンク４３に水素ガスを供給するための時間が短縮化される。したがって、水素ガスの供給に伴うフォークリフト４０の作業の中断が短縮化され、作業の効率化が図られる。

なお、実施形態は、以下のように変更してもよい。
○図４に示すように、タンク４３を冷却する水が流通する冷却管と、燃料電池スタック４１を冷却する水が通る冷却管を一つの循環路としてもよい。タンク４３には、第１冷却管７１、及び、第２冷却管７２が連通している。第１冷却管７１、及び、第２冷却管７２は、タンク４３、及び、燃料電池スタック４１と熱交換を行うように設けられており、ラジエータ７３に接続されている。第２冷却管７２には、ポンプ７４が設けられており、ポンプ７４が駆動することで、貯留部５５内の水は、第１冷却管７１を流通してラジエータ７３に供給され、ラジエータ７３によって冷却された後に第２冷却管７２を流通して貯留部５５に戻る。この場合、燃料電池スタック４１を冷却する冷却系と、タンク４３を冷却する冷却系を一つに集約することができる。

○貯留部５５に冷媒が流通する熱交換部（パイプ）を設けて、熱交換部の冷媒を貯留部５５内の水で冷却してタンク４３に供給してもよい。この場合、熱交換部内の冷媒と、貯留部５５内の水との熱交換によって冷媒が冷却され、この冷媒を介してタンク４３が冷却される。すなわち、貯留部５５に貯留された水と、タンク４３とが直接熱交換を行わなくてもよく、貯留部５５内の水によって冷却された媒体などによってタンク４３が冷却されてもよい。貯留部５５に貯留された水を用いてタンク４３を冷却できればよい。

○貯留部５５に貯留された水の液面の高さを検出するセンサを設けて、液面の高さによって貯留部５５内の水の量を検出してもよい。そして、センサによって液面の高さが閾値よりも低くなったときに、工業用水を貯留部５５に供給するようにしてもよい。

○燃料電池スタック４１の発電に伴って生成された水のみを利用してタンク４３を冷却してもよい。この場合、水素ガスをタンク４３に供給している途中で、貯留部５５内の水が不足するおそれがあるが、水を蒸発させないでタンク４３を冷却する場合に比較すれば、効率よくタンク４３を冷却することができる。この場合、水素充填設備２０、及び、フォークリフト４０は、水供給部３２、給水ホース３３、設備側給水カプラ３４、給水管６２、及び、車両側給水カプラ６３を備えていなくてもよい。

○水供給部３２によって貯留部５５に供給される水は、工業用水ではなくてもよい。
○燃料電池式産業車両は、フォークリフト４０に限られず、トラクターなどであってもよい。

○気液分離器５２は、遠心分離方式であってもよい。
○エゼクタ２５は、フォークリフト４０に搭載されていてもよい。

１０…燃料電池冷却システム、２０…水素充填設備、２１…水素ガス供給源、２５…エゼクタ、２６…供給口、２７…排出口、２８…吸引口、３２…水供給部、４０…フォークリフト、４１…燃料電池スタック、４２…モータ、４３…タンク、４４…水素吸蔵合金、５５…貯留部、６１…冷却管。

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に供給する水素ガスを吸蔵可能な水素吸蔵合金が収容されたタンクと、
   前記燃料電池の発電によって生成された水が貯留される貯留部と、
   前記タンクに水素ガスを供給するための水素ガス供給源と、
   圧縮空気の通過に伴い負圧となる吸引口が前記貯留部に接続されたエゼクタと、
   前記貯留部に貯留された水を用いて前記タンクを冷却させる冷却部と、
   を備えた燃料電池冷却システム。
2. 前記貯留部に水を供給する水供給部を備える請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
3. 燃料電池と、
   前記燃料電池を電力源として駆動するモータと、
   前記燃料電池に供給する水素ガスを吸蔵可能な水素吸蔵合金が収容されたタンクと、
   前記燃料電池の発電によって生成された水が貯留される貯留部と、
   を備え、
   圧縮空気の通過に伴い負圧となる吸引口を有するエゼクタ、及び、水素ガス供給源を備える水素充填設備によって前記タンクに水素ガスが供給される燃料電池式産業車両であって、
   前記貯留部は、前記吸引口が接続される接続部を有し、
   前記貯留部に貯留された水を用いて前記タンクを冷却させる冷却部を備えた燃料電池式産業車両。