JP2023125211A - 作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性を有し大型化を抑制できる燃料電池システムを備える作業機械を提供すること。【解決手段】作業機械は、燃料電池と、燃料電池に並列接続されるリチウムイオンキャパシタと、燃料電池及びリチウムイオンキャパシタの少なくとも一方から給電される電動モータと、電動モータにより駆動される対象部と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、作業機械に関する。

カーボンニュートラルに向けて作業機械のゼロエミッション化が急務である。ゼロエミッション化の手段として燃料電池システムを搭載した作業機械が提案されている。

燃料電池システムの駆動方式は、燃料電池を主動力源とする駆動方式と、蓄電装置を主動力源とする駆動方式とに大別される。燃料電池を主動力源とする駆動方式は、主動力源となる大出力の燃料電池と燃料電池をアシストする小型の蓄電装置とを組み合わせた方式である。蓄電装置を主動力源とする駆動方式は、主動力源となる大容量の蓄電装置と蓄電装置に電力を供給する小型の燃料電池とを組み合わせた方式である。

特許文献１には、蓄電装置を主動力源とする駆動方式の燃料電池ユニットを有するクレーンが開示されている。特許文献１に開示されているクレーンは、蓄電器として、スーパーキャパシタと呼ばれる電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Electric Double Layer Capacitor）を有する。

米国特許出願公開第２０１３／００３８２４９号明細書

蓄電装置を主動力源とする駆動方式では、大容量の蓄電装置が必要となるため、燃料電池システムの容積が大きくなり、作業機械への搭載性が厳しくなる。また、大容量の蓄電装置を主動力源として用いるため、充電率（ＳＯＣ：State Of Charge）の変動が大きい。一般に、ＳＯＣの変動が大きいと、蓄電装置の劣化が早まり寿命が低下する。蓄電装置の寿命の低下を抑制するためには、蓄電容量に対するＳＯＣの変動を小さくする必要がある。ＳＯＣの変動を小さくするためには、蓄電装置を更に大容量にする必要がある。

本開示は、耐久性を有し大型化を抑制できる燃料電池システムを備える作業機械を提供することを目的とする。

本開示に従えば、燃料電池と、燃料電池に並列接続されるリチウムイオンキャパシタと、燃料電池及びリチウムイオンキャパシタの少なくとも一方から給電される電動モータと、電動モータにより駆動される対象部と、を備える、作業機械が提供される。

本開示によれば、耐久性を有し大型化を抑制できる燃料電池システムを備える作業機械が提供される。

図１は、第１実施形態に係る作業機械を示す斜視図である。 図２は、第１実施形態に係る作業機械の駆動システムを示す図である。 図３は、第１実施形態に係る作業機械の冷却システムを示す図である。 図４は、内燃エンジンの応答性を示す図である。 図５は、燃料電池の応答性を示す図である。 図６は、第２実施形態に係る作業機械の駆動システムを示す図である。 図７は、第３実施形態に係る作業機械の駆動システムを示す図である。 図８は、第４実施形態に係る作業機械の駆動システムを示す図である。 図９は、第５実施形態に係る作業機械の駆動システムを示す図である。

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本開示は実施形態に限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

［第１実施形態］
第１実施形態について説明する。

＜作業機械＞
図１は、本実施形態に係る作業機械１を示す斜視図である。本実施形態において、作業機械１は、建設機械の一種である油圧ショベルである。

図１に示すように、作業機械１は、走行体２と、走行体２に支持される旋回体３と、旋回体３に支持される作業機４と、作業機４を動作させる作業機シリンダ５とを備える。

走行体２は、駆動輪２Ａと、駆動輪２Ａにより回転される履帯２Ｂとを有する。履帯２Ｂが回転することにより、作業機械１は、作業現場を走行することができる。

旋回体３は、走行体２に支持された状態で旋回する。

作業機４は、旋回体３に連結されるブーム４Ａと、ブーム４Ａに連結されるアーム４Ｂと、アーム４Ｂに連結されるバケット４Ｃとを含む。

作業機シリンダ５は、作業機４を動作させる動力を発生する油圧シリンダである。作業機シリンダ５は、ブーム４Ａを動作させるブームシリンダ５Ａと、アーム４Ｂを動作させるアームシリンダ５Ｂと、バケット４Ｃを動作させるバケットシリンダ５Ｃとを含む。

