JP2021012820A - 無人搬送車用燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】二次電池の冷却及び暖気を好適に実施できる無人搬送車用燃料電池システムを提供すること。【解決手段】第1冷媒経路42と第2冷媒経路52とを連通させる開状態と、第1冷媒経路42と第2冷媒経路52とを連通させない閉状態とを切り替える切替機構60と、二次電池30の温度T2を検出する二次電池用温度検出部31と、温度T2が規定値に達していないときに切替機構60を開状態にし、温度T2が規定値以上になったときに切替機構60を閉状態にする車両制御装置70と、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、無人搬送車用燃料電池システムに関する。
従来、特許文献1に記載されるような車両用電源装置が知られている。
上記の車両用電源装置は、燃料電池と、二次電池と、燃料電池の近傍及び二次電池の近傍に冷媒を循環させる循環通路と、を備えている。循環通路において冷媒が循環することにより燃料電池及び二次電池の冷却を実施できる。また、燃料電池の発熱により温度上昇した冷媒により二次電池が暖められるため、二次電池が効率良く充放電できる温度に到達するまでの暖気時間を短縮できる。
特開2006−111116号公報
ところで、二次電池の寿命を考慮すると、二次電池は冷却されることが好ましいが、上記の循環経路の冷媒の温度が上がってしまうと、二次電池の冷却効率が低下してしまう虞がある。
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、二次電池の冷却及び暖気を好適に実施できる無人搬送車用燃料電池システムを提供することにある。
上記課題を解決する無人搬送車用燃料電池システムは、燃料電池と、二次電池と、前記燃料電池で発生した熱を熱交換可能な熱交換機構と、前記二次電池を冷却する二次電池用冷却機構と、を備え、前記熱交換機構は、前記燃料電池で発生した熱を熱交換可能な熱交換器と、前記熱交換器に接続されるとともに第1冷媒が流動する第1冷媒経路と、を有し、前記二次電池用冷却機構は、前記二次電池に接続されるとともに前記第1冷媒と同じ種類の冷媒である第2冷媒が流動する第2冷媒経路を有し、前記第1冷媒経路と前記第2冷媒経路とを連通させる開状態と、前記第1冷媒経路と前記第2冷媒経路とを連通させない閉状態とを切り替える切替機構と、前記二次電池の温度を検出する温度検出部と、前記温度が規定値に達していないときに前記切替機構を前記開状態にし、前記温度が前記規定値以上になったときに前記切替機構を前記閉状態にする制御装置と、を備える。
これによれば、例えば規定値を二次電池が効率良く充放電できる温度であるとすると、制御装置は、二次電池の温度が規定値に達していないときに燃料電池で発生した熱を二次電池に供給することができる。そのため、二次電池を暖気することができる。また、制御装置は、二次電池の温度が規定値以上になったときに切替機構を閉状態とする。そのため、二次電池の温度が規定値以上になったときに二次電池を冷却するための第2冷媒には、燃料電池で発生する熱が伝達されない。よって、二次電池が効率良く充放電できる温度になったときには、二次電池の温度が高くなり過ぎないように冷却することができる。したがって、二次電池の冷却及び暖気を好適に実施できる。
この発明によれば、二次電池の冷却及び暖気を好適に実施できる。
コンテナターミナルの概略平面図。 無人搬送車用燃料電池システムの構成を示した概略図。 本実施形態の制御フロー図。 無人搬送車用燃料電池システムの変更例を示した概略図。 無人搬送車用燃料電池システムの変更例を示した概略図。
以下、無人搬送車用燃料電池システムを港湾のコンテナターミナルに適用した実施形態を図1〜図3にしたがって説明する。なお、コンテナターミナルについて説明した後に本実施形態を説明する。
