JP2023148664A - Hydrogen fuel cell-powered civil engineering machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素燃料電池駆動土木機械に関する。 The present invention relates to a hydrogen fuel cell powered earthmoving machine.
土木工事の現場は山間・僻地にあることも多く、また土木工事の現場が、インフラが整備された都市部にあっても工事は短期で終了するため、土木機械に使用されるモーターに電力を供給するために固定的な商用電源が用意されることはない。多くの場合、モーターに電力を供給するために、ディーゼルエンジンによる発電機が用いられてきた。 Civil engineering work sites are often located in mountainous or remote areas, and even if civil engineering work sites are located in urban areas with well-developed infrastructure, the work can be completed in a short period of time, so it is important to power the motors used in civil engineering machinery. There will be no fixed commercial power supply available. In many cases, diesel engine generators have been used to power the motors.
ディーゼルエンジンによる発電機は軽油を燃焼させるため、稼動時に騒音と排ガス（窒素酸化物）を発生するので環境を汚染する。さらに二酸化炭素（ＣＯ２）を排出するため地球に温暖化をもたらす原因となる。
土木機械に使用されるモーターに供給する電力をディーゼルエンジン発電機ではなく他のクリーンな方法によって得ることができれば、環境汚染と温暖化の問題解決に貢献できる。
Diesel engine generators burn light oil, which pollutes the environment as they generate noise and exhaust gas (nitrogen oxides) during operation. Furthermore, it emits carbon dioxide (CO 2 ), which causes global warming.
If the electricity supplied to the motors used in civil engineering machinery could be obtained using other clean methods rather than diesel engine generators, it could help solve the problems of environmental pollution and global warming.
特許文献１には、地面に穴を開けて掘削するよう構成された掘削機であって、穴内において制御された速度での降下行程中に掘削ストリングの電気的制動を実施するよう構成された電動モーターによって移動する掘削ストリングの動作装置を備える掘削機が開示されている。特許文献１に係る発明は燃料電池を備え、燃料電池は第１電動モーターの定格運転に必要な電力を発電する記載があるため、ディーゼルエンジンよりもクリーンな方法によってモーターに電力が供給されることが示されている。 US Pat. No. 5,001,001 discloses an electric drilling machine configured to drill a hole in the ground, the electric drilling machine configured to perform electrical braking of a drilling string during a descending stroke at a controlled speed in the hole. An excavator is disclosed that includes a drilling string operating device that is moved by a motor. The invention according to Patent Document 1 includes a fuel cell, and there is a description that the fuel cell generates the electric power necessary for the rated operation of the first electric motor, so electric power is supplied to the motor in a cleaner way than a diesel engine. It is shown.
一般的にモーターには起動時に大きな電流（突入電流）が流れる。突入電流に対処するために、モーターに電力を供給する電源は、モーターの定格電流を大きく上回る電流を提供せねばならず、設備投資上無駄が多い。このような事態を避けるため、従来、モーターの起動は、起動時にモーターに供給される電源に対して直列に抵抗を挿入することで電流を抑制し、モーターの回転が上昇すると、直列に挿入された抵抗を順次抵抗値の低いものに切り替え、最終的には抵抗をゼロにする手法を用いて、突入電流の抑制を行ってきた。こうすることによりモーターに供給される電流は、起動時においてもほぼモーターの定格電流に近い値とすることができるので、電源は、モーターの定格電流を供給する能力を持てば良いことになる。しかしながら、この方法では、モーターの起動は所謂スロースタートとなり起動時に大きなトルクが提供できないという問題点があった。 Generally, a large current (rush current) flows through a motor when it starts. In order to cope with the inrush current, the power supply that supplies power to the motor must provide a current that significantly exceeds the rated current of the motor, which is a waste of capital investment. To avoid this situation, conventionally, when starting a motor, the current is suppressed by inserting a resistor in series with the power supplied to the motor at the time of startup, and when the motor rotation increases, a resistor is inserted in series. Inrush current has been suppressed by sequentially switching the resistors used to reduce the resistance to ones with lower resistance values, and ultimately reducing the resistance to zero. By doing this, the current supplied to the motor can be set to a value close to the rated current of the motor even at the time of startup, so the power supply only needs to have the ability to supply the rated current of the motor. However, with this method, there is a problem in that the starting of the motor is a so-called slow start, and a large torque cannot be provided at the time of starting.
電車に使用されるモーターのように、起動時の負荷が充分に予測可能であるときにはこの方法は有効である。しかしながら、建設現場で用いられるオーガーシステムの場合、掘り進む地層において、起動時に大きなトルクが必要な場合がある。このようなときに上述の方法は適用が困難であった。
起動後においても、オーガーの先端が予測できない硬い岩盤に当たったとき、オーガーは大きなトルクを必要とし、このときオーガーのモーターには予測できないタイミングで過電流が流れることがある。このような状況に対しても、上述の方法は適用が困難であった。
This method is effective when the load at startup is sufficiently predictable, such as with motors used in trains. However, in the case of an auger system used at a construction site, a large amount of torque may be required at the time of start-up in the stratum being dug. In such cases, the above-mentioned method is difficult to apply.
Even after startup, the auger requires a large amount of torque when the tip of the auger hits unpredictable hard rock, which can cause excessive current to flow through the auger motor at unpredictable times. Even in such a situation, the above-mentioned method is difficult to apply.
そこで、建設現場では、起動時における抵抗直列挿入を行わず、その代わりオーガーのモーターの定格出力よりも大幅に大きな容量（例えば２倍～５倍）を有する電源を用意する、すなわち電源の最大電力供給能力を起動時や過負荷時に合わせて用意することで、問題の解決を行っていた。このように、建設機械に使用されるモーターの電源では、定格回転時にモーターが必要とする電力よりも大きい電源を用意する必要があるため、前述のように設備投資上大きな無駄が生じていた。 Therefore, at construction sites, we do not insert a resistor in series at startup, but instead prepare a power supply with a capacity significantly larger (for example, 2 to 5 times) than the rated output of the auger motor, that is, the maximum power of the power supply. The problem was solved by preparing supply capacity for startup and overload times. As described above, it is necessary to prepare a power source for a motor used in construction machinery that is larger than the power required by the motor at its rated rotation, resulting in a large waste of capital investment as described above.
