JP6037702B2 - Fuel cell system for industrial vehicles - Google Patents
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Description
この発明は、産業車両における燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system in an industrial vehicle.
産業車両における燃料電池システムに関する従来の技術としては、例えば、特許文献１に開示された燃料電池車両用空調システムを挙げることができる。
特許文献１に開示された燃料電池車両用空調システムは、暖房用のヒータコアとして、空調装置側に設けた暖房用ヒータコアと、暖房用ヒータコアを補助するために燃料電池側に設けた補助暖房用ヒータを備えている。
特許文献１に開示された燃料電池車両用空調システムでは、温度センサにより検出された温度が冷却水供給温度以上であると制御部が判定した場合に、制御部はシャットバルブを開弁させて、冷却水を補助暖房用ヒータコアに供給させる。
その後、温度センサにより検出された温度が所定の閾値以下であると判定した場合に、燃料電池から放出される熱を増加させる。
燃料電池車両用空調システムによれば、燃料電池の廃熱を利用して効率よく暖房を行うことを可能としている。
As a conventional technique related to a fuel cell system in an industrial vehicle, for example, an air conditioning system for a fuel cell vehicle disclosed in
An air conditioning system for a fuel cell vehicle disclosed in
In the fuel cell vehicle air conditioning system disclosed in
Thereafter, when it is determined that the temperature detected by the temperature sensor is equal to or lower than a predetermined threshold, the heat released from the fuel cell is increased.
According to the fuel cell vehicle air conditioning system, it is possible to efficiently heat the waste heat of the fuel cell.
ところで、フォークリフト搭載の燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）においては、低温域で発電効率が悪いため、暖機が必要となる。
従って、この種の燃料電池システムを最初に起動する時には、発電効率を最良とする温度に達するまで燃料電池を暖機する必要がある。
燃料電池システムを搭載するフォークリフトは、燃料である水素の残量が少なくなると、車体に備えられた水素タンクに水素を充填する必要が生じる。
水素タンクへの水素の充填は水素ステーション（水素ガススタンド）において行うことができ、水素の充填に要する時間は１０分以内で済むことが多い。
燃料電池システムを搭載するフォークリフトの水素充填時間は、バッテリフォークリフトのバッテリ充電時間より大幅に短時間である。
このため、燃料電池システム搭載のフォークリフトは水素充填時間とバッテリ充電時間との比較ではバッテリフォークリフトに対する優位性を有する。
By the way, a fuel cell system equipped with a forklift requires warm-up in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) because power generation efficiency is low in a low temperature range.
Therefore, when this type of fuel cell system is first started up, it is necessary to warm up the fuel cell until a temperature that achieves the best power generation efficiency is reached.
A forklift equipped with a fuel cell system needs to be filled with hydrogen in a hydrogen tank provided in the vehicle body when the remaining amount of hydrogen as fuel decreases.
The hydrogen tank can be filled with hydrogen at a hydrogen station (hydrogen gas stand), and the time required for filling with hydrogen is often within 10 minutes.
The hydrogen filling time of the forklift equipped with the fuel cell system is much shorter than the battery charging time of the battery forklift.
For this reason, the forklift equipped with the fuel cell system has an advantage over the battery forklift in comparison between the hydrogen filling time and the battery charging time.
ところで、水素ステーションは屋外に設置されることが多く、運転中に水素の充填が必要となった場合には、水素ステーションへフォークリフトを移動し、水素充填は燃料電池の駆動を停止した状態にて行われる。
屋外（外気）の温度が一定温度以上の場合、水素充填中において停止中の燃料電池および冷却媒体（冷却水）の温度は著しく低下することがない。
このため、水素充填後に燃料電池を再び駆動するとき、燃料電池の暖機を行う必要はない。
By the way, the hydrogen station is often installed outdoors, and when it is necessary to charge hydrogen during operation, the forklift is moved to the hydrogen station, and the hydrogen filling is performed with the fuel cell stopped. Done.
When the outdoor (outside air) temperature is equal to or higher than a certain temperature, the temperatures of the fuel cell and the cooling medium (cooling water) that are stopped during hydrogen filling do not decrease significantly.
For this reason, when the fuel cell is driven again after hydrogen filling, it is not necessary to warm up the fuel cell.
しかしながら、例えば、寒冷地や冬季等では屋外の温度が低く、水素充填時間が短時間であっても、燃料電池および冷却媒体の温度は著しく低下する場合がある。
燃料電池および冷却媒体の温度が一定温度より低下した状態では、燃料電池は駆動しても低効率な発電しか行えず、十分な電力を出力することができない。
このため、燃料電池の暖機を行う必要があるが、発電効率を良好とする温度域に達するまで燃料電池を暖機するための時間が掛かるという問題がある。
因みに、特許文献１には燃料電池の廃熱を利用して暖房を効率的に行う点が開示されているに過ぎない。
However, for example, in cold regions and in winter, the temperature of the fuel cell and the cooling medium may be significantly reduced even if the outdoor temperature is low and the hydrogen filling time is short.
In a state where the temperature of the fuel cell and the cooling medium is lower than a certain temperature, the fuel cell can only generate power with low efficiency even if it is driven, and cannot output sufficient power.
For this reason, it is necessary to warm up the fuel cell, but there is a problem that it takes time to warm up the fuel cell until it reaches a temperature range where the power generation efficiency is good.