図1に示すように、港湾のコンテナターミナルでは、管制塔101からの指令S1により複数台の無人搬送車(Automated guided vehicle)10が予め定められた走行パターンRを走行している。各無人搬送車10は、指令S1によりコンテナWの積み降ろし位置に停車する。当該積み降ろし位置は、コンテナターミナルにおけるガントリークレーン103及びラバータイヤクレーン104が設けられている位置である。ガントリークレーン103及びラバータイヤクレーン104は、管制塔101により制御されている。無人搬送車10がガントリークレーン103の位置で停車すると、ガントリークレーン103は、コンテナ船102に積載されたコンテナWを無人搬送車10に積載する。無人搬送車10にコンテナWが積載されたとき、無人搬送車10は、ラバータイヤクレーン104の位置まで走行し、停車する。ラバータイヤクレーン104は、無人搬送車10の積載されているコンテナWを図示しないコンテナヤードに降ろす。コンテナWが降ろされて空車となった無人搬送車10は、走行パターンRを走行して再度ガントリークレーン103の位置まで走行する。港湾のコンテナターミナルでは上記した動作が繰り替えし実施される。
図2に示すように、無人搬送車10は、無人搬送車用燃料電池システム1を有している。無人搬送車用燃料電池システム1は、燃料電池20と、二次電池30とを備えている。燃料電池20は、無人搬送車10に搭載される負荷に供給する電力を発電する。具体的には、燃料電池20は、無人搬送車10の駆動輪に接続される負荷としての走行用モータ91を駆動させるための電力を発電する。燃料電池20は、複数のセルをスタック化したものである。セルとは、例えば固体分子型燃料電池である。燃料電池20は、燃料ガスと、酸化剤ガスとの化学反応によって発電を行う。本実施形態では、水素ガスを燃料ガス、空気中の酸素を酸化剤ガスとして発電が行われる。
二次電池30には、リチウムイオン二次電池が採用されている。二次電池30は、降圧コンバータ92を介して燃料電池20に電気的に接続されている。降圧コンバータ92は、例えばDC/DCコンバータが採用されている。降圧コンバータ92は、燃料電池20で発電された電力を降圧する機能を有している。降圧コンバータ92は、走行用モータ91に電気的に接続されている。よって、燃料電池20で発電された電力は、降圧コンバータ92を介して走行用モータ91に供給されつつ、二次電池30に蓄電される。すなわち、二次電池30には、燃料電池20で発電された電力を走行用モータ91に供給した余剰電力が蓄電される。また、二次電池30には、燃料電池20の動作を補助する補機に対して電力を供給する機能を有している。当該補機とは、例えば燃料電池20と水素タンクとを接続する水素供給管を開閉する電磁弁、燃料電池20に酸素を含む空気を供給する電動圧縮機、及び後述する車両制御装置70を示している。そのため、二次電池30に蓄電された電力は、例えば燃料電池20の発電初期に発電量が不足したときに補機を駆動させるための電力としても使用される。
無人搬送車用燃料電池システム1は、熱交換機構40と、二次電池用冷却機構50と、燃料電池用冷却機構80と、を備えている。燃料電池用冷却機構80は、燃料電池20を冷却する機能を有している。燃料電池用冷却機構80は、燃料電池20に冷却水を循環させるための冷却水循環路82を有している。燃料電池用冷却機構80は、冷却水循環路82上に設けられた燃料電池用冷却器81を有している。冷却水循環路82は、燃料電池用冷却器81から燃料電池20に向けて冷却水を流動させるための冷却水往路82aと、燃料電池20から燃料電池用冷却器81に向けて冷却水を流動させるための冷却水復路82bとで構成されている。燃料電池用冷却器81は、例えば冷却水循環路82を冷却水が循環するための動力となる電動ポンプと、燃料電池20で発生した熱を吸熱した冷却水を冷却するためのラジエータ等の冷却器とを含んでいる。