特許文献１には、燃料電池にキャパシタが接続されて、これら２つの要素から電源が構成されているが、この技術においては、キャパシタと燃料電池の負荷分担が開示されておらず、過剰な負荷が生じたときに対応できない欠点があった。 In Patent Document 1, a capacitor is connected to a fuel cell, and a power source is constructed from these two elements, but this technology does not disclose load sharing between the capacitor and the fuel cell, and an excessive load may occur. It had the disadvantage of not being able to respond when a problem occurred.
本発明の課題は、土木機械に使用されるオーガーに電力を供給する電源を燃料電池と蓄電装置の両者から得ることで、燃料電池は燃料として水素を用いるために排出されるのは水だけであり、環境汚染がなく地球の温暖化を促進せず、燃料電池と蓄電装置の間で負荷の大きさに応じて負荷分担を行うことで設備投資上の無駄がない水素燃料電池駆動土木機械を提供することである。 The problem of the present invention is to obtain power from both a fuel cell and a power storage device to supply power to augers used in civil engineering machinery.Since fuel cells use hydrogen as fuel, only water is emitted. hydrogen fuel cell-powered civil engineering machinery that does not pollute the environment, does not promote global warming, and eliminates wasted capital investment by sharing the load between the fuel cell and the power storage device according to the size of the load. It is to provide.
請求項１に係る発明は、水素燃料電池発電機からの電力で稼働する土木機械であって、当該土木機械は燃料供給部と、燃料電池と、パワーコンディショナーと、蓄電装置と、オーガーを含み、前記燃料供給部は気体状態の水素を前記燃料電池に供給可能であり、前記燃料電池は、前記水素から少なくとも前記オーガーの定格運転に必要な電力を発電し、前記オーガーに供給可能であり、前記蓄電装置は、前記オーガーの起動時または過負荷運転時に必要な電力と定格運転に必要な電力の差分を前記オーガーに供給可能であり、前記パワーコンディショナーは、第１の状態において電力を前記燃料電池と前記蓄電装置の両者から前記オーガーに供給可能であり、第２の状態において電力を前記燃料電池のみから前記オーガーに供給可能であり、前記オーガーはパワーコンディショナーから供給される電力によって土木機械を駆動することを特徴とする水素燃料電池駆動土木機械に関する。 The invention according to claim 1 is a civil engineering machine that operates with electric power from a hydrogen fuel cell generator, and the civil engineering machine includes a fuel supply section, a fuel cell, a power conditioner, a power storage device, an auger, The fuel supply unit is capable of supplying hydrogen in a gaseous state to the fuel cell, and the fuel cell is capable of generating power from the hydrogen at least necessary for the rated operation of the auger and supplying it to the auger, The power storage device is capable of supplying the auger with a difference between the power required during startup or overload operation of the auger and the power required for rated operation, and the power conditioner supplies power to the fuel cell in a first state. and the power storage device, and in a second state, power can be supplied to the auger only from the fuel cell, and the auger drives the civil engineering machine with the power supplied from the power conditioner. The present invention relates to a hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine characterized by:
請求項２に係る発明は、前記土木機械はアースオーガースクリュー、ダウンザホールハンマー掘進機またはテーブルマシンであることを特徴とする請求項１に記載の水素燃料電池駆動土木機械に関する。 The invention according to claim 2 relates to the hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine according to claim 1, wherein the civil engineering machine is an earth auger screw, a down-the-hole hammer excavator, or a table machine.
請求項３に係る発明は、オーガーの定格運転時にオーガーに消費される電力と起動時または過負荷運転時にオーガーに消費される電力の差分が、定格運転時にオーガーに消費される電力の２００％乃至５００％であることを特徴とする請求項１または２に記載の水素燃料電池駆動土木機械に関する。 The invention according to claim 3 is such that the difference between the power consumed by the auger during rated operation and the power consumed by the auger during startup or overload operation is 200% or more of the power consumed by the auger during rated operation. 3. The hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine according to claim 1 or 2, wherein the hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine is 500%.
請求項４に係る発明は、前記蓄電装置が、二次電池またはキャパシタであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水素燃料電池駆動土木機械に関する。 The invention according to claim 4 relates to the hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine according to any one of claims 1 to 3, wherein the power storage device is a secondary battery or a capacitor.
請求項１に係る発明は、水素燃料電池発電機からの電力で稼働する土木機械であって、当該土木機械は燃料供給部と、燃料電池と、パワーコンディショナーと、蓄電装置と、オーガーを含み、前記燃料供給部は気体状態の水素を前記燃料電池に供給可能であり、前記燃料電池は、前記水素から少なくとも前記オーガーの定格運転に必要な電力を発電し、前記オーガーに供給可能であるので、オーガーに電力を供給する電源をディーゼルエンジン発電機以外のクリーンな方法によって負荷分担を実現することができる。
さらに、前記燃料電池は、前記水素から少なくとも前記オーガーの定格運転に必要な電力を発電し、前記オーガーに供給可能であり、前記蓄電装置は、前記オーガーの起動または過負荷運転時に必要な電力と定格運転に必要な電力の差分を前記オーガーに供給可能であり、前記パワーコンディショナーは、第１の状態において電力を前記燃料電池と前記バッテリーの両者から前記オーガーに供給可能であり、第２の状態において電力を前記燃料電池のみから前記オーガーに供給可能であるので、定格時には燃料電池のみからオーガーに電力を供給し、起動時や過負荷時には燃料電池と蓄電装置の両者から電力を供給することができる。よって燃料電池の最大電力供給能力を起動時や過負荷時に合わせて用意する必要がなく、電源の出力をオーガーの定格出力と同程度とすることができる負荷分担を実現した、設備投資上の無駄がないシステムを提供することができる。
The invention according to claim 1 is a civil engineering machine that operates with electric power from a hydrogen fuel cell generator, and the civil engineering machine includes a fuel supply section, a fuel cell, a power conditioner, a power storage device, an auger, The fuel supply unit is capable of supplying hydrogen in a gaseous state to the fuel cell, and the fuel cell is capable of generating power from the hydrogen at least necessary for the rated operation of the auger and supplying it to the auger, Load sharing can be achieved using cleaner methods other than diesel engine generators to power the auger.