Incidentally,
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、駆動中の燃料電池を短時間停止することにより燃料電池および冷却媒体の温度が低下しても再起動時において冷却媒体を短時間で昇温することができる燃料電池システムの提供にある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to cool down at the time of restart even if the temperature of the fuel cell and the cooling medium is decreased by stopping the fuel cell being driven for a short time. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of raising the temperature of a medium in a short time.
上記の課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に冷却媒体を循環供給する冷却媒体回路と、前記冷却媒体回路に配置されるラジエータと、前記冷却媒体回路に配置され、冷却媒体を圧送する冷却媒体ポンプと、前記冷却媒体の温度を検出する温度センサと、を備えた産業車両における燃料電池システムにおいて、蓄熱可能な材料により形成され、車両重量を調整するウエイトと、前記冷却媒体回路に接続され、前記ウエイトの内部に冷却媒体を通すウエイト流路と、前記ウエイト流路と、前記ウエイト流路を迂回して前記燃料電池へ冷却媒体を通す流路との切り換えを行う切換弁と、前記温度センサにより検出される冷却媒体の温度に基づき、前記切換弁の切り換えを制御するコントローラと、を備え、冷却媒体のイオンを除去するイオン交換器が前記ウエイトの内部における前記ウエイト流路に配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention is arranged in a fuel cell, a cooling medium circuit that circulates and supplies a cooling medium to the fuel cell, a radiator disposed in the cooling medium circuit, and the cooling medium circuit. In a fuel cell system in an industrial vehicle provided with a cooling medium pump that pumps the cooling medium and a temperature sensor that detects the temperature of the cooling medium, a weight that is formed of a heat-storable material and adjusts the weight of the vehicle, Switching between a weight flow path that is connected to the cooling medium circuit and passes the cooling medium inside the weight, the weight flow path, and a flow path that bypasses the weight flow path and passes the cooling medium to the fuel cell. a switching valve that performs, based on temperature of the cooling medium detected by the temperature sensor, and a controller for controlling the switching of the switching valve, Io coolant Ion exchangers for removing is characterized in that it is arranged on the weight flow path in the interior of the weights.
本発明では、燃料電池の駆動時に冷却媒体の温度に基づき切換弁が制御される。
冷却媒体回路を通り、燃料電池を通過した冷却媒体は、切換弁の切り換えによりウエイト通路を通じてウエイトの内部を通ることができ、ウエイトと冷却媒体との熱交換によりウエイトに蓄熱させることができる。
本発明によれば、ウエイトに蓄熱させることにより蓄熱する手段を別に追加することなく燃料電池の廃熱を利用することができる。
駆動中の燃料電池を短時間停止することにより燃料電池および冷却媒体の温度が低下しても、燃料電池の再起動時にウエイトの蓄熱を利用することにより冷却媒体を短時間で昇温させることができる。
また、この場合、ウエイトの内部にイオン交換器が配置されることにより、燃料電池システムにおける容積効率を向上させることができる。
In the present invention, the switching valve is controlled based on the temperature of the cooling medium when the fuel cell is driven.
The cooling medium that has passed through the cooling medium circuit and passed through the fuel cell can pass through the weight through the weight passage by switching the switching valve, and heat can be stored in the weight by heat exchange between the weight and the cooling medium.
According to the present invention, the waste heat of the fuel cell can be used without adding another means for storing heat by storing the weight.
Even if the temperature of the fuel cell and the cooling medium decreases by stopping the driving fuel cell for a short time, the temperature of the cooling medium can be raised in a short time by using the heat storage of the weight when the fuel cell is restarted it can.
In this case, the volumetric efficiency in the fuel cell system can be improved by arranging the ion exchanger inside the weight.
また、上記の産業車両における燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の駆動時に冷却媒体の温度が予め設定した設定温度に達したとき、前記切換弁の制御により前記ウエイト流路へ冷却媒体を通し、前記ウエイト流路の冷却媒体と前記ウエイトとの熱交換により前記ウエイトに蓄熱させて前記ウエイトを蓄熱状態とし、予め設定した設定時間以内の前記燃料電池の停止後の再起動時に、前記ウエイト流路へ冷却媒体を流通させ、前記ウエイト流路の冷却媒体と蓄熱状態の前記ウエイトとの熱交換により冷却媒体の昇温を行い、昇温された冷却媒体を前記燃料電池へ供給する構成としてもよい。
この場合、燃料電池を通過した冷却媒体が予め設定した設定温度に達すると、冷却媒体は切換弁の切り換えによりウエイト通路を通じてウエイトの内部に通されるからウエイトに対する蓄熱を行うことができる。
燃料電池が設定時間以内の停止後に再起動されるとき、ウエイト流路へ冷却媒体を流通させると、ウエイト流路の冷却媒体は、冷却媒体と蓄熱状態のウエイトとの熱交換により昇温され、昇温された冷却媒体を燃料電池へ供給することができる。
Further, in the fuel cell system in the industrial vehicle, when the temperature of the cooling medium reaches a preset temperature when the fuel cell is driven, the cooling medium is passed through the weight channel by the control of the switching valve, Heat is stored in the weight by heat exchange between the cooling medium in the weight flow path and the weight, so that the weight is in a heat storage state, and when the fuel cell is restarted within a preset set time, the weight flow path is returned to the weight flow path. A configuration may be adopted in which a cooling medium is circulated, the temperature of the cooling medium is increased by heat exchange between the cooling medium in the weight flow path and the weight in the heat storage state, and the increased temperature of the cooling medium is supplied to the fuel cell.