＜燃料電池システム＞
図２は、本実施形態に係る作業機械１の駆動システム６Ａを示す図である。本実施形態において、駆動システム６Ａは、燃料電池８を主動力源とする駆動方式の燃料電池システム７を含む。燃料電池８を主動力源とする駆動方式は、主動力源となる大出力の燃料電池８と、燃料電池８をアシストする小型の蓄電装置とを組み合わせた方式である。本実施形態において、蓄電装置は、リチウムイオンキャパシタ９（ＬｉＣ：Lithium ion Capacitor）である。

駆動システム６Ａは、燃料電池８と、燃料電池８に並列に接続されるリチウムイオンキャパシタ９と、燃料電池８及びリチウムイオンキャパシタ９の少なくとも一方から給電されるポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１と、を備える。ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれは、電動モータである。

また、駆動システム６Ａは、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに接続される電力ライン１３と、燃料電池８と電力ライン１３の第１部分１３Ａとを接続する第１接続ライン１４と、リチウムイオンキャパシタ９と電力ライン１３の第２部分１３Ｂとを接続する第２接続ライン１５と、燃料電池８と第１部分１３Ａとの間の第１接続ライン１４に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ１６（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、を備える。

燃料電池８は、水素と酸素とを電気化学反応させて発電する。燃料電池８は、旋回体３に配置される。燃料電池８に水素タンク１２が接続される。水素タンク１２は、旋回体３に配置される。旋回体３の少なくとも一部に外気導入口が設けられる。燃料電池８は、水素タンク１２から供給された水素と、外気導入口から導入された空気に含まれる酸素とを電気化学反応させて発電する。

リチウムイオンキャパシタ９は、回生エネルギーを蓄える。本実施形態において、リチウムイオンキャパシタ９は、旋回モータ１１の回生エネルギーを蓄える。リチウムイオンキャパシタ９は、旋回モータ１１の回生電圧及び燃料電池８の電圧の一方又は両方により充電される。リチウムイオンキャパシタ９は、第２接続ライン１５を介して供給される旋回モータ１１からの回生電力により充電される。リチウムイオンキャパシタ９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６及び第２接続ライン１５を介して供給される燃料電池８からの電力により充電される。リチウムイオンキャパシタ９は、旋回体３に配置される。リチウムイオンキャパシタ９は、正極と負極とを有する。リチウムイオンキャパシタ９の正極の材料と負極の材料とは、異なる。リチウムイオンキャパシタ９の正極は、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）の正極と同じ材料で形成される場合が多い。リチウムイオンキャパシタ９の負極は、リチウムイオン二次電池の負極と同じ材料で形成される場合が多い。リチウムイオンキャパシタ９の正極は、例えば活性炭により形成され、リチウムイオンキャパシタ９の負極は、例えば炭素により形成される。リチウムイオンキャパシタ９の充放電において、負極で化学反応が発生し、正極で化学反応が実質的に発生しない。

リチウムイオンキャパシタ９は、電気二重層キャパシタよりも、高いエネルギー密度［Ｗｈ／Ｌ］を有する。エネルギー密度とは、単位体積当たりに取り出せるエネルギー量をいう。また、リチウムイオンキャパシタ９は、電気二重層キャパシタよりも、耐久性及び耐熱性に優れている。

リチウムイオンキャパシタ９は、リチウムイオン二次電池よりも、応答性に優れている。すなわち、リチウムイオンキャパシタ９は、リチウムイオン二次電池よりも、高速に充放電できる。

ポンプ駆動モータ１０は、燃料電池８及びリチウムイオンキャパシタ９の一方又は両方から供給される電力に基づいて作動する。作業機械１は、油圧ポンプ１９を備える。ポンプ駆動モータ１０は、油圧ポンプ１９を作動させる動力を発生する。油圧ポンプ１９は、電動モータであるポンプ駆動モータ１０により作動する。油圧ポンプ１９は、電動モータにより駆動される作業機械１の対象部の一例である。

油圧ポンプ１９から吐出された作動油は、制御弁２０を介して作業機シリンダ５及び走行体２の走行モータ２Ｃのそれぞれに供給される。作動油が作業機シリンダ５に供給されることにより、作業機シリンダ５が作動する。作動油が走行モータ２Ｃに供給されることにより、走行モータ２Ｃが作動する。走行モータ２Ｃは、走行体２の駆動輪２Ａを回転させる油圧モータである。

旋回モータ１１は、燃料電池８及びリチウムイオンキャパシタ９の一方又は両方から供給される電力に基づいて作動する。旋回モータ１１は、旋回体３を旋回させる動力を発生する。旋回体３は、電動モータである旋回モータ１１により旋回する。旋回体３は、電動モータにより駆動される作業機械１の対象部の一例である。