Furthermore, the fuel cell is capable of generating at least the electric power required for the rated operation of the auger from the hydrogen and supplying it to the auger, and the power storage device is configured to generate electric power necessary for starting or overloading the auger. The difference in power required for rated operation can be supplied to the auger, and the power conditioner can supply power from both the fuel cell and the battery to the auger in a first state, and the power conditioner can supply power to the auger from both the fuel cell and the battery in a second state. Since power can be supplied to the auger only from the fuel cell, power can be supplied to the auger only from the fuel cell during rated operation, and power can be supplied from both the fuel cell and the power storage device during startup or overload. can. Therefore, there is no need to prepare the fuel cell's maximum power supply capacity for startup or overload, and load sharing that allows the power supply output to be at the same level as the auger's rated output has been achieved, reducing the cost of capital investment. There is no system that can be provided.
請求項２に係る発明は、前記土木機械はアースオーガースクリュー、ダウンザホールハンマー掘進機またはテーブルマシンであるので、本願発明は幅広い掘削の現場に適用可能である。 In the invention according to claim 2, since the civil engineering machine is an earth auger screw, a down-the-hole hammer excavator, or a table machine, the present invention is applicable to a wide range of excavation sites.
請求項３に係る発明は、オーガーの定格運転時にオーガーに消費される電力と起動時または過負荷運転時にオーガーに消費される電力の差分が、定格運転時にオーガーに消費される電力の２００％乃至５００％であるので、オーガーシステム全体をコンパクトなシステムとすることができる。 The invention according to claim 3 is such that the difference between the power consumed by the auger during rated operation and the power consumed by the auger during startup or overload operation is 200% or more of the power consumed by the auger during rated operation. 500%, the entire auger system can be made into a compact system.
請求項４に係る発明は、前記蓄電装置が、二次電池またはキャパシタであるので、二次電池またはキャパシタが蓄えていた電力を放電した後、充電を行うことにより次の放電に備えることができる。電力の差分の供給を繰り返し行うことができる。 In the invention according to claim 4, since the power storage device is a secondary battery or a capacitor, after discharging the power stored in the secondary battery or capacitor, it is possible to prepare for the next discharge by charging. . The difference in power can be supplied repeatedly.
図１（ａ１）は、本発明の一実施形態にかかる水素燃料電池駆動土木機械（１）の一例の全体を示す概略説明図であり、図１（ａ２）は図１（ａ１）の水素燃料電池駆動土木機械のＸ部分の拡大図である。車体（２）にはクレーン（３）が取り付けられ、クレーン（３）にはワイヤー（４）が取り付けられワイヤー（４）にはオーガー（５）が吊り下げられている。オーガー（５）の回転軸（６）には地面を掘削するためのダウンザホールハンマー（７）が取り付けられている。ダウンザホールハンマー（７）の先端（ＴＰ１）が地面に接するように設置してオーガー（５）を起動させると、ダウンザホールハンマー（７）の先端（ＴＰ１）が上方向から地面を掘るとともに、高圧空気（８）を送って穴から土を排出する。
図１（ｂ）は、本発明にかかる水素燃料電池駆動土木機械（１）の変形例の全体を示す概略説明図である。車体（２）にはクレーン（３）が取り付けられ、クレーン（３）にはシャフト（１１）が鉛直に取り付けられ、シャフト（１１）にはシャフト（１１）に沿って上下に移動できるオーガー（５）が取り付けられている。オーガーの回転軸（１２）には地面を掘削するためのアースオーガースクリュー（１３）が取り付けられている。アースオーガースクリュー（１３）の先端（ＴＰ２）が地面に接するように設置してオーガー（５）を回転させると、アースオーガースクリュー（１３）の先端（ＴＰ２）が上方向から地面を掘るとともに、穴から土を排出することができる。
オーガー（５）にはオーガー（５）を駆動するための電源（１５）が付属する。
FIG. 1(a1) is a schematic explanatory diagram showing an entire example of a hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine (1) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1(a2) is a hydrogen fuel cell It is an enlarged view of the X section of the battery-powered civil engineering machine. A crane (3) is attached to the vehicle body (2), a wire (4) is attached to the crane (3), and an auger (5) is suspended from the wire (4). A down-the-hole hammer (7) for excavating the ground is attached to the rotating shaft (6) of the auger (5). When the tip (TP1) of the down-the-hole hammer (7) is installed so that it is in contact with the ground and the auger (5) is started, the tip (TP1) of the down-the-hole hammer (7) digs into the ground from above, and the high-pressure air ( 8) to drain the soil from the hole.
FIG. 1(b) is a schematic explanatory diagram showing the entire modification of the hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine (1) according to the present invention. A crane (3) is attached to the vehicle body (2), a shaft (11) is attached vertically to the crane (3), and an auger (5) that can move up and down along the shaft (11) is attached to the shaft (11). ) is attached. An earth auger screw (13) for excavating the ground is attached to the rotating shaft (12) of the auger. When the earth auger screw (13) is installed so that the tip (TP2) is in contact with the ground and the auger (5) is rotated, the earth auger screw (13) tip (TP2) digs into the ground from above and digs the hole. Soil can be removed from the
A power source (15) for driving the auger (5) is attached to the auger (5).