熱交換機構40は、冷却水復路82bの周囲に纏わせるように設けられた配管により構成される熱交換器41と、熱交換器41の両端に接続されるとともに第1冷媒C1が流動する配管で構成される第1冷媒経路42とを有している。本実施形態における第1冷媒C1は、空気である。熱交換器41は、冷却水復路82bを流動する冷却水に吸熱されている燃料電池20で発生した熱を吸熱する機能と、熱交換器41が有する熱を冷却水復路82bの冷却水に放熱する機能とを有している。すなわち、熱交換器41は、燃料電池20で発生した熱を熱交換可能であり、熱交換機構40も同様の機能を有しているといえる。
二次電池用冷却機構50は、二次電池30を冷却する機能を有している。二次電池用冷却機構50は、二次電池30に接続されるとともに第2冷媒C2が流動する配管で構成される第2冷媒経路52を有している。第2冷媒C2は、第1冷媒C1と同じ種類である空気である。二次電池用冷却機構50は、第2冷媒経路52上に設けられた二次電池用冷却器51を有している。第2冷媒経路52は、第2冷媒循環路53と、第2冷媒接続路54とで構成されている。第2冷媒循環路53は、二次電池30と二次電池用冷却器51との間で第2冷媒C2を循環させる。第2冷媒循環路53は、二次電池用冷却器51から二次電池30に向けて第2冷媒C2を流動させるための第2冷媒往路53aと、二次電池30から二次電池用冷却器51に向けて第2冷媒C2を流動させるための第2冷媒復路53bとで構成されている。第2冷媒接続路54は、二次電池30を介して第2冷媒復路53bに接続されている。二次電池用冷却器51は、第2冷媒循環路53を第2冷媒C2が循環するための動力となるファンと、二次電池30で発生した熱を吸熱した第2冷媒C2を冷却するための冷却器とを含んでいる。
無人搬送車用燃料電池システム1は、切替機構60を備えている。切替機構60は、第1切替弁61と、第2切替弁62とで構成されている。第1切替弁61は電磁式の切替バルブであり、第2切替弁62は電磁バルブである。第1切替弁61は、第2冷媒往路53a上に設けられている。第1冷媒経路42のうち一方を第1冷媒往路42a、他方を第1冷媒復路42bとすると、第1切替弁61には、第1冷媒往路42aが接続されている。第1切替弁61は、第1冷媒往路42aと第2冷媒往路53aとを連通させる開状態と、第1冷媒往路42aと第2冷媒往路53aとを連通させない閉状態とを切り替える機能を有している。より詳しくは、第1切替弁61が開状態になると、第1冷媒往路42aと、第2冷媒往路53aにおける第1切替弁61を基準とした二次電池用冷却器51側とが接続される。すなわち、第1切替弁61は、第2冷媒往路53aにより二次電池30と二次電池用冷却器51とが連通している状態と、第1冷媒往路42aと二次電池用冷却器51とが連通している状態とを切り替える機能を有している。第2切替弁62は、第1冷媒復路42bと第2冷媒接続路54とが接続されている。第2切替弁62は、第1冷媒復路42bと第2冷媒接続路54とを連通させる開状態と、第1冷媒復路42bと第2冷媒接続路54とを連通させない閉状態とを切り替える機能を有している。すなわち、切替機構60は、第1冷媒経路42と第2冷媒経路52とを連通させる開状態と、第1冷媒経路42と第2冷媒経路52とを連通させない閉状態とを切り替える機能を有している。なお、第1切替弁61及び第2切替弁62は、基本的には閉状態に維持されている。
無人搬送車用燃料電池システム1は、燃料電池20の温度T1を検出する燃料電池用温度検出部21と、二次電池30の温度T2を検出する温度検出部としての二次電池用温度検出部31と、制御装置としての車両制御装置70と、ナビゲーションシステム93とを備えている。燃料電池用温度検出部21は、燃料電池20に内蔵されている。二次電池用温度検出部31は、二次電池30に内蔵されている。各温度検出部21,31により検出される温度T1,T2は、車両制御装置70に入力される。ナビゲーションシステム93には、管制塔101から出力される指令S1が入力される。ナビゲーションシステム93は、指令S1に基づき車両制御装置70に燃料電池20及び二次電池30を制御するための制御指令S2を出力する。