電力ライン１３は、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに接続される。電力ライン１３の一部は、インバータ１７を介してポンプ駆動モータ１０に接続される。電力ライン１３の他の一部は、インバータ１８を介して旋回モータ１１に接続される。

燃料電池８とリチウムイオンキャパシタ９とは、電力ライン１３に対して相互に並列接続される。燃料電池８と電力ライン１３の第１部分１３Ａとは、第１接続ライン１４を介して接続される。リチウムイオンキャパシタ９と電力ライン１３の第２部分１３Ｂとは、第２接続ライン１５を介して接続される。燃料電池８は、第１接続ライン１４及び電力ライン１３を介して、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに給電する。リチウムイオンキャパシタ９は、第２接続ライン１５及び電力ライン１３を介して、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに給電することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池８と電力ライン１３との間の第１接続ライン１４に配置される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池８の電圧を変換する。燃料電池８からの電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介してポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに供給される、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池８の電圧を所定の昇圧比で昇圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６により昇圧された燃料電池８の電圧がポンプ駆動モータ１０に接続されたインバータ１７及び旋回モータ１１に接続されたインバータ１８のそれぞれに印加される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、一次側から二次側のみに電力を出力可能な単方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の一次側は、低電圧側（燃料電池８側）である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の二次側は、高電圧側（電力ライン１３側）である。

インバータ１７は、電力ライン１３の一部に接続される。インバータ１７は、電力ライン１３からの直流電流を三相交流電流に変換して、ポンプ駆動モータ１０に供給する。ポンプ駆動モータ１０は、インバータ１７から供給された三相交流電流に基づいて駆動する。

インバータ１８は、電力ライン１３の一部に接続される。インバータ１８は、電力ライン１３からの直流電流を三相交流電流に変換して、旋回モータ１１に供給する。旋回モータ１１は、インバータ１８から供給された三相交流電流に基づいて駆動する。

燃料電池８は、駆動システム６Ａの主動力源である。燃料電池８は、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに電力を供給する。ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれは、専ら燃料電池８から供給された電力により駆動する。すなわち、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれを駆動させるための電力の大部分は、燃料電池８から出力される電力により担われる。リチウムイオンキャパシタ９から出力される電力は、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれの瞬時応答性が必要なときに使用される。

＜冷却システム＞
図３は、本実施形態に係る作業機械１の冷却システム２１を示す図である。図３に示すように、冷却システム２１は、作業機械１の油圧システム２２を冷却する第１冷却系２３と、リチウムイオンキャパシタ９、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、及び燃料電池システム７のコンポーネント２４を冷却する第２冷却系２５と、燃料電池システム７の燃料電池８を冷却する第３冷却系２７とを有する。燃料電池システム７のコンポーネント２４として、上述の外気導入口から燃料電池８に空気が供給されるように駆動するエアコンプレッサが例示される。

第１冷却系２３は、冷媒を冷却するラジエータ２３Ａと、ラジエータ２３Ａ及び油圧システム２２を含む循環流路２３Ｂと、循環流路２３Ｂにおいて冷媒を循環させる循環ポンプ２３Ｃとを含む。

第２冷却系２５は、冷媒を冷却するラジエータ２５Ａと、ラジエータ２５Ａ、リチウムイオンキャパシタ９、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、及びコンポーネント２４を含む循環流路２５Ｂと、循環流路２５Ｂにおいて冷媒を循環させる循環ポンプ２５Ｃとを含む。

第３冷却系２７は、冷媒を冷却するラジエータ２７Ａと、ラジエータ２７Ａ、及び燃料電池８を含む循環流路２７Ｂと、循環流路２７Ｂにおいて冷媒を循環させる循環ポンプ２７Ｃとを含む。