なお、本発明にかかる水素燃料電池駆動土木機械（１）は上記に限られるものではなく、テーブルマシン、バックホウ、小型バックホウ、ユンボ、油圧ショベル、パワーショベル、ドラグショベル、ローディングショベル、エクスカベータ、ショベルカー、ブレーカー、大型ブレーカー、ジャイアントブレーカー、圧砕機、破砕機、油圧クラッシャー、油圧カッター、鉄骨切断機、つかみ機、フォークグラブ、つかみバケット、フォークグラップル、クローラクレーン、ホイールクレーン、トラッククレーン、ラフター、ラフテレーン、オルター、オルテレーン、ユニック、パイルドライバ、ディーゼルパイルハンマ、油圧パイルハンマ、バイブロハンマ、バイブロ、振動ハンマ、オールケーシング掘削機、ベノト掘削機、アースドリル掘削機、油圧式杭圧入引抜機、パイラー、トラクタショベル、ホイルローダ、ローダ、ショベルローダ、ブルドーザ、自走式破砕機、ローラ、ロードローラ、スムーズローラ、マダカムローラ、タイヤローラ、振動ローラ、タンレムローラ、アスファルトフィニッシャ、コンクリートフィニッシャ、ぺーバ、路面切削機、ロードカッタ、ダンプトラック、ダンプカー、ダンプ、トラックミキサ、ミキサー車、生コン車、アジテータトラック、コンクリートポンプ車、コンクリート作業車、ハンドブレーカー・削孔機、コンクリートブレーカー、ピックハンマ、コールピック、ジャックハンマ、ランマ、タンパ、振動コンパクタ、バイブロプレート、コンクリートカッタ、空気圧縮機、ウォータージェットの電気を使用する物のいずれかであってもよい。 Note that the hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine (1) according to the present invention is not limited to the above, but includes table machines, backhoes, small backhoes, lift trucks, hydraulic excavators, power shovels, drag shovels, loading shovels, excavators, and shovel cars. , breaker, large breaker, giant breaker, crusher, crusher, hydraulic crusher, hydraulic cutter, steel cutting machine, gripping machine, fork grab, gripping bucket, fork grapple, crawler crane, wheel crane, truck crane, rafter, rough terrain, Alter, Alterrane, Unic, Pile driver, Diesel pile hammer, Hydraulic pile hammer, Vibro hammer, Vibro, Vibrating hammer, All casing excavator, Benoto excavator, Earth drill excavator, Hydraulic pile press-in/extraction machine, Piler, Tractor excavator, Wheel loader, Loader, shovel loader, bulldozer, self-propelled crusher, roller, road roller, smooth roller, Madakam roller, tire roller, vibrating roller, tandem roller, asphalt finisher, concrete finisher, paver, road milling machine, road cutter, dump truck, Dump truck, dump truck, truck mixer, mixer truck, ready-mixed concrete truck, agitator truck, concrete pump truck, concrete work truck, hand breaker/drilling machine, concrete breaker, pick hammer, coal pick, jack hammer, rammer, tamper, vibrating compactor, vibro It may be a plate, a concrete cutter, an air compressor, or a water jet that uses electricity.
電源（１５）の構成を図２に示す。電源（１５）は燃料電池（３０）と蓄電装置（３１）を含んでいる。
燃料電池（３０）は、複数のセルが積層され、直流電力をパワーコンディショナー（４１）に出力する。直流電力はパワーコンディショナー（４１）によって５０または６０Ｈｚ、２００Vの三相交流に変換される。
また、蓄電装置（３１）からの直流電力も同様にパワーコンディショナー（４１）によって５０または６０Ｈｚの２００Ｖの三相交流に変換される。
The configuration of the power source (15) is shown in FIG. The power source (15) includes a fuel cell (30) and a power storage device (31).
The fuel cell (30) has a plurality of stacked cells and outputs DC power to the power conditioner (41). The DC power is converted into 50 or 60Hz, 200V three-phase AC by a power conditioner (41).
Further, the DC power from the power storage device (31) is similarly converted into 200V three-phase AC at 50 or 60Hz by the power conditioner (41).
蓄電装置（３１）から出力された直流電力は、燃料電池（３０）から出力された直流電力に重畳され、パワーコンディショナーで交流に変換された電力がオーガー（５）に供給される。
燃料電池（３０）の定格出力電力（６０ｋＷ）は、オーガー（５）の定格運転時の消費電力（４５ｋＷ）のおよそ１．３倍である。オーガー（５）が定格運転をしているときには、オーガー（５）の電力はすべて燃料電池から供給される。しかしオーガーの起動時には定格運転時の電力の４．４倍程度の突入電力が消費される。一例としてオーガー（５）の突入消費電力は２００ｋＷにもなる。この電力は燃料電池（３０）のみでは賄いきれない。蓄電装置（３１）はオーガー（５）が消費する電力と燃料電池（３０）（定格電力６０ｋＷ）から供給される電力の差分の電力（１４０ｋＷ）を供給する。
The DC power output from the power storage device (31) is superimposed on the DC power output from the fuel cell (30), and the power converted to AC by the power conditioner is supplied to the auger (5).
The rated output power (60 kW) of the fuel cell (30) is approximately 1.3 times the power consumption (45 kW) of the auger (5) during rated operation. When the auger (5) is in rated operation, all power for the auger (5) is supplied from the fuel cell. However, when starting the auger, inrush power is consumed that is approximately 4.4 times the power during rated operation. As an example, the inrush power consumption of the auger (5) is as much as 200 kW. This electric power cannot be supplied only by the fuel cell (30). The power storage device (31) supplies power (140 kW) that is the difference between the power consumed by the auger (5) and the power supplied from the fuel cell (30) (rated power 60 kW).
燃料電池（３０）は、水素と酸素から電気を作り出すので、水素の供給系統と、空気（酸素）の供給系統と、電気出力系統を必要とする。また、熱が生じることから冷却水循環系統も必要とされる。水素は水素ボンベの圧力によって燃料電池（３０）内部に導入される。空気はエアコンプレッサー（図示せず）によって圧力を付加され燃料電池（３０）内部に導入される。排熱は冷却水によりラジエター（図示せず）から大気中に放熱される。燃料電池（３０）、水素の供給系統、空気（酸素）の供給系統、電気出力系統、および冷却水系統は一体で、燃料電池モジュール（３９）（図４にて後述する）を構成する。 Since the fuel cell (30) generates electricity from hydrogen and oxygen, it requires a hydrogen supply system, an air (oxygen) supply system, and an electrical output system. Additionally, since heat is generated, a cooling water circulation system is also required. Hydrogen is introduced into the fuel cell (30) by the pressure of the hydrogen cylinder. Air is pressurized by an air compressor (not shown) and introduced into the fuel cell (30). The exhaust heat is radiated into the atmosphere from a radiator (not shown) using cooling water. The fuel cell (30), hydrogen supply system, air (oxygen) supply system, electric output system, and cooling water system together constitute a fuel cell module (39) (described later in FIG. 4).