In this case, when the cooling medium that has passed through the fuel cell reaches a preset set temperature, the cooling medium is passed through the weight passage through the weight passage by switching the switching valve, so that heat can be stored in the weight.
When the fuel cell is restarted after being stopped within the set time, if the cooling medium is circulated through the weight channel, the cooling medium in the weight channel is heated by heat exchange between the cooling medium and the weight in the heat storage state, The cooled cooling medium can be supplied to the fuel cell.
また、上記の産業車両における燃料電池システムにおいて、冷却媒体の温度が前記設定温度未満のとき、前記ウエイト流路を迂回して前記ラジエータへ冷却媒体を通す流路に冷却媒体を通す構成としてもよい。
この場合、燃料電池を通過した冷却媒体の温度が設定温度未満のときは、冷却媒体はウエイト流路を流れずウエイト流路を迂回してラジエータへ通す流路に流れるから、冷却媒体がウエイトにより冷却されることがない。
Further, in the fuel cell system in the industrial vehicle described above, when the temperature of the cooling medium is lower than the set temperature, the cooling medium may be passed through a flow path that bypasses the weight flow path and passes the cooling medium to the radiator. .
In this case, when the temperature of the cooling medium that has passed through the fuel cell is lower than the set temperature, the cooling medium does not flow through the weight flow path but flows through the flow path that bypasses the weight flow path and passes through the radiator. There is no cooling.
また、上記の産業車両における燃料電池において、前記ラジエータを迂回して前記冷却媒体回路における前記ラジエータの下流側へ前記ウエイト流路を通過した冷却媒体を通すウエイト側バイパス流路を有している構成としてもよい。
この場合、ウエイト流路を通過した冷却媒体は、ラジエータを通ることなく燃料電池へ供給され、ラジエータにおいて冷却されることがない。
Further, the fuel cell in the industrial vehicle includes a weight-side bypass passage that bypasses the radiator and passes the cooling medium that has passed through the weight passage to the downstream side of the radiator in the cooling medium circuit. It is good.
In this case, the cooling medium that has passed through the weight flow path is supplied to the fuel cell without passing through the radiator, and is not cooled in the radiator.
本発明によれば、駆動中の燃料電池を短時間停止することにより燃料電池および冷却媒体の温度が低下しても再起動時において冷却媒体を短時間で昇温することができる燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, there is provided a fuel cell system capable of raising the temperature of a cooling medium in a short time at the time of restart even if the temperature of the fuel cell and the cooling medium is lowered by stopping the driving fuel cell for a short time. Can be provided.
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る産業車両における燃料電池システムを図１及び図２に基づいて説明する。
本実施形態では、産業車両としてのフォークリフトに適用した例について説明する。
なお、方向を特定する「前後」、「左右」および「上下」については、フォークリフトのオペレータが運転席の運転シートに着座して、フォークリフトの前進側を向いた状態を基準として示す。
(First embodiment)
Hereinafter, the fuel cell system in the industrial vehicle according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
This embodiment demonstrates the example applied to the forklift as an industrial vehicle.
Note that “front / rear”, “left / right”, and “up / down” that specify the direction are based on a state in which the forklift operator is seated on the driving seat of the driver's seat and faces the forward side of the forklift.
図１に示すように、産業車両としてのフォークリフト１０は、車体１１の前部に荷役装置１２を備えている。
車体１１の中央付近には運転席１３が設けられている。
車体１１の前部には前輪としての駆動輪１４が設けられ、車体１１の後部には後輪としての操舵輪１５が設けられている。
車体１１の後部にはカウンタウエイト１６が備えられており、カウンタウエイト１６は車両重量の調整と車体１１における重量バランスを図るためのものである。
As shown in FIG. 1, a
A driver's
A
A
本実施形態のフォークリフト１０は、車体１１に搭載され、電力により駆動する走行モータ（図示せず）を備えたフォークリフトである。
車体１１における運転席１３の下方には、燃料電池システムをユニット化した燃料電池ユニットＦを収容する収容部１７が形成されている。
因みに、本実施形態のフォークリフトは、収容部１７に燃料電池ユニットＦを収容することができるほか、燃料電池ユニットＦに替えて多数のバッテリセルを備えたバッテリケースＢの収容が可能な、バッテリリプレイスメント式のフォークリフトである。
つまり、本実施形態の燃料電池ユニットＦはバッテリケースＢとの互換性を有している。
フォークリフト１０は、燃料電池ユニットＦを搭載した状態では燃料電池フォークリフトであり、バッテリケースＢを搭載した状態ではバッテリフォークリフトである。
A
Below the driver's
Incidentally, the forklift according to the present embodiment can accommodate the fuel cell unit F in the
That is, the fuel cell unit F of the present embodiment is compatible with the battery case B.