リチウムイオンキャパシタ９は、例えばリチウムイオン二次電池及び電気二重層キャパシタに比べて耐熱性に優れる。リチウムイオン二次電池及び電気二重層キャパシタの使用可能温度の上限値を温度Ｔ１とした場合、リチウムイオンキャパシタ９の使用可能温度の上限値は、温度Ｔ１よりも高い温度Ｔ２である。例えば、温度Ｔ１は、約６５℃であり、温度Ｔ２は、約８０℃である。そのため、リチウムイオンキャパシタ９の専用の冷却系を設けなくても済む。図３に示すように、本実施形態において、リチウムイオンキャパシタ９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６及び燃料電池システム７のコンポーネント２４を冷却するための第２冷却系２５により冷却される。すなわち、リチウムイオンキャパシタ９と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、燃料電池システム７のコンポーネント２４とは、第２冷却系２５を共用する。これにより、冷却システム２１の大型化が抑制される。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、耐久性を有し大型化を抑制できる燃料電池システム７を備える作業機械１が提供される。本実施形態において、燃料電池システム７は、燃料電池８を主動力源とする駆動方式である。蓄電装置を主動力源とする駆動方式とは異なり、燃料電池８を主動力源とする駆動方式の燃料電池システム７においては、大容量の蓄電装置が不要である。そのため、燃料電池システム７の大型化が抑制される。また、リチウムイオンキャパシタ９は、リチウムイオン二次電池及び電気二重層キャパシタに比べて、耐久性及び耐熱性に優れている。また、リチウムイオンキャパシタ９のエネルギー密度［Ｗｈ／Ｌ］は、電気二重層キャパシタのエネルギー密度よりも高い。リチウムイオンキャパシタ９の出力密度［Ｗ／Ｌ］は、リチウムイオン二次電池及び電気二重層キャパシタの出力密度よりも高い。そのため、リチウムイオンキャパシタ９は、大型化されなくても、高い蓄電容量を確保することができる。

一般に、燃料電池８の応答性は、内燃エンジンの応答性よりも遅い。本実施形態においては、蓄電装置としてリチウムイオンキャパシタ９が使用されることにより、燃料電池８は、リチウムイオンキャパシタ９に適正にアシストされる。

図４は、内燃エンジンの応答性を示す図である。図５は、燃料電池の応答性を示す図である。図４及び図５において、横軸は時間を示し、縦軸は出力を示す。内燃エンジン又は燃料電池は、作業機械１の運転室に配置されている操作レバーがオペレータに操作されることにより、エネルギーの出力を開始する。図４及び図５に示す例において、操作レバーが時点ｔａにおいて操作される。図４に示すように、内燃エンジンにおいては、操作レバーの操作量に応じたエネルギーが時点ｔｂにおいて出力される。図５に示すように、燃料電池においては、操作レバーの操作量に応じたエネルギーが時点ｔｃにおいて出力される。時点ｔａから時点ｔｃまでの時間は、時点ｔａから時点ｔｂまでの時間よりも長い。このように、燃料電池の応答性は、内燃エンジンの応答性よりも遅い。

燃料電池を主動力源とする駆動方式において、蓄電装置は、操作レバーの操作量に応じたエネルギー（電力）が燃料電池８から出力されるまで、燃料電池８をアシストするようにエネルギーを出力する。すなわち、蓄電装置は、操作レバーの操作量に対する燃料電池８から出力されるエネルギーの不足分を補うようにエネルギーを出力する。図４及び図５に示すように、燃料電池８をアシストするために必要な蓄電装置のエネルギー量は、内燃エンジンをアシストするために必要な蓄電装置のエネルギー量よりも大きい。

仮に、蓄電装置として電気二重層キャパシタが使用される場合、電気二重層キャパシタのエネルギー密度がリチウムイオンキャパシタ９のエネルギー密度よりも小さいので、内燃エンジンをアシストする場合と同等の体積だとすると、電気二重層キャパシタは、燃料電池８を十分にアシストすることが困難となる。すなわち、電気二重層キャパシタでは、燃料電池８から出力されるエネルギーの不足分を十分に補うことが困難となる。

本実施形態においては、蓄電装置としてリチウムイオンキャパシタ９が使用される。リチウムイオンキャパシタ９のエネルギー密度は、電気二重層キャパシタのエネルギー密度よりも大きい。そのため、リチウムイオンキャパシタ９は、燃料電池８を十分にアシストすることができる。すなわち、リチウムイオンキャパシタ９は、燃料電池８から出力されるエネルギーの不足分を十分に補うようにエネルギーを出力することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その構成要素の説明を簡略又は省略する。

図６は、本実施形態に係る作業機械１の駆動システム６Ｂを示す図である。上述の第１実施形態に係る駆動システム６Ａと本実施形態に係る駆動システム６Ｂとの相違点は、駆動システム６Ｂが、リチウムイオンキャパシタ９と電力ライン１３の第２部分１３Ｂとの間の第２接続ライン１５に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ２８（第２ＤＣ／ＤＣコンバータ）を有する点にある。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６とＤＣ／ＤＣコンバータ２８とは、相互に並列接続される。