図３は、燃料電池（３０）、蓄電装置（３１）、パワーコンディショナー（４１）および土木機器（４９）の電気的な接続を示す。
パワーコンディショナー（４１）は、ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ（４７）、ＤＣ／ＡＣインバータ（４８）、ダイオード（４２）、パワーコンディショナー制御装置（６０）および充電制御装置（５２）を含んでいる。
燃料電池（３０）の出力は、ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ（４７）に接続されている。ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ（４７）の出力は、燃料電池への逆充電を防止するための逆流防止用のダイオード（４２）を経て、直流ラインＤにおいて蓄電装置（３１）とＤＣ／ＡＣインバータ（４８）の両者に接続される。ＤＣ／ＡＣインバータ（４８）の出力はオーガー（５）に代表される土木機器（４９）に接続される。
燃料電池（３０）からの充電電流は、充電電流を制御するための充電制御装置（５２）を経て蓄電装置（３１）を充電する。
パワーコンディショナー制御装置（６０）は、ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ（４７）、ＤＣ／ＡＣインバータ（４８）、充電制御装置（５２）等に接続されている。
FIG. 3 shows electrical connections among the fuel cell (30), power storage device (31), power conditioner (41), and civil engineering equipment (49).
The power conditioner (41) includes a DC/DC boost converter (47), a DC/AC inverter (48), a diode (42), a power conditioner control device (60), and a charging control device (52).
The output of the fuel cell (30) is connected to a DC/DC boost converter (47). The output of the DC/DC boost converter (47) passes through a backflow prevention diode (42) to prevent reverse charging to the fuel cell, and is then connected to the power storage device (31) and the DC/AC inverter (48) in the DC line D. ) are connected to both. The output of the DC/AC inverter (48) is connected to civil engineering equipment (49) such as an auger (5).
The charging current from the fuel cell (30) charges the power storage device (31) via a charging control device (52) for controlling the charging current.
The power conditioner control device (60) is connected to a DC/DC boost converter (47), a DC/AC inverter (48), a charging control device (52), and the like.
動作について説明する。
燃料電池（３０）から供給される直流はＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ（４７）によって昇圧され直流ラインＤでＤＣ／ＡＣインバータ（４８）に入力される。蓄電装置（３１）から供給される直流も直流ラインＤでＤＣ／ＡＣインバータ（４８）に入力される。
オーガー（５）の消費電力が燃料電池（３０）の定格出力より小さいときには、燃料電池（３０）から供給される直流電力の多くの部分は、ＤＣ／ＡＣインバータ（４８）によって５０または６０Ｈｚ、２００Ｖの３相交流に変換され、オーガー（５）に代表される土木機器（４９）に供給される。
燃料電池（３０）から供給される残りの電力は充電制御装置（５２）を介して、蓄電装置（３１）の充電のために使用することができる。典型的には図２に示したように、燃料電池（３０）からの出力は６０ｋＷであり、オーガー（５）が定格運転された場合オーガー（５）が必要とする電力は４５ｋＷであるので、充電には最大で１５ｋＷの電力を当てることが出来る。
オーガー（５）の消費電力が燃料電池（３０）の定格出力より大きいときには、燃料電池（３０）から供給される直流電力のすべては、オーガー（５）に代表される土木機器（４９）に供給される。蓄電装置（３１）からはオーガー（５）の消費電力と燃料電池（３０）の定格出力の差分が供給される。典型的には図２に示したようにオーガー（５）が起動時または過負荷運転された場合、オーガー（５）が必要とする電力は２００ｋＷであるので、燃料電池（３０）からの出力６０ｋＷとの差分である１４０ｋＷが蓄電装置（３１）から供給される。
パワーコンディショナー制御装置（６０）は、ＤＣ／ＤＣ昇圧コンバータ（４７）、ＤＣ／ＡＣインバータ（４８）、充電制御装置（５２）等を制御し、パワーコンディショナー（４１）の最適制御を行う。
The operation will be explained.
Direct current supplied from the fuel cell (30) is boosted by a DC/DC boost converter (47) and input to a DC/AC inverter (48) via a DC line D. Direct current supplied from the power storage device (31) is also input to the DC/AC inverter (48) via DC line D.
When the power consumption of the auger (5) is less than the rated output of the fuel cell (30), a large part of the DC power supplied from the fuel cell (30) is converted to 50 or 60 Hz, 200 V by the DC/AC inverter (48). It is converted into three-phase alternating current and supplied to civil engineering equipment (49) represented by an auger (5).
The remaining power supplied from the fuel cell (30) can be used to charge the power storage device (31) via the charging control device (52). Typically, as shown in FIG. 2, the output from the fuel cell (30) is 60 kW, and when the auger (5) is operated at its rated capacity, the power required by the auger (5) is 45 kW. Up to 15kW of electricity can be applied for charging.
When the power consumption of the auger (5) is greater than the rated output of the fuel cell (30), all of the DC power supplied from the fuel cell (30) is supplied to the civil engineering equipment (49) represented by the auger (5). be done. The power storage device (31) supplies the difference between the power consumption of the auger (5) and the rated output of the fuel cell (30). Typically, when the auger (5) is started up or operated under overload as shown in Figure 2, the power required by the auger (5) is 200 kW, so the output from the fuel cell (30) is 60 kW. The power storage device (31) supplies 140 kW, which is the difference between the two.
The power conditioner control device (60) controls the DC/DC boost converter (47), the DC/AC inverter (48), the charging control device (52), etc., and performs optimal control of the power conditioner (41).