The
図２に示す燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２１を有している。
燃料電池２１は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成されている。
燃料電池２１は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスの供給を受けて、水素と酸素による電気化学反応により電力を発生させる。
燃料電池２１において得られた直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）により降圧され、キャパシタ等の二次電池（図示せず）に充電される。
The fuel cell system shown in FIG. 2 has a
The
The
The DC power obtained in the
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池２１に冷却水を循環供給する冷却水循環回路２２を備えている。
冷却水は冷却媒体に相当し、冷却水循環回路２２は冷却媒体回路に相当する。
本実施形態では、冷却水としてクーラント（ＬＬＣ）を採用している。
冷却水循環回路２２には冷却水を熱交換により冷却するラジエータ２３が配置されている。
ラジエータ２３はラジエータファン２４を備えており、ラジエータファン２４は駆動によりラジエータ２３における冷却水の冷却を促進するように、ラジエータ２３へ向けて送風する。
The fuel cell system of this embodiment includes a cooling
The cooling water corresponds to a cooling medium, and the cooling
In the present embodiment, coolant (LLC) is adopted as the cooling water.
A
The
冷却水循環回路２２にはバイパス流路２５が接続されている。
バイパス流路２５は、冷却水循環回路２２における燃料電池２１の冷却水出口とラジエータ２３の冷却水入口との間と、ラジエータ２３の冷却水出口と燃料電池２１の冷却水入口との間を接続する。
バイパス流路２５は、燃料電池２１から出る冷却水をラジエータ２３に通さずに迂回させる流路である。
冷却水循環回路２２には、ラジエータ２３へ冷却水を通す流路又はバイパス流路２５への冷却水の流通の切り換えを行うバイパス流路側三方弁２６が配置されている。
本実施形態では、冷却水循環回路２２において燃料電池２１とラジエータ２３との間を冷却水が循環する状態から、バイパス流路側三方弁２６の切り換えにより、冷却水がバイパス流路２５を通って循環する状態となる。
冷却水がバイパス流路２５を通って循環する状態では、冷却水のラジエータ２３への流入が回避される。
A
The
The
In the cooling
In the present embodiment, the cooling water circulates through the
In a state where the cooling water circulates through the
冷却水循環回路２２における冷却水循環回路２２とバイパス流路２５との合流部と燃料電池２１の冷却水入口との間には、冷却媒体ポンプとしての冷却水循環ポンプ２７が配置されている。
冷却水循環ポンプ２７は、冷却水を燃料電池２１へ圧送し、冷却水循環回路２２を循環させる。
冷却水循環回路２２における燃料電池２１の冷却水出口側には温度センサ２８が設けられている。
温度センサ２８は燃料電池２１から通過した冷却水の温度を検出する。
A cooling
The cooling
A
The
本実施形態では、燃料電池システムを構成する機器を制御するコントローラ２９が備えられている。
コントローラ２９は温度センサ２８およびバイパス流路側三方弁２６と接続されており、温度センサ２８が検出する冷却水の温度の検出信号を受信するほか、バイパス流路側三方弁２６に対して流路の切り換えの指令を出す。
本実施形態のコントローラ２９は、燃料電池２１の最初の起動時等、燃料電池２１や冷却水の温度が低く燃料電池２１の暖機が必要である場合には、燃料電池２１からの冷却水をバイパス流路２５へ通すようにバイパス流路側三方弁２６を切り換える。
このとき、燃料電池２１から出る冷却水はラジエータ２３を回避して、バイパス流路２５を通って循環するから、ラジエータ２３において冷却されることはない。
このため、冷却水をラジエータ２３に通す場合と比較して燃料電池２１の暖機を早く完了させることができる。
コントローラ２９は、冷却水の温度が高くなり、予め設定した設定温度に達した場合には、燃料電池２１からの冷却水をラジエータ２３へ通すようにバイパス流路側三方弁２６を切り換える。
このとき、燃料電池２１から出る冷却水はラジエータ２３を通り、ラジエータ２３において冷却され、冷却水循環回路２２を循環する。
In the present embodiment, a
The
When the temperature of the
At this time, the cooling water exiting from the
For this reason, it is possible to complete the warm-up of the
The
At this time, the coolant discharged from the
本実施形態の燃料電池システムは、蓄熱機能を有するウエイト３０と、ウエイト３０の内部に冷却水を流通するウエイト流路３１を有する。
ウエイト３０は燃料電池ユニットＦに設けられており、燃料電池ユニットＦをバッテリケースＢと同じ重量するために設けられている。
フォークリフト１０では、燃料電池ユニットＦの搭載時の車両重量とバッテリケースＢの搭載時の車両重量が同じとなる必要があるため、燃料電池ユニットＦに重量調整用のウエイト３０が設けられる。
ウエイト３０は蓄熱可能な材料（鋳鉄）により形成されており、燃料電池２１の燃料となる水素を貯蔵する水素タンク（図示せず）を覆うことが可能な形状を有する。
寒冷地や冬季等の低温環境下において予め設定した設定時間（約１０分）以内の燃料電池２１の停止であれば、ウエイト３０は温度低下を殆ど生じない程度の充分な熱容量、すなわち蓄熱機能を有している。
本実施形態では、予め設定した設定時間（約１０分）は、水素タンクに水素を充填するために要する最長の時間に合わせて設定されている。
ウエイト３０の内部におけるウエイト流路３１は、ウエイト３０と冷却水との熱交換を効率的に行えるようにできるだけ長い流路が設定されることが好ましい。
The fuel cell system of the present embodiment includes a
The
In the
The
If the
In the present embodiment, the preset set time (about 10 minutes) is set according to the longest time required for filling the hydrogen tank with hydrogen.