本実施形態においては、リチウムイオンキャパシタ９が燃料電池８から出力される電力の不足分を補う場合、リチウムイオンキャパシタ９からの電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介してポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８により昇圧されたリチウムイオンキャパシタ９の電圧がポンプ駆動モータ１０に接続されたインバータ１７及び旋回モータ１１に接続されたインバータ１８のそれぞれに印加される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、リチウムイオンキャパシタ９の電圧を所定の昇圧比で昇圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８により昇圧されたリチウムイオンキャパシタ９の電圧がポンプ駆動モータ１０に接続されたインバータ１７及び旋回モータ１１に接続されたインバータ１８のそれぞれに印加される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、一次側から二次側に電力を出力可能であり、二次側から一次側に電力を出力可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の一次側は、低電圧側（リチウムイオンキャパシタ９側）である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の二次側は、高電圧側（電力ライン１３側）である。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、旋回モータ１１の回生電圧を所定の降圧比で降圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８により降圧された旋回モータ１１の回生電圧がリチウムイオンキャパシタ９に印加されることにより、リチウムイオンキャパシタ９が充電される。

本実施形態において、リチウムイオンキャパシタ９は、旋回モータ１１の回生電圧及び燃料電池８の電圧の一方又は両方により充電される。リチウムイオンキャパシタ９は、第２接続ライン１５を介して供給される旋回モータ１１からの回生電力により充電される。リチウムイオンキャパシタ９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、第２接続ライン１５、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して供給される燃料電池８からの電力により充電される。

以上説明したように、本実施形態によれば、リチウムイオンキャパシタ９の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２８により昇圧され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８により昇圧されたリチウムイオンキャパシタ９の電圧がポンプ駆動モータ１０に接続されたインバータ１７及び旋回モータ１１に接続されたインバータ１８のそれぞれに印加される。これにより、リチウムイオンキャパシタ９の電圧が低くても、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１を駆動するための適正な電圧が得られる。

［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その構成要素の説明を簡略又は省略する。

図７は、本実施形態に係る作業機械１の駆動システム６Ｃを示す図である。駆動システム６Ｃは、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに接続される電力ライン１３と、燃料電池８と電力ライン１３の第１部分１３Ａとを接続する第１接続ライン１４と、リチウムイオンキャパシタ９と第１接続ライン１４の第３部分１４Ａとを接続する第３接続ライン２９と、燃料電池８と第３部分１４Ａとの間の第１接続ライン１４に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ａ（一次側ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、第３部分１４Ａと第１部分１３Ａとの間の第１接続ライン１４に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂ（二次側ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、を備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ａは、一次側から二次側のみに電力を出力可能な単方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ａの一次側は、低電圧側（燃料電池８側）である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ａの二次側は、高電圧側（第３部分１４Ａ側）である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ａは、燃料電池８の電圧を所定の昇圧比で昇圧する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂは、一次側から二次側に電力を出力可能であり、二次側から一次側に電力を出力可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂの一次側は、低電圧側（リチウムイオンキャパシタ９側）である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂの二次側は、高電圧側（電力ライン１３側）である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂは、燃料電池８の電圧及びリチウムイオンキャパシタ９の電圧を所定の昇圧比で昇圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂは、旋回モータ１１の回生電圧を所定の降圧比で降圧する。

燃料電池８からの電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ａ及びＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂを介してポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ＡとＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂとにより昇圧された燃料電池８の電圧がポンプ駆動モータ１０に接続されたインバータ１７及び旋回モータ１１に接続されたインバータ１８のそれぞれに印加される。

リチウムイオンキャパシタ９が燃料電池８から出力される電力の不足分を補う場合、リチウムイオンキャパシタ９からの電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂを介してポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂにより昇圧されたリチウムイオンキャパシタ９の電圧がポンプ駆動モータ１０に接続されたインバータ１７及び旋回モータ１１に接続されたインバータ１８のそれぞれに印加される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂにより降圧された旋回モータ１１の回生電圧がリチウムイオンキャパシタ９に印加されることにより、リチウムイオンキャパシタ９が充電される。

また、リチウムイオンキャパシタ９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ａ及び第３接続ライン２９を介して供給された燃料電池８からの電力により充電される。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１接続ライン１４に複数のＤＣ／ＤＣコンバータ（１６Ａ，１６Ｂ）が配置されるので、１つのＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧比が低くても、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１を駆動するための適正な電圧が燃料電池８から得られる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｂにより、リチウムイオンキャパシタ９の電圧が低くても、電圧がポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１を駆動するための適正な電圧がリチウムイオンキャパシタ９から得られる。また、燃料電池８の電力によりリチウムイオンキャパシタ９を充電する場合、燃料電池８とリチウムイオンキャパシタ９との間に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータの数がＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ａの１つだけなので、充電の効率が良い。