充電制御装置（５２）について述べる。
蓄電装置（３１）がリチウムイオン二次電池であった場合には、蓄電装置（３１）への充電は充電制御装置（５２）を経て行われる。なぜならば、リチウムイオン二次電池は爆発を防止するために厳密な充電電流の制御が必要であるからである。
リチウムイオン二次電池は、満充電に近い状態まで充電を行うと爆発することがある。したがって充電は満充電容量の８０％まで行うことになっている。典型的な充電方法は、充電初期は大きな電流（例えば１．０Ｃ）で定電流充電を行い、決められた充電電圧に達したら低い電流値（例えば０．１Ｃ以下）で定電圧充電を行う。決められた状態に達したところで充電を終了し、充電完了と判断する。
リチウムイオン二次電池は、安全に放電を行える放電電圧の最低値（放電終止電圧）が決められており、この放電終止電圧に達した場合は、電池回路を遮断して使用できないようにする。
The charging control device (52) will be described.
When the power storage device (31) is a lithium ion secondary battery, charging of the power storage device (31) is performed via a charging control device (52). This is because lithium ion secondary batteries require strict control of charging current to prevent explosion.
Lithium-ion secondary batteries may explode if they are charged to near full charge. Therefore, charging is to be carried out to 80% of the full charge capacity. A typical charging method is to perform constant current charging at a large current (for example, 1.0 C) at the initial stage of charging, and then perform constant voltage charging at a low current value (for example, 0.1 C or less) when a predetermined charging voltage is reached. Charging ends when a predetermined state is reached, and it is determined that charging is complete.
Lithium ion secondary batteries have a minimum discharge voltage that allows safe discharge (discharge end voltage), and when this discharge end voltage is reached, the battery circuit is cut off and the battery cannot be used.
ここで蓄電装置（３１）はキャパシタであってもよく、二次電池でもよく、その両方の組み合わせであってもよい。二次電池はキャパシタに比べてより多くの電力を蓄えることができる。過負荷時の電流または突入電流が多い場合、もしくは過負荷時の電流または突入電流が長い時間流れる場合には、二次電池を用いることが好ましい。一方、キャパシタは劣化がなく、構造が単純で信頼性が高い。キャパシタが過負荷時の電流および突入電流をまかなうことができるのならば、蓄電装置（３１）においてキャパシタを用いることは二次電池を用いることより好ましい。 Here, the power storage device (31) may be a capacitor, a secondary battery, or a combination of both. Secondary batteries can store more power than capacitors. When the current or rush current during overload is large, or when the current or rush current during overload flows for a long time, it is preferable to use a secondary battery. On the other hand, capacitors do not deteriorate, have a simple structure, and are highly reliable. If the capacitor can cover the current and inrush current at the time of overload, using a capacitor in the power storage device (31) is preferable to using a secondary battery.
図４（ａ）は、本発明にかかる水素燃料電池駆動土木機械（１）の電源（１５）の外観を示す。水素燃料電池駆動土木機械（１）の電源（１５）は、電気部（７１）と燃料供給部（７２）からなる。電気部（７１）は、燃料電池モジュール（３９）と冷却装置であるクーリングファン（７３）および、電力系サブシステム（７４）を含んでいる。燃料電池モジュール（３９）は前述のように、燃料電池（３０）、水素の供給系統、空気（酸素）の供給系統、電気出力系統、および冷却水系統を含んでいる。電力系サブシステム（７４）には、前述のパワーコンディショナー（４１）および蓄電装置（３１）が組み込まれる。燃料供給部（７２）には、水素ボンベ（３６）４０本が並列に接続されて設置される。 FIG. 4(a) shows the external appearance of the power source (15) of the hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine (1) according to the present invention. The power source (15) of the hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine (1) consists of an electrical section (71) and a fuel supply section (72). The electrical section (71) includes a fuel cell module (39), a cooling fan (73) that is a cooling device, and a power subsystem (74). As described above, the fuel cell module (39) includes a fuel cell (30), a hydrogen supply system, an air (oxygen) supply system, an electrical output system, and a cooling water system. The power system subsystem (74) includes the aforementioned power conditioner (41) and power storage device (31). In the fuel supply section (72), 40 hydrogen cylinders (36) are installed and connected in parallel.
図４（ｂ）は、図４（ａ）の電源に含まれる燃料供給部（７２）の模式図である。実線は配管系統、破線は電気信号系統を表す。
水素ボンベ（３６）の最高内部圧力は１９．６ＭＰａであるが、当該最高内部圧力は１９．６ＭＰａに限定されることは無い。水素ガスの全貯蔵量は３００ｍ３未満である。
FIG. 4(b) is a schematic diagram of a fuel supply section (72) included in the power supply of FIG. 4(a). The solid line represents the piping system, and the broken line represents the electrical signal system.
Although the maximum internal pressure of the hydrogen cylinder (36) is 19.6 MPa, the maximum internal pressure is not limited to 19.6 MPa. The total storage volume of hydrogen gas is less than 300 m 3 .