The
ウエイト流路３１は、冷却水循環回路２２においてバイパス流路側三方弁２６とラジエータ２３との間から分岐された流路である。
冷却水循環回路２２には、ラジエータ２３側への流路又はウエイト流路３１の切り換えを行うウエイト流路側三方弁３２が配置されている。
ウエイト流路３１は、冷却水循環回路２２におけるウエイト流路側三方弁３２とラジエータ２３との間に接続されている。
ウエイト流路側三方弁３２は、ウエイト流路３１と、ウエイト流路３１を迂回してラジエータ２３から燃料電池２１へ冷却水を通す流路とを切り換える切換弁に相当する。
本実施形態では、燃料電池２１を通過した冷却水は、ウエイト流路側三方弁３２の切り換えにより、燃料電池２１を出た冷却水がウエイト流路３１を通じてウエイト３０の内部を通過し、さらにラジエータ２３へ向かう。
ウエイト流路側三方弁３２は、コントローラ２９と接続されておりコントローラ２９の指令に基づき流路の切り換えを行う。
The
In the cooling
The
The weight flow path side three-
In the present embodiment, the cooling water that has passed through the
The weight flow path side three-
本実施形態では、コントローラ２９は、冷却水の温度が高くなった場合には、燃料電池２１からの冷却水をウエイト流路３１へ通すようにウエイト流路側三方弁３２を切り換える。
ウエイト流路３１へ温度の高い冷却水を通すことにより冷却水の熱をウエイト３０へ蓄熱させるためである。
本実施形態のコントローラ２９は、温度センサ２８により検出された冷却水の温度が予め設定した設定温度に達したときに、燃料電池２１からの冷却水をウエイト流路３１へ通すようにウエイト流路側三方弁３２を切り換える。
また、コントローラ２９は、燃料電池２１の短時間停止後の再起動後にも、燃料電池２１からの冷却水をウエイト流路３１へ通すようにウエイト流路側三方弁３２を切り換える。
In the present embodiment, the
This is because the heat of the cooling water is stored in the
The
The
本実施形態の燃料電池システムでは、ウエイト３０の内部のウエイト流路３１にイオン交換器３３が配置されている。
イオン交換器３３は冷却水に含まれるイオン性の不純物を除去する。
In the fuel cell system of this embodiment, an
The
次に、本実施形態の燃料電池システムにおける冷却水の循環について説明する。
まず、燃料電池２１を最初に起動する場合について説明する。
最初に起動する前の燃料電池２１および冷却水は低温であり燃料電池２１の暖機が必要な状態である。
この場合、燃料電池２１が最初に起動されると、コントローラ２９は冷却水がバイパス流路２５を通りラジエータ２３を回避するようにバイパス流路側三方弁２６を切り換える。
Next, the cooling water circulation in the fuel cell system of the present embodiment will be described.
First, the case where the
The
In this case, when the
冷却水循環ポンプ２７の起動により、燃料電池２１を通過した冷却水はバイパス流路側三方弁２６からバイパス流路２５を通り冷却水循環ポンプ２７を経て燃料電池２１へと循環する。
このとき、燃料電池２１を通過した冷却水はラジエータ２３を回避して通らないためラジエータ２３により冷却されることはなく、冷却水をラジエータ２３へ通す場合と比較して冷却水の温度上昇が早くなる。
冷却水の温度が上昇すると燃料電池２１の暖機が完了して燃料電池２１および冷却水は発電効率が良好な温度域となる。
When the cooling
At this time, the cooling water that has passed through the
When the temperature of the cooling water rises, the warm-up of the
冷却水の温度が上昇し、温度センサ２８により検出された冷却水の温度が予め設定した設定温度に達すると、コントローラ２９はバイパス流路２５への冷却水の流通を遮断し、ラジエータ２３へ冷却水を通すようにバイパス流路側三方弁２６を切り換える。
さらに、コントローラ２９は、冷却水をウエイト流路３１へ通すようにウエイト流路側三方弁３２を切り換える。
このため、燃料電池２１を出た冷却水はウエイト流路側三方弁３２からウエイト流路３１を通り、ウエイト３０の内部においてウエイト３０と熱交換を行う。
ウエイト３０とウエイト流路３１を通る冷却水との熱交換により、ウエイト３０への蓄熱が行われる。
When the temperature of the cooling water rises and the temperature of the cooling water detected by the
Further, the
For this reason, the cooling water exiting the
The heat storage in the
ウエイト流路３１を通る冷却水はイオン交換器３３を通過し、冷却水に含まれるイオン性の不純物はイオン交換器３３により除去され、冷却水の導電度が低くなる。
ウエイト３０により熱交換された冷却水はウエイト流路３１から冷却水循環回路２２へ合流され、ラジエータ２３へ向かう。
ラジエータ２３ではウエイト流路３１を通った冷却水を冷却する。
The cooling water passing through the
The cooling water heat-exchanged by the
The
燃料電池２１の駆動中はウエイト３０とウエイト流路３１の冷却水との熱交換を続けてウエイト３０への蓄熱を継続する。
ウエイト３０への蓄熱が継続され、ウエイト３０の熱容量を越える場合には、ウエイト３０への蓄熱ができなくなり、冷却水の余分な熱はラジエータ２３において放熱される。
この場合、燃料電池２１へ供給する冷却水の温度が高くなり過ぎないように、ラジエータファン２４による送風量が調節される。
While the
When the heat storage in the
In this case, the amount of air blown by the
次に、ウエイト３０の蓄熱が維持された蓄熱状態での燃料電池２１の駆動中から、燃料電池２１の短時間の停止を行い、停止後に燃料電池２１を再起動する場合について説明する。