［第４実施形態］
第４実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その構成要素の説明を簡略又は省略する。

図８は、本実施形態に係る作業機械１の駆動システム６Ｄを示す図である。駆動システム６Ｄは、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに接続される電力ライン１３と、燃料電池８と電力ライン１３の第１部分１３Ａとを接続する第１接続ライン１４と、リチウムイオンキャパシタ９と電力ライン１３の第２部分１３Ｂとを接続する第２接続ライン１５と、燃料電池８と第１部分１３Ａとの間の第１接続ライン１４に配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃ（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ）、を備える。

本実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃは、一次側から二次側のみに電力を出力可能な単方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃの一次側は、低電圧側（燃料電池８側）である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃの二次側は、高電圧側（電力ライン１３側）である。

本実施形態において、駆動システム６Ｄは、昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０と、燃料電池８と昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０との接続状態を変更するスイッチ装置３０とを備える。

スイッチ装置３０は、燃料電池８とＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃとが昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０を介して直列接続される第１状態と、燃料電池８とＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃとが昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０を介さずに直列接続される第２状態とを切り換える。

また、スイッチ装置３０は、昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０が充電されるように燃料電池８からの電力が昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０に供給される第３状態に切り換える。

スイッチ装置３０は、燃料電池８に接続される第１スイッチ部材３１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃに接続される第２スイッチ部材３２とを含む。

昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０の負極に第１端子４１及び第３端子４３が接続される。第１端子４１と第３端子４３とは、昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０の負極に対して相互に並列接続される。昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０の正極に第２端子４２が接続される。

第１スイッチ部材３１は、第１端子４１及び第２端子４２の一方に接続される。第２スイッチ部材３２は、第２端子４２及び第３端子４３の一方に接続される。燃料電池８は、第１スイッチ部材３１を介して第１端子４１及び第２端子４２の一方に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃは、第２スイッチ部材３２を介して第２端子４２及び第３端子４３の一方に接続される。

第１状態は、第１スイッチ部材３１が第１端子４１に接続され、第２スイッチ部材３２が第２端子４２に接続される状態を含む。第１状態において、燃料電池８と昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０とＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃとは、直列接続される。

第２状態は、第１スイッチ部材３１が第１端子４１に接続され、第２スイッチ部材３２が第３端子４３に接続される状態を含む。また、第２状態は、第１スイッチ部材３１及び第２スイッチ部材３２の両方が第２端子４２に接続される状態を含む。第２状態において、燃料電池８とＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃとは、昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０を介さずに直列接続される。

第３状態は、第１スイッチ部材３１が第２端子４２に接続され、第２スイッチ部材３２が第３端子４３に接続される状態を含む。

第１状態において、燃料電池８からの電力が昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０に供給され、昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０からの電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃを介してポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃは、燃料電池８の電圧を所定の昇圧比で昇圧する。第１状態において、燃料電池８の電圧が昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０により昇圧され、昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０により昇圧された燃料電池８の電圧が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃにより更に昇圧される。昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０及びＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃにより昇圧された燃料電池８の電圧がポンプ駆動モータ１０に接続されたインバータ１７及び旋回モータ１１に接続されたインバータ１８のそれぞれに印加される。第１状態において、燃料電池８からの電力が昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０の負極に入力され、昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０の正極から出力された電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃに入力される。

第２状態において、燃料電池８からの電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃを介してポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１のそれぞれに供給される。第２状態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃにより昇圧された燃料電池８の電圧がポンプ駆動モータ１０に接続されたインバータ１７及び旋回モータ１１に接続されたインバータ１８のそれぞれに印加される。

第３状態において、燃料電池８からの電力が昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０の正極に入力され、昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０の負極から出力された電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃに入力される。昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０は、燃料電池８からの電力により充電される。昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０により降圧された燃料電池８の電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃに入力される。

本実施形態において、リチウムイオンキャパシタ９は、旋回モータ１１の回生電圧及び燃料電池８の電圧の一方又は両方により充電される。リチウムイオンキャパシタ９は、第２接続ライン１５を介して供給される旋回モータ１１からの回生電力により充電される。リチウムイオンキャパシタ９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃ及び第２接続ライン１５を介して供給される燃料電池８からの電力により充電される。