車両制御装置70は、制御指令S2に基づき燃料電池20の発電及び二次電池30の充放電を制御するハイブリッド制御部71と、温度T1,T2に基づき燃料電池用冷却器81及び二次電池用冷却器51を動作させるとともに切替機構60の開閉を制御する冷却制御部72とを有している。ハイブリッド制御部71は、制御指令S2に基づき補機としての電磁弁及び電動圧縮機に二次電池30から電力を供給させ、燃料電池20を制御する。なお、車両制御装置70は、無人搬送車用燃料電池システム1が起動し、温度T1,T2が入力された時点で燃料電池用冷却器81の電動ポンプ、及び二次電池用冷却器51のファンを動作させることで燃料電池20及び二次電池30を常に冷却させている。
ここで、無人搬送車用燃料電池システム1において、二次電池30の温度が低い場合、二次電池30が効率良く充放電できない課題がある。特に、無人搬送車用燃料電池システム1の起動時においてはこの課題が顕著となる。そのため、二次電池30を暖気することで二次電池30の温度T2を上昇させ、二次電池30を効率よく充放電させることが好ましい。ところで、二次電池30の寿命を考慮すると、二次電池30を冷却することが好ましい。そのため、二次電池30を暖気することで二次電池30の温度T2を上昇させつつ、二次電池30の寿命を考慮して二次電池30を冷却する必要がある。本実施形態では、二次電池30の冷却及び暖気を好適に実施できるように構成されている。以下、無人搬送車用燃料電池システム1の制御フローを説明しつつ、無人搬送車用燃料電池システム1における二次電池30の冷却及び暖気について説明する。
図3に示すように、車両制御装置70は、二次電池用温度検出部31にて検出される二次電池30の温度T2を取得する(ステップS101)。次に、車両制御装置70は、温度T2が規定値Tthに達しているか否かを判定する(ステップS102)。規定値Tthは、二次電池30を効率良く充放電させることができることを予め確認した上で設定される温度である。車両制御装置70は、温度T2が規定値Tthに達していると判定した場合(ステップS102でNO)、処理を終了する(END)。車両制御装置70は、温度T2が規定値Tthに達していないと判定した場合(ステップS102でYES)、切替機構60の第1切替弁61及び第2切替弁62を開状態にすることで第1冷媒経路42と第2冷媒経路52とを連通させる。
図2に示すように、車両制御装置70がステップS103までを実施することで、二次電池用冷却器51、第2冷媒往路53a、第1切替弁61、第1冷媒往路42a、熱交換器41、第1冷媒復路42b、第2切替弁62、第2冷媒接続路54、二次電池30、及び第2冷媒復路53bの順に第1冷媒C1及び第2冷媒C2が流動する循環路が形成される。また、当該循環路が形成されることにより第1冷媒C1と第2冷媒C2とが混ざり合い同一の冷媒としての統合冷媒となる。これにより、冷却水循環路82の冷却水復路82bを流動する冷却水に吸熱されている燃料電池20で発生した熱が熱交換器41を介して統合冷媒に伝達される。燃料電池20で発生した熱を吸熱した統合冷媒は、第2冷媒接続路54に流動する。第2冷媒接続路54に流動する統合冷媒は、二次電池30に流動する。二次電池30には、統合冷媒を介して燃料電池20で発生した熱が伝達されることから二次電池30が暖気される。二次電池30を通過した統合冷媒は、第2冷媒復路53b、二次電池用冷却器51、第2冷媒往路53a、及び第1切替弁61に流動する。そして、統合冷媒が第1冷媒往路42aを介して熱交換器41に流動し、統合冷媒は熱交換器41を介して燃料電池20で発生した熱を再び吸熱する。
図3に示すように、車両制御装置70は、ステップS103の後に温度T2が規定値Tth以上になったか否かを判定する(ステップS104)。車両制御装置70は、温度T2が規定値Tth以上になっていないと判定したとき(ステップS104でNO)、切替機構60を開状態に維持することで二次電池30の暖気を継続する。車両制御装置70は、温度T2が規定値Tth以上になったときに切替機構60の第1切替弁61及び第2切替弁62を閉状態にすることで第1冷媒経路42と第2冷媒経路52とを連通させない状態にする(ステップS105)。車両制御装置70は、ステップS105が完了したとき、処理を終了する(END)。