例えば、水素ガスを水素タンクに充填する場合、水素タンクへの水素ガスの充填中は燃料電池２１を短時間（１０分程度）停止する。
このとき、寒冷地や冬季等の低温環境下では、燃料電池２１のうちウエイト３０を除く各要素が直ちに冷却されて、特に冷却水の温度低下が著しくなる。
水素ガスの充填中における燃料電池２１の停止時間は、予め設定した設定時間以内とする。
Next, a case will be described in which the
For example, when hydrogen gas is filled into the hydrogen tank, the
At this time, in a low temperature environment such as a cold district or winter, each element of the
The stop time of the
水素タンクへの水素ガスの充填後、燃料電池２１を再起動するとき、コントローラ２９は、バイパス流路側三方弁２６の切り換えにより、バイパス流路２５への冷却水の流通を遮断し、ラジエータ２３へ冷却水を通す。
さらに、コントローラ２９は、ウエイト流路側三方弁３２を切り換えにより、冷却水をウエイト流路３１へ通す。
冷却水循環ポンプ２７の起動により冷却水は、燃料電池２１、ウエイト３０、ラジエータ２３、冷却水循環ポンプ２７の順に循環して流れる。
When the
Further, the
When the cooling
ウエイト３０は蓄熱状態にあり、燃料電池２１の短時間の停止では殆ど放熱による温度低下が進行せず保温された状態にある。
このため、ウエイト３０の内部における冷却水の温度は、発電効率の良好な温度域から殆ど低下せず、保温されている。
また、ウエイト流路３１を通る冷却水はウエイト３０との熱交換により昇温する。
発電効率の良好な温度から殆ど低下していないウエイト３０の内部の冷却水は、温度低下した冷却水の昇温を行う。
ウエイト３０との熱交換により昇温された冷却水が燃料電池２１を通ることにより、燃料電池２１の温度は短い時間により発電効率の良好な温度に達する。
なお、ラジエータ２３においてウエイト３０との熱交換により温めた冷却水をできるだけ冷却しないようにラジエータファン２４を停止させておく。
The
For this reason, the temperature of the cooling water inside the
Further, the cooling water passing through the
The cooling water inside the
When the cooling water heated by heat exchange with the
In addition, the
本実施形態の燃料電池システムは以下の作用効果を奏する。
（１）燃料電池２１の駆動時に冷却水の温度に基づきウエイト流路側三方弁３２が制御される。冷却水循環回路２２を通る冷却水は、ウエイト流路側三方弁３２の切り換えによりウエイト３０の内部を通ることができ、ウエイト３０と冷却水との熱交換によりウエイト３０に蓄熱させることができる。ウエイト３０に蓄熱させることにより蓄熱する手段を別に追加することなく燃料電池２１の廃熱を利用することができる。燃料電池２１の短時間の停止により燃料電池２１の冷却水が温度低下しても、ウエイト３０の蓄熱を利用することにより冷却水および燃料電池２１を短時間で昇温させることができる。
The fuel cell system of this embodiment has the following effects.
(1) When the
（２）冷却水が予め設定した設定温度に達すると、冷却水はウエイト流路側三方弁３２の切り換えによりウエイト３０の内部に通されるからウエイト３０に蓄熱させることができる。燃料電池２１の短時間の停止後における再起動時に、ウエイト流路３１へ冷却水を流通させると、ウエイト流路３１の冷却水は、冷却水と蓄熱状態のウエイト３０との熱交換により温められ、温められた冷却媒体を燃料電池２１へ供給することができる。
（３）ウエイト３０の内部にイオン交換器３３が配置されることにより、燃料電池システム内にイオン交換器３３を設けるためのスペースを別途必要としないため、燃料電池システム内における容積効率が向上させることができる。
(2) When the cooling water reaches a preset temperature, the cooling water is passed through the
(3) Since the
（４）バイパス流路２５が設けられているから、燃料電池２１を最初に起動する時、バイパス流路側三方弁２６を切り換えると、冷却水はバイパス流路２５を通り、ラジエータ２３を回避して循環する。従って、燃料電池２１の暖機時において冷却水がラジエータ２３において冷却されないため、冷却水をラジエータ２３に通す場合と比較して早く燃料電池２１の暖機を完了させることができる。
（５）冷却水が予め設定した設定温度に達すると、冷却水はウエイト流路側三方弁３２の切り換えによりウエイト３０の内部に通されてウエイト３０に対する蓄熱を行う。このため、蓄熱可能なウエイト３０が冷却水の冷却手段と機能することができる。ウエイト３０が冷却水の冷却手段の機能を果たすことにより、従来よりもラジエータ２３の小型化やラジエータファン２４の動力低減を図ることが可能である。
(4) Since the
(5) When the cooling water reaches a preset set temperature, the cooling water is passed through the
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るフォークリフトにおける燃料電池システムについて図３を参照して説明する。
本実施形態の一部は第１の実施形態と同一構成であり、第１の実施形態と同一構成については第１の実施形態の説明を援用し、共通の符号を用いる。
(Second Embodiment)
Next, a fuel cell system in a forklift according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
A part of the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, and the description of the first embodiment is used for the same configuration as that of the first embodiment, and common reference numerals are used.