一般に、燃料電池８から出力される電流が小さい場合、燃料電池８の電圧が高くなり、燃料電池８から出力される電流が大きい場合、燃料電池８の電圧が低くなる。すなわち、燃料電池８の電圧は、変動する。本実施形態においては、燃料電池８の電圧が低い場合、第１状態になるようにスイッチ装置３０が作動する。第１状態においては、燃料電池８と昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０とが直列接続される。昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃの昇圧比を過度に高めなくても、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１を駆動するための適正な電圧が得られる。燃料電池８の電圧が高い場合、第３状態になるようにスイッチ装置３０が作動する。第３状態においては、燃料電池８と昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０とが第１状態とは逆向きに直列接続される。燃料電池８の電圧が昇圧用リチウムイオンキャパシタ９０により降圧されるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６Ｃに入力される電圧の電動が抑制される。燃料電池８の電圧が中程度の場合、第２状態になるようにスイッチ装置３０が作動する。

［第５実施形態］
第５実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その構成要素の説明を簡略又は省略する。

図９は、本実施形態に係る作業機械１の駆動システム６Ｅを示す図である。本実施形態に係る駆動システム６Ｅは、上述の第１実施形態に係る駆動システム６Ａの変形例である。上述の実施形態においては、燃料電池８及びリチウムイオンキャパシタ９の少なくとも一方から給電される電動モータが、ポンプ駆動モータ１０及び旋回モータ１１を含むこととした。燃料電池８及びリチウムイオンキャパシタ９の少なくとも一方から給電される電動モータが、ポンプ駆動モータ１０のみでもよい。

本実施形態において、旋回体３を旋回させる旋回モータ１１０は、油圧ポンプ１９から吐出された作動油により作動する油圧モータである。油圧ポンプ１９は、旋回モータ１１０に供給される作動油を吐出する。油圧ポンプ１９から吐出された作動油は、制御弁２０を介して旋回モータ１１０に供給される。

なお、上述の第２実施形態に係る駆動システム６Ｂ、第３実施形態に係る駆動システム６Ｃ、及び第４実施形態に係る駆動システム６Ｄのそれぞれにおいても、燃料電池８及びリチウムイオンキャパシタ９の少なくとも一方から給電される電動モータが、ポンプ駆動モータ１０のみでもよい。

［その他の実施形態］
上述の実施形態において、作業機械１が油圧ショベルであることとした。作業機械１は、ブルドーザでもよいし、ホイールローダでもよい。

１…作業機械、２…走行体、２Ａ…駆動輪、２Ｂ…履帯、２Ｃ…走行モータ、３…旋回体、４…作業機、４Ａ…ブーム、４Ｂ…アーム、４Ｃ…バケット、５…作業機シリンダ、５Ａ…ブームシリンダ、５Ｂ…アームシリンダ、５Ｃ…バケットシリンダ、６Ａ…駆動システム、６Ｂ…駆動システム、６Ｃ…駆動システム、６Ｄ…駆動システム、６Ｅ…駆動システム、７…燃料電池システム、８…燃料電池、９…リチウムイオンキャパシタ、１０…ポンプ駆動モータ（電動モータ）、１１…旋回モータ（電動モータ）、１２…水素タンク、１３…電力ライン、１３Ａ…第１部分、１３Ｂ…第２部分、１４…第１接続ライン、１４Ａ…第３部分、１５…第２接続ライン、１６…ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ）、１６Ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ（一次側ＤＣ／ＤＣコンバータ）、１６Ｂ…ＤＣ／ＤＣコンバータ（二次側ＤＣ／ＤＣコンバータ）、１６Ｃ…ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ）、１７…インバータ、１８…インバータ、１９…油圧ポンプ、２０…制御弁、２１…冷却システム、２２…油圧システム、２３…第１冷却系、２３Ａ…ラジエータ、２３Ｂ…循環流路、２３Ｃ…循環ポンプ、２４…コンポーネント、２５…第２冷却系、２５Ａ…ラジエータ、２５Ｂ…循環流路、２５Ｃ…循環ポンプ、２７…第３冷却系、２７Ａ…ラジエータ、２７Ｂ…循環流路、２７Ｃ…循環ポンプ、２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ（第２ＤＣ／ＤＣコンバータ）、２９…第３接続ライン、３０…スイッチ装置、３１…第１スイッチ部材、３２…第２スイッチ部材、４１…第１端子、４２…第２端子、４３…第３端子、９０…昇圧用リチウムイオンキャパシタ、１１０…旋回モータ。