水素ボンベ（３６）の出口にはボンベ元弁（８１）とボンベ口金（８２）とボンベ取合い弁（８３）が設けられている。複数の水素ボンベ（３６）からの配管は、高圧配管（８４）（図４（ｂ）において太線で示される）において１本の配管に接合され、まとめられる。高圧配管（８４）の下流に向かって、ボンベ圧力計（８５）、遮断弁（８６）、減圧弁（８７）が接続されている。減圧弁（８７）の下流には低圧配管（９０）（図４（ｂ）において細線で示される）により供給ガス圧力計（８８）、取り合い弁（８９）が設けられている。
燃料供給部（７２）の天井に水素センサー（１０１）が取り付けられている。水素センサー（１０１）は燃料供給部制御装置（１０４）に接続されている。燃料供給部（７２）の壁には排気ファン（１０２）が設けられている。排気ファン（１０２）が設けられた壁と対抗する壁には空気取り入れ口（１０３）が設けられている。
水素ボンベ（３６）から電気部（７１）に至る高圧配管（８４）および低圧配管（９０）は、金属製であり、金属製継手によって接続される。高圧配管（８４）および低圧配管（９０）を接続する継ぎ手はスウェージロック（登録商標）など食い込み型の継ぎ手であってもよいが、安全と信頼性の高さを考慮した場合、溶接が好ましい。
複数の水素ボンベ（３６）からの水素ガスは高圧配管（８４）において混ぜ合わされる。高圧配管（８４）に設けられたボンベ圧力計（８５）の示す圧力は、水素ボンベ（３６）に残留する水素ガスの圧力、すなわち水素の残量を示している。当該圧力は燃料供給部制御装置（１０４）に転送される。減圧弁（８７）は、最大１９．６ＭＰａの一次圧を１ＭＰａ未満の二次圧に減圧する。減圧弁の二次圧、すなわち電気部（７１）への水素供給圧力は供給ガス圧力計（８８）によって示される。
At the outlet of the hydrogen cylinder (36), a cylinder main valve (81), a cylinder cap (82), and a cylinder connecting valve (83) are provided. The pipes from the plurality of hydrogen cylinders (36) are joined and combined into one pipe at the high pressure pipe (84) (indicated by a bold line in FIG. 4(b)). A cylinder pressure gauge (85), a cutoff valve (86), and a pressure reducing valve (87) are connected downstream of the high pressure pipe (84). A supply gas pressure gauge (88) and a connecting valve (89) are provided downstream of the pressure reducing valve (87) via a low pressure pipe (90) (indicated by a thin line in FIG. 4(b)).
A hydrogen sensor (101) is attached to the ceiling of the fuel supply section (72). The hydrogen sensor (101) is connected to a fuel supply controller (104). An exhaust fan (102) is provided on the wall of the fuel supply section (72). An air intake port (103) is provided on the wall opposite to the wall provided with the exhaust fan (102).
The high-pressure pipe (84) and low-pressure pipe (90) leading from the hydrogen cylinder (36) to the electrical part (71) are made of metal and are connected by a metal joint. The joint that connects the high-pressure pipe (84) and the low-pressure pipe (90) may be a bite-type joint such as Swagelok (registered trademark), but in consideration of safety and reliability, welding is preferable.
Hydrogen gas from multiple hydrogen cylinders (36) is mixed in high pressure piping (84). The pressure indicated by the cylinder pressure gauge (85) provided in the high-pressure pipe (84) indicates the pressure of hydrogen gas remaining in the hydrogen cylinder (36), that is, the remaining amount of hydrogen. The pressure is transferred to the fuel supply controller (104). The pressure reducing valve (87) reduces the maximum primary pressure of 19.6 MPa to a secondary pressure of less than 1 MPa. The secondary pressure of the pressure reducing valve, ie, the hydrogen supply pressure to the electrical section (71), is indicated by the supply gas pressure gauge (88).
水素センサー（１０１）が水素の漏洩を検知すると、燃料供給部制御装置（１０４）は遮断弁（８６）を閉鎖し、水素漏洩警報が出される。水素が空気と混合しても爆発することがない濃度（爆発下限界）は４％であるため、水素漏えい警報装置の水素濃度の上限は爆発下限界の１／４である１％（２５％ＬＥＬ）に設定されている。水素漏えい警報が発報されると燃料供給部制御装置（１０４）は遮断弁（８６）を閉鎖し、電源（１５）を非常停止させる。
また排気ファン（１０２）の回転が停止すると、燃料供給部制御装置（１０４）は、排気ファン停止警報を発して遮断弁（８６）を閉鎖し、電源（１５）を非常停止させる。
When the hydrogen sensor (101) detects a hydrogen leak, the fuel supply controller (104) closes the shutoff valve (86) and issues a hydrogen leak alarm. The concentration at which hydrogen does not explode even when mixed with air (lower explosive limit) is 4%, so the upper limit of the hydrogen concentration for a hydrogen leak alarm system is 1% (25%), which is 1/4 of the lower explosive limit. LEL). When a hydrogen leak alarm is issued, the fuel supply unit control device (104) closes the cutoff valve (86) and makes an emergency stop of the power supply (15).
Further, when the rotation of the exhaust fan (102) stops, the fuel supply unit control device (104) issues an exhaust fan stop alarm, closes the cutoff valve (86), and makes an emergency stop of the power source (15).
上記した例は、水素が圧縮されたガスの状態で蓄えられるものであるが、この例に限定されることはなく水素は液体の状態で蓄えられて気化して使用されてもよく、水素吸蔵合金に蓄えられて使用されてもよい。 In the above example, hydrogen is stored in a compressed gas state; however, hydrogen is not limited to this example, and hydrogen may be stored in a liquid state and then vaporized before use. It may also be used stored in an alloy.
従来例においてはオーガー（５）に電力を供給するためにディーゼルエンジン発電機が用いられてきた。さらに、本発明に備えられるような蓄電装置（３１）による起動時の電力サポートは無かった。したがって、ディーゼルエンジン発電機は、モーターの定格出力の２倍～５倍の出力を有するものが使用されてきた。
逆に言えば、モーターが定格出力で運転されるときには、ディーゼルエンジンは定格出力の２０～４０％の部分負荷出力で運転されることになる。ディーゼルエンジンの熱効率が最大となる点は１００％近傍の出力で運転がなされる領域であるので、従来のオーガーにおいては、ディーゼルエンジン発電機は熱効率の良くないところで運転が為され、燃料の使用効率が悪いという問題点を有していた。
しかし、本発明による水素燃料電池駆動土木機械においては、オーガー（５）が定格で運転されているとき、燃料電池（３０）は自身の定格出力の８０％程度の電力を出力する。燃料電池（３０）は定格出力の５０～１００％負荷範囲において高効率を維持する特性のため、効率の良い領域で燃料電池（３０）を動作させることができるので、燃料の使用効率が良い。
In the prior art, a diesel engine generator has been used to power the auger (5). Furthermore, there was no power support at startup by the power storage device (31) as provided in the present invention. Therefore, diesel engine generators having an output two to five times the rated output of the motor have been used.
Conversely, when the motor is operated at the rated output, the diesel engine will be operated at a partial load output of 20 to 40% of the rated output. The thermal efficiency of a diesel engine is at its maximum in the region where it is operated at close to 100% output, so in conventional augers, diesel engine generators are operated in areas where thermal efficiency is not good, resulting in lower fuel usage efficiency. It had the problem of poor performance.
