JP6309187B2

JP6309187B2 - 産業用車両

Info

Publication number: JP6309187B2
Application number: JP2012211047A
Authority: JP
Inventors: 弘幸藤森
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: JP2014065378A

Description

本発明は、燃料電池が搭載された産業用車両に関する。

水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池システムを搭載した産業用車両が実用化されている。燃料電池では、水素と酸素による起電反応によって水が生成される。
ところで、燃料電池システムを搭載した産業用車両としてのフォークリフトは、例えば、寒冷地などで使用される場合や、大型の冷蔵庫や冷凍庫に保管されている荷物を出し入れする場合にも利用される。このため、燃料電池システムは低温環境下に晒されることになり、燃料電池の起電反応によって生成された水が凍結する虞もある。そこで、従来、燃料電池システムの凍結を抑制するための構造が、例えば、特許文献１で提案されている。特許文献１では、燃料電池を断熱材料で形成された断熱壁で覆い、温度センサが０℃を検出して凍結のおそれがある場合、貯水タンクなどの凍結部位に対して断熱壁の周囲で温められた空気を供給し、凍結を抑制している。

特開２０１０−２７２２８８号公報

特許文献１の構造は、燃料電池を断熱壁で覆うとともに、凍結のおそれがある場合には断熱壁周囲の空気を凍結部位に対して供給する構造を必要とするから、構造が複雑化する。

この発明は、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、構成を複雑化することなく、燃料電池システムの凍結を抑制し得る産業用車両を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池と、前記燃料電池の冷却液を循環させる循環路と、前記循環路の途中に設けられて前記冷却液と空気とを熱交換して前記冷却液を冷却するラジエータと、を有する燃料電池システムが搭載された産業用車両において、前記燃料電池システムは、運転室と隣接した収容室に配置されており、熱交換後の前記ラジエータの放熱風を前記収容室に循環させる循環流路を備え、前記循環流路は、前記運転室を経由して前記放熱風を前記収容室に導くことを要旨とする。

これによれば、ラジエータの放熱風を収容室に循環させる循環流路を備えることで、当該循環流路を流通する放熱風を利用して、燃料電池システムを温めることができる。このため、燃料電池システムが低温環境下に晒される場合であっても、凍結を抑制し得る。また、放熱風をそのまま利用するので、構成が複雑化されない。

また、これによれば、燃料電池システムの収容室と運転室が隣接していることを利用し、燃料電池システムを収容する収容室に循環流路を形成しなくても、運転室のスペースを利用して循環流路を構築することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の産業用車両において、前記循環流路の途中には、前記運転室に前記放熱風を吹き出させる吹出口と、前記運転室内を流通した前記放熱風を前記収容室に戻す戻し口と、が設けられており、前記戻し口は、前記収容室に空気を取り込む取込口側に設けられていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の産業用車両において、前記循環流路の途中には、前記運転室に前記放熱風を吹き出させる吹出口と、前記放熱風を外部に放出する放出口と、前記放熱風が流れる流路を切り替える切替機構と、が設けられており、前記吹出口には、当該吹出口を開放及び閉塞する扉が設けられていることを要旨とする。
これらによれば、循環流路に吹出口を設けたので、循環流路を流通する放熱風の一部は、収容室に戻る途中、運転室内に放出される。このため、放熱風を燃料電池システムの温調風に限らず、運転室を暖房する空調風としても利用することができる。

本発明によれば、構成を複雑化することなく、燃料電池システムの凍結を抑制することができる。

フォークリフトの側面図。燃料電池システムの概略構成図。放熱風の流れを説明する模式図。放熱風の流れを説明する模式図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、産業用車両としてのフォークリフト１０の車体を構成する機台フレーム１１の前側にはマスト１２が装備されている。マスト１２にはフォーク１３がリフトブラケット１４を介して昇降可能に装備され、リフトシリンダ１５の伸縮作動によりフォーク１３がリフトブラケット１４とともに昇降される。機台フレーム１１には４本の支柱１６が立設され、前側の支柱１６はヘッドガード１７と一体に形成されている。支柱１６およびヘッドガード１７に囲まれた空間によって運転室１８が構成されている。運転室１８は、前側および後側は透明な壁により、左右両側は開閉可能なドア１９によりそれぞれ外部と区画されている。そして、運転室１８は、ドア１９を介して開放可能なキャビンとして設けられている。また、運転室１８には、運転席（座席）２０が配設されている。