Claims (18)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に並列接続されるリチウムイオンキャパシタと、
   前記燃料電池及び前記リチウムイオンキャパシタの少なくとも一方から給電される電動モータと、
   前記電動モータにより駆動される対象部と、を備える、
   作業機械。
2. 前記電動モータに接続される電力ラインと、
   前記燃料電池と前記電力ラインの第１部分とを接続する第１接続ラインと、
   前記リチウムイオンキャパシタと前記電力ラインの第２部分とを接続する第２接続ラインと、
   前記燃料電池と前記第１部分との間の前記第１接続ラインに配置される第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備え、
   前記燃料電池からの電力が前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電動モータに供給される、
   請求項１に記載の作業機械。
3. 前記リチウムイオンキャパシタと前記第２部分との間の前記第２接続ラインに配置される第２ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、
   前記リチウムイオンキャパシタからの電力が前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電動モータに供給される、
   請求項２に記載の作業機械。
4. 前記リチウムイオンキャパシタは、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第２接続ラインを介して供給される前記燃料電池からの電力により充電される、
   請求項２又は請求項３に記載の作業機械。
5. 前記電動モータに接続される電力ラインと、
   前記燃料電池と前記電力ラインの第１部分とを接続する第１接続ラインと、
   前記リチウムイオンキャパシタと前記第１接続ラインの第３部分とを接続する第３接続ラインと、
   前記燃料電池と前記第３部分との間の前記第１接続ラインに配置される一次側ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記第３部分と前記第１部分との間の前記第１接続ラインに配置される二次側ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備え、
   前記燃料電池からの電力が前記一次側ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記二次側ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電動モータに供給される、
   請求項１に記載の作業機械。
6. 前記リチウムイオンキャパシタからの電力が前記二次側ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電動モータに供給される、
   請求項５に記載の作業機械。
7. 前記リチウムイオンキャパシタは、前記一次側ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第３接続ラインを介して供給された前記燃料電池からの電力により充電される、
   請求項５又は請求項６に記載の作業機械。
8. 昇圧用リチウムイオンキャパシタと、
   前記燃料電池と第１ＤＣ／ＤＣコンバータとが前記昇圧用リチウムイオンキャパシタを介して直列接続される第１状態と、前記燃料電池と第１ＤＣ／ＤＣコンバータとが前記昇圧用リチウムイオンキャパシタを介さずに直列接続される第２状態とを切り換えるスイッチ装置と、を備える、
   請求項２に記載の作業機械。
9. 前記第１状態において、前記燃料電池からの電力が前記昇圧用リチウムイオンキャパシタに供給され、前記昇圧用リチウムイオンキャパシタからの電力が前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電動モータに供給され、
   前記第２状態において、前記燃料電池からの電力が前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電動モータに供給される、
   請求項８に記載の作業機械。
10. 前記スイッチ装置は、前記昇圧用リチウムイオンキャパシタが充電されるように前記燃料電池からの電力が前記昇圧用リチウムイオンキャパシタに供給される第３状態に切り換える、
    請求項８又は請求項９に記載の作業機械。
11. 前記第１状態において、前記燃料電池からの電力が前記昇圧用リチウムイオンキャパシタの負極に入力され、前記昇圧用リチウムイオンキャパシタの正極から出力された電力が前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータに入力され、
    前記第３状態において、前記燃料電池からの電力が前記昇圧用リチウムイオンキャパシタの正極に入力され、前記昇圧用リチウムイオンキャパシタの負極から出力された電力が前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される、
    請求項１０に記載の作業機械。
12. 前記燃料電池の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータを冷却する冷却系を備え、
    前記リチウムイオンキャパシタは、前記冷却系により冷却される、
    請求項１に記載の作業機械。
13. 油圧ポンプを備え、
    前記対象部は、前記電動モータにより作動する前記油圧ポンプを含む、
    請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の作業機械。
14. 作業機と、
    前記作業機を動作させる作業機シリンダと、を備え、
    前記油圧ポンプは、前記作業機シリンダに供給される作動油を吐出する、
    請求項１３に記載の作業機械。
15. 駆動輪を有する走行体と、
    前記駆動輪を回転させる走行モータと、を備え、
    前記油圧ポンプは、前記走行モータに供給される作動油を吐出する、
    請求項１３又は請求項１４に記載の作業機械。
16. 前記走行体に支持される旋回体と、
    前記旋回体を旋回させる旋回モータと、を備え、
    前記油圧ポンプは、前記旋回モータに供給される作動油を吐出する、
    請求項１５に記載の作業機械。
17. 走行体と、
    前記走行体に支持される旋回体と、を備え、
    前記対象部は、前記電動モータにより旋回する旋回体を含む、
    請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の作業機械。
18. 前記旋回体を旋回する前記電動モータの回生電圧により前記リチウムイオンキャパシタが充電される、
    請求項１７に記載の作業機械。

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