However, in the hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine according to the present invention, when the auger (5) is operated at its rated capacity, the fuel cell (30) outputs about 80% of its own rated output. Since the fuel cell (30) has a characteristic of maintaining high efficiency in a load range of 50 to 100% of the rated output, the fuel cell (30) can be operated in a high efficiency range, resulting in high fuel usage efficiency.
以下、本発明の水素燃料電池駆動土木機械（１）について実施例に基づいて更に詳細に説明する。しかしながら、本発明は斯かる実施例に限定されるものではない。
本発明者らは、実際のオーガー（５）を用いて起動時にオーガー（５）で消費される電力の測定を行った。オーガー（５）にディーゼルエンジン発電機を接続し、発電機から流れる電流をオシロスコープで計測した。オーガー（５）は三和機工社製であり定格出力は４５ｋＷであった。ディーゼルエンジン発電機は日本車両製造社製ＮＥＳ１５０ＳＨＥで、定格出力電力は１５０ｋＷであった。オーガー（５）に印加した電圧は３相２２０Ｖ６０Ｈｚの交流であった。
オーガーに印加される電圧の瞬時値と、上記電流の値から、オーガー（５）で消費される電力を求めた。図５はオーガー（５）の起動時の消費電力を表すグラフである。縦軸は電力（ｋＷ）、横軸は時間（秒）を意味する。
起動と同時に大きな電力が消費され、ピーク消費電力は２００ｋＷであり、０．８秒後に安定した空運転時の約２０ｋＷの消費電力となっている。起動時の突入電力はオーガー（５）の定格電力４５ｋＷの４．４倍程度であり、この突入電力はオーガー（５）の起動後０．８秒間にわたって消費されることがわかる。このように、起動時の突入電力の振る舞いを正確に観測することができた。
Hereinafter, the hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine (1) of the present invention will be explained in more detail based on Examples. However, the present invention is not limited to such embodiments.
The present inventors measured the power consumed by the auger (5) during startup using an actual auger (5). A diesel engine generator was connected to the auger (5), and the current flowing from the generator was measured with an oscilloscope. The auger (5) was manufactured by Sanwa Kiko Co., Ltd. and had a rated output of 45 kW. The diesel engine generator was a NES150SHE manufactured by Nippon Sharyo Manufacturing Co., Ltd., and its rated output power was 150kW. The voltage applied to the auger (5) was a three-phase 220 V, 60 Hz alternating current.
The power consumed by the auger (5) was determined from the instantaneous value of the voltage applied to the auger and the value of the above-mentioned current. FIG. 5 is a graph showing the power consumption when starting up the auger (5). The vertical axis means power (kW), and the horizontal axis means time (seconds).
A large amount of power is consumed at the time of startup, and the peak power consumption is 200 kW, and after 0.8 seconds, the power consumption becomes about 20 kW during stable idle operation. It can be seen that the inrush power at startup is about 4.4 times the rated power of 45 kW of the auger (5), and that this inrush power is consumed for 0.8 seconds after the auger (5) is started. In this way, we were able to accurately observe the behavior of inrush power during startup.
本発明は、土木機械に使用されるオーガー（５）に電力を供給する電源を燃料電池（３０）と蓄電装置（３１）の両者から得ることで、燃料電池は燃料として水素を用いるために排出されるのは水だけであり、環境汚染がなく地球の温暖化を促進せず、燃料電池（３０）と蓄電装置（３１）の間で負荷の大きさに応じて負荷分担を行うことで設備投資上の無駄がない水素燃料電池駆動土木機械（１）の提供に好適に利用される。 The present invention obtains power from both a fuel cell (30) and a power storage device (31) to supply power to an auger (5) used in civil engineering machinery. The only thing that is used is water, which causes no environmental pollution and does not contribute to global warming, and the load is shared between the fuel cell (30) and the power storage device (31) according to the size of the load. It is suitably used to provide a hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine (1) that does not waste investment.
１ 水素燃料電池駆動土木機械
７ ダウンザホールハンマー
１３ アースオーガースクリュー
３０ 燃料電池
３１ 蓄電装置
４１ パワーコンディショナー
４９ 土木機器
７２ 燃料供給部
1 Hydrogen fuel cell driven civil engineering machine 7 Down-the-hole hammer 13 Earth auger screw 30 Fuel cell 31 Power storage device 41 Power conditioner 49 Civil engineering equipment 72 Fuel supply section
Claims (4)
前記燃料供給部は気体状態の水素を前記燃料電池に供給可能であり、
前記燃料電池は、前記水素から少なくとも前記オーガーの定格運転に必要な電力を発電し、前記オーガーに供給可能であり、
前記蓄電装置は、前記オーガーの起動時または過負荷運転時に必要な電力と定格運転に必要な電力の差分を前記オーガーに供給可能であり、
前記パワーコンディショナーは、第１の状態において電力を前記燃料電池と前記蓄電装置の両者から前記オーガーに供給可能であり、第２の状態において電力を前記燃料電池のみから前記オーガーに供給可能であり、
前記オーガーはパワーコンディショナーから供給される電力によって土木機械を駆動すること
を特徴とする水素燃料電池駆動土木機械。 A civil engineering machine that operates with electric power from a hydrogen fuel cell generator, the civil engineering machine including a fuel supply section, a fuel cell, a power conditioner, a power storage device, and an auger,
The fuel supply unit is capable of supplying hydrogen in a gaseous state to the fuel cell,
The fuel cell is capable of generating at least the electric power necessary for the rated operation of the auger from the hydrogen and supplying it to the auger,
The power storage device is capable of supplying the auger with the difference between the power required for startup or overload operation of the auger and the power required for rated operation,
The power conditioner is capable of supplying power to the auger from both the fuel cell and the power storage device in a first state, and is capable of supplying power only from the fuel cell to the auger in a second state,
A hydrogen fuel cell-driven civil engineering machine, wherein the auger drives the civil engineering machine using electric power supplied from a power conditioner.
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