図３に示すように、本実施形態の燃料電池システムはウエイト側バイパス流路３４を備えている。
本実施形態のウエイト側バイパス流路３４は、ウエイト流路３１におけるウエイト３０と冷却水循環回路２２におけるラジエータとの間と、ラジエータ２３と冷却水循環ポンプ２７との間とを接続する。
ウエイト側バイパス流路３４は、ラジエータ２３を迂回して冷却水循環回路２２におけるラジエータ２３の下流側へウエイト流路３１を通る冷却媒体を通す流路として機能する。
従って、ウエイト側バイパス流路３４を通る冷却水は、ウエイト３０の内部を通った後、ラジエータ２３を通らずに迂回して冷却水循環ポンプ２７へ流れる。
As shown in FIG. 3, the fuel cell system of the present embodiment includes a weight
The weight side
The weight side
Accordingly, the cooling water passing through the weight side
ウエイト側バイパス流路３４がウエイト流路３１から分岐されるウエイト３０とラジエータ２３との間には三方弁３５が配置されている。
三方弁３５はコントローラ２９と接続されており、コントローラ２９の指令に基づいてウエイト３０を通った冷却水を通す流路の切り換えを行う。
A three-
The three-
本実施形態では、ウエイト３０が蓄熱状態にあり、燃料電池２１が短時間の停止後に再起動されたときに、三方弁３５の切り換えによりウエイト３０を通った冷却水をウエイト側バイパス流路３４に通してラジエータ２３に通さず迂回させる。
燃料電池２１が短時間の停止後に再起動されたときに、ウエイト３０の蓄熱により保温された冷却水やウエイト３０を通り昇温された冷却水はラジエータ２３により冷却されることがない。
このため、燃料電池２１および冷却水は発電効率の良好な温度域まで短時間にて昇温される。
その後、燃料電池２１の温度が発電効率の良好な温度域に達したときに、三方弁３５の切り換えを行い、ウエイト３０を通った冷却水をラジエータ２３へ通すようにする。
燃料電池２１の温度が発電効率の良好な温度域に達したかの判断は、温度センサ２８により検出された冷却水の温度の検出信号に基づきコントローラ２９が判断する。
In the present embodiment, when the
When the
For this reason, the
After that, when the temperature of the
The
なお、燃料電池２１が発電効率の良好な温度域で稼動され、ウエイト３０に蓄熱するときにウエイト３０を通った冷却水をウエイト側バイパス流路３４に通すようにしてもよい。
この場合、ウエイト３０を通った冷却水がラジエータ２３において冷却されないため冷却水が過度に冷却されることがない。
この場合、ウエイト３０の熱容量を考慮してウエイト３０を通った冷却水をウエイト側バイパス流路３４に通す時間を設定すればよい。
ウエイト３０を通った冷却水をウエイト側バイパス流路３４に通す設定時間を経過したときに、冷却水をラジエータ２３へ通すように三方弁３５を切り換えれば、燃料電池２１の稼動中に冷却水の温度が上がり過ぎることはない。
Note that when the
In this case, since the cooling water that has passed through the
In this case, in consideration of the heat capacity of the
If the three-
本実施形態によれば、第１の実施形態の作用効果と同等の作用効果を奏する。
さらに言うと、本実施形態によれば、燃料電池２１が短時間の停止後に再起動されたときに、ウエイト３０を通り昇温された冷却水はラジエータ２３により冷却されることがなく、燃料電池２１は発電効率の良好な温度域まで短時間にて昇温することができる。
According to this embodiment, there exists an effect equivalent to the effect of 1st Embodiment.
Furthermore, according to the present embodiment, when the
なお、上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。 The above embodiment shows an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the invention as described below. Is possible.
○ 上記の実施形態では、バッテリリプレイスメント方式のフォークリフトにおいて燃料電池ユニットに設けたカウンタに冷却水を通すウエイト流路を形成したが、ウエイト流路は燃料電池ユニットのウエイトに限定されない。例えば、カウンタウエイトにウエイト流路を設けてもよい。また、バッテリリプレイスメント方式でない燃料電池システムを搭載したフォークリフトであってもよい。
○ 上記の実施形態では、産業車両としてのフォークリフトに本発明を適用した例を説明したが、産業車両はフォークリフトに限定されない。産業車両は少なくともウエイトを有する産業車両であればよい。ウエイトを設けた燃料電池ユニットを搭載する産業車両やカウンタウエイトを備えた産業車両であればよく、例えば、カウンタウエイトを備えたスキッドステアローダーやホイルローダーでもよい。また、バッテリリプレイスメント方式のトーイングトラクターでもよい。
○ 上記の実施形態では、ラジエータを迂回して冷却水を循環するバイパス流路２５とバイパス流路側三方弁２６を設けた燃料電池システムとしたが、バイパス流路２５とバイパス流路側三方弁２６は必須の要件ではなく省略してもよい。図４に示すように、バイパス流路２５とバイパス流路側三方弁２６を省略した燃料電池システムの場合、最初の起動時にはウエイト３０の温度が低い。従って、冷却水の温度が設定温度未満のときにウエイト流路３１を迂回してラジエータ２３へ冷却水を通すようにウエイト流路側三方弁３２を切り換えればよい。冷却水がウエイト流路３１を迂回してラジエータ２３へ通すことにより冷却水がウエイト３０により冷却されることがなくウエイト３０が燃料電池２１の暖機を妨げることはない。冷却水の温度が設定温度以上のときウエイト３０へ冷却水を通すようにウエイト流路側三方弁３２を切り換えればよい。
○ 上記の実施形態では、イオン交換器をウエイト流路におけるウエイトの内部に設けたが、イオン交換器はウエイト流路ではなく、冷却水が通る流路であれば場所は限定されず、例えば、冷却水循環経路やバイパス流路に設けてもよい。
○ 上記の実施形態では、冷却媒体として冷却水としてクーラント（ＬＬＣ）を採用したが、クーラント以外の冷却媒体を用いてもよい。
In the above embodiment, the weight flow path for passing the cooling water is formed in the counter for the fuel cell unit in the battery replacement forklift, but the weight flow path is not limited to the weight of the fuel cell unit. For example, a weight channel may be provided in the counterweight. Moreover, the forklift which mounts the fuel cell system which is not a battery replacement system may be used.