図2に示すように、車両制御装置70がステップS104及びステップS105を実施すると、第1冷媒経路42と第2冷媒経路52とを連通させない状態にするため、統合冷媒が第1冷媒経路42を流動する第1冷媒C1と、第2冷媒経路52を流動する第2冷媒C2とに再び分離する。第2冷媒C2には、熱交換器41を介して燃料電池20で発生した熱が伝達されない状態となるため、第2冷媒C2は第2冷媒循環路53を循環しつつ二次電池用冷却器51により冷却される。そのため、二次電池30が第2冷媒C2により冷却される。
また、車両制御装置70は、次のような制御も実施している。
車両制御装置70において、冷却制御部72は、二次電池30の温度T2や切替機構60の開閉状態といった二次電池30の冷却及び暖気の情報をハイブリッド制御部71に送信している。ハイブリッド制御部71は、図示しないが二次電池30の充電率(SOC)をモニタしている。ハイブリッド制御部71は、冷却制御部72から送信された情報に基づき切替機構60が開状態になっていると判断し、且つ二次電池30のSOCに余裕があると判断した場合、燃料電池20の発電量を増やすように二次電池30から補機としての電磁弁及び電動圧縮機に対して電力を供給させる。このとき、二次電池30は暖気されている状態であり、二次電池30の放電効率が低い場合があるが、ハイブリッド制御部71は、冷却制御部72から送信される温度T2によって二次電池30から放電させる電力量を調整する。すなわち、ハイブリッド制御部71と冷却制御部72との間で情報を共有しつつ燃料電池20の発電量を多くすることにより燃料電池20で発生する熱量が増えるため、二次電池30の暖気時間をより短縮させることができる。
本実施形態の効果について説明する。
(1)本実施形態では、車両制御装置70は、二次電池30の温度T2が規定値Tthに達していないときに燃料電池20で発生した熱を二次電池30に供給することができる。そのため、二次電池30を暖気することができる。また、車両制御装置70は、二次電池30の温度T2が規定値Tth以上になったときに切替機構60を閉状態とする。そのため、二次電池30の温度T2が規定値Tth以上になったときに二次電池30を冷却するための第2冷媒C2には、燃料電池20で発生する熱が伝達されない。よって、二次電池30が効率良く充放電できる温度になったときには、二次電池30の温度T2が高くなり過ぎないように冷却することができる。したがって、二次電池30の冷却及び暖気を好適に実施できる。
(2)無人搬送車10は、基本的に低速で走行するものであるため走行風により燃料電池20の冷却効果が少ない。そのため、本実施形態のように切替機構60を開状態にすることにより燃料電池20で発生した熱を二次電池30に伝達することで燃料電池20で発生する熱を排熱する箇所を増やすことができる。したがって、二次電池30の冷却及び暖気を好適に実施しつつ、燃料電池20の冷却効果を向上させることができる。
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
〇 無人搬送車用燃料電池システム1の起動時には、燃料電池20の温度T1も十分に上昇していないことが考えられる。その点を鑑みて、燃料電池20で発生する熱により温度T1が所定値を超えて、且つ温度T2が規定値Tthに達していないときに、切替機構60を開状態とするように変更してもよい。所定値は、二次電池30を十分に暖気できることを予め確認した上で設定された温度である。
〇 燃料電池用冷却器81の電動ポンプは、温度T1が上記の所定値を上回ったときに動作させられ、二次電池用冷却器51のファンは、二次電池30の温度T2が規定値Tth以上となるときに動作させられるように変更してもよい。