In the above embodiment, an example in which the present invention is applied to a forklift as an industrial vehicle has been described, but the industrial vehicle is not limited to a forklift. The industrial vehicle may be an industrial vehicle having at least a weight. Any industrial vehicle including a fuel cell unit provided with a weight or an industrial vehicle including a counterweight may be used. For example, a skid steer loader or a wheel loader including a counterweight may be used. Also, a battery replacement type towing tractor may be used.
In the above embodiment, the fuel cell system is provided with the
In the above embodiment, the ion exchanger is provided inside the weight channel in the weight channel, but the ion exchanger is not a weight channel, and the location is not limited as long as it is a channel through which cooling water passes. You may provide in a cooling water circulation path or a bypass flow path.
In the above embodiment, the coolant (LLC) is used as the cooling water as the cooling medium, but a cooling medium other than the coolant may be used.
１０ フォークリフト
１１ 車体
１２ 荷役装置
１３ 運転席
１４ 駆動輪
１５ 操舵輪
１６ カウンタウエイト
１７ 収容部
２１ 燃料電池
２２ 冷却水循環回路
２３ ラジエータ
２４ ラジエータファン
２５ バイパス流路
２６ バイパス流路側三方弁
２７ 冷却水循環ポンプ
２８ 温度センサ
２９ コントローラ
３０ ウエイト
３１ ウエイト流路
３２ ウエイト流路側三方弁
３３ イオン交換器
３４ ウエイト側バイパス流路
３５ 三方弁
Ｆ 燃料電池ユニット
Ｂ バッテリケース
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料電池に冷却媒体を循環供給する冷却媒体回路と、
前記冷却媒体回路に配置されるラジエータと、
前記冷却媒体回路に配置され、冷却媒体を圧送する冷却媒体ポンプと、
前記冷却媒体の温度を検出する温度センサと、を備えた産業車両における燃料電池システムにおいて、
蓄熱可能な材料により形成され、車両重量を調整するウエイトと、
前記冷却媒体回路に接続され、前記ウエイトの内部に冷却媒体を通すウエイト流路と、
前記ウエイト流路と、前記ウエイト流路を迂回して前記燃料電池へ冷却媒体を通す流路との切り換えを行う切換弁と、
前記温度センサにより検出される冷却媒体の温度に基づき、前記切換弁の切り換えを制御するコントローラと、を備え、
冷却媒体のイオンを除去するイオン交換器が前記ウエイトの内部における前記ウエイト流路に配置されていることを特徴とする産業車両における燃料電池システム。 A fuel cell;
A cooling medium circuit that circulates and supplies the cooling medium to the fuel cell;
A radiator disposed in the cooling medium circuit;
A cooling medium pump disposed in the cooling medium circuit and pumping the cooling medium;
In a fuel cell system in an industrial vehicle provided with a temperature sensor that detects the temperature of the cooling medium,
A weight formed of a material capable of storing heat and adjusting the vehicle weight;
A weight flow path connected to the cooling medium circuit and passing the cooling medium through the weight;
A switching valve that switches between the weight flow path and a flow path that bypasses the weight flow path and passes the cooling medium to the fuel cell;
A controller for controlling switching of the switching valve based on the temperature of the cooling medium detected by the temperature sensor ,
A fuel cell system for an industrial vehicle, wherein an ion exchanger for removing ions of a cooling medium is disposed in the weight flow path inside the weight .
前記ウエイト流路の冷却媒体と前記ウエイトとの熱交換により前記ウエイトに蓄熱させて前記ウエイトを蓄熱状態とし、
予め設定した設定時間以内の前記燃料電池の停止後の再起動時に、前記ウエイト流路へ冷却媒体を流通させ、
前記ウエイト流路の冷却媒体と蓄熱状態の前記ウエイトとの熱交換により冷却媒体の昇温を行い、
昇温された冷却媒体を前記燃料電池へ供給することを特徴とする請求項１記載の産業車両における燃料電池システム。 When the temperature of the cooling medium reaches a preset temperature when the fuel cell is driven, the cooling medium is passed through the weight channel by the control of the switching valve,
Heat is stored in the weight by heat exchange between the cooling medium of the weight flow path and the weight, and the weight is in a heat storage state,
At the time of restart after the fuel cell stops within a preset set time, the cooling medium is circulated to the weight channel,
The temperature of the cooling medium is raised by heat exchange between the cooling medium in the weight flow path and the weight in the heat storage state,
2. The fuel cell system for an industrial vehicle according to claim 1, wherein the coolant whose temperature has been raised is supplied to the fuel cell.
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