〇また、燃料電池用冷却器81の電動ポンプは、温度T1が燃料電池20の冷却が必要となる所定値以上となったときに動作させられ、二次電池用冷却器51のファンは、二次電池30の温度T2が二次電池30の冷却が必要となる所定値以上となったときに動作させるように変更してもよい。燃料電池20及び二次電池30の発熱量は、製品仕様によって異なることは自明である。そのため、本変更例における所定値は、燃料電池20及び二次電池30の製品仕様によって適宜変更してもよい。
〇 第1冷媒C1及び第2冷媒C2は、冷却水等の液体の冷媒であってもよい。一般的に二次電池30は、電力を充放電するための電極体と、電極体を収容するケースとを有している。第1冷媒C1及び第2冷媒C2を液体の冷媒に変更する場合、二次電池30のケースを、電極体に液体の冷媒が接触しないように構成するとよい。
〇 熱交換器41は、冷却水復路82bの周囲に纏わせるように設けられていたが、これに限らず、以下のように変更してもよい。
図4に示すように、燃料電池20の近傍に直接的に配置するように変更してもよい。このように変更する場合、熱交換器41の構成としてファン41aを追加して、燃料電池20で発生する熱を熱交換器41の配管に向けて吹き付けるように変更するとよい。
〇 無人搬送車用燃料電池システム1を以下のように変更してもよい。
図5に示すように、第2冷媒経路52の構成として、第2冷媒往路53aに接続される第2冷媒接続往路55を追加し、当該第2冷媒接続往路55と第1冷媒往路42aとの間に第1切替弁63を配置してもよい。第1切替弁63は、第1冷媒往路42aと第2冷媒接続往路55とを連通させる開状態と、第1冷媒往路42aと第2冷媒接続往路55とを連通させない閉状態とを切り替える。なお、第1切替弁63は、第2切替弁62と同様に電磁バルブである。
〇 二次電池30は、リチウムイオン二次電池であったが、ニッケル水素二次電池等の他の二次電池であってもよい。
〇 燃料電池用温度検出部21は燃料電池20に内蔵され、二次電池用温度検出部31は二次電池30に内蔵されていたが、これに限らない。例えば燃料電池用温度検出部21を冷却水復路82bに設け、冷却水の温度から燃料電池20の温度T1を検出してもよい。また、二次電池用温度検出部31を第2冷媒復路53bに設け、第2冷媒C2の温度から二次電池30の温度T2を検出してもよい。
〇 車両制御装置70は、ハイブリッド制御部71と、冷却制御部72とを有していたが、これに限らない。例えばハイブリッド制御部71を管制塔101に配置し、車両制御装置70を冷却制御部72で構成してもよい。
1…無人搬送車用燃料電池システム、10…無人搬送車、20…燃料電池、21…燃料電池用温度検出部、30…二次電池、31…二次電池用温度検出部、40…熱交換機構、41…熱交換器、42…第1冷媒経路、50…二次電池用冷却機構、52…第2冷媒経路、60…切替機構、C1…第1冷媒、C2…第2冷媒、T1…温度、T2…温度、Tth…規定値。

Claims (1)

  1. 燃料電池と、
    二次電池と、
    前記燃料電池で発生した熱を熱交換可能な熱交換機構と、
    前記二次電池を冷却する二次電池用冷却機構と、を備え、
    前記熱交換機構は、
    前記燃料電池で発生した熱を熱交換可能な熱交換器と、
    前記熱交換器に接続されるとともに第1冷媒が流動する第1冷媒経路と、を有し、
    前記二次電池用冷却機構は、
    前記二次電池に接続されるとともに前記第1冷媒と同じ種類の冷媒である第2冷媒が流動する第2冷媒経路を有し、
    前記第1冷媒経路と前記第2冷媒経路とを連通させる開状態と、前記第1冷媒経路と前記第2冷媒経路とを連通させない閉状態とを切り替える切替機構と、
    前記二次電池の温度を検出する温度検出部と、
    前記温度が規定値に達していないときに前記切替機構を前記開状態にし、前記温度が前記規定値以上になったときに前記切替機構を前記閉状態にする制御装置と、を備える無人搬送車用燃料電池システム。
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