車体の前側下部には駆動輪（前輪）２１が設けられ、車体の後側下部には操舵輪（後輪）２２が設けられている。駆動輪２１は、走行用モータ２３により駆動される。また、機台フレーム１１において運転室１８の床下には、燃料電池システム２４が搭載されている。燃料電池システム２４は、走行用モータ２３の電源として使用される。

図２に示すように、燃料電池システム２４は、燃料電池ＦＣと、燃料電池ＦＣに水素を供給する水素供給部２５と、燃料電池ＦＣに空気を供給するエア供給部２６と、を備えている。本実施形態の燃料電池ＦＣは、固体高分子型燃料電池によって構成されており、高分子電解質膜で区画された燃料極及び空気極からなる複数のセルを内蔵する。燃料電池ＦＣでは、燃料極に供給される水素と、空気極に供給される空気中の酸素との電解質膜を介した起電反応により発電が行われる。燃料電池ＦＣで発電された電力は、燃料電池システム２４に接続される走行用モータ２３などの負荷Ｆに供給される。

また、燃料電池ＦＣには、蓄電装置としての電気二重層型のキャパシタ２７が燃料電池ＦＣに対して並列となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して電気的に接続されている。キャパシタ２７は、燃料電池ＦＣからＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して電力供給を受けて充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、燃料電池ＦＣで発電された所定の電圧（例えば１００ボルト）の電力を所定の電圧（例えば４８ボルト）に変換する。また、キャパシタ２７とＤＣ／ＤＣコンバータ２８の間には、キャパシタ２７の電圧を検出する電圧計２９がキャパシタ２７に対して並列となるように接続されている。

水素供給部２５、エア供給部２６、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８、及び電圧計２９は、燃料電池システム２４を制御するコントローラ３０に電気的に接続されている。コントローラ３０は、発電の開始及び停止や、その発電量を制御する。コントローラ３０は、燃料電池ＦＣが発電する電力の電圧をキャパシタ２７の充電に適した所定の電圧に変換するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を制御する。

燃料電池ＦＣは、起電反応によって発電を行うとともに、オフガスを排出する。オフガスには、燃料極及び空気極のそれぞれで利用したガス（水素と酸素）と起電反応時に生成される水が含まれる。そして、燃料電池ＦＣには、オフガスから気体と液体を分離し、当該気体を外部に排出するとともに液体を霧化して外部に排出する排出機構３１が接続されている。また、燃料電池ＦＣには、冷却用の媒体を燃料電池ＦＣに循環供給する冷却機構３２が接続されている。

図３及び図４に示すように、冷却機構３２は、熱交換器となるラジエータ３３と送風機となるファン３４を備えている。燃料電池ＦＣには、冷却液を循環させる循環路としての循環用配管３５が接続されており、循環用配管３５の途中にはラジエータ３３と循環ポンプ３６が設けられている。循環ポンプ３６の駆動によりラジエータ３３に冷却液が通過する。また、ファン３４の駆動により空気がラジエータ３３に供給される。そして、ラジエータ３３により冷却液と空気とが熱交換されて冷却液を冷却することができる。

また、機台フレーム１１には、運転室１８と隣接した空間となる運転室１８の床下に燃料電池システム２４の収容室３７が設けられている。そして、機台フレーム１１には、ファン３４の駆動時に収容室３７内へ外気を取り込む取込口３８と、冷却液との熱交換後のラジエータ３３の放熱風を外部に放出する放出口３９が設けられている。また、放出口３９とラジエータ３３の間には、放熱風が流れる流路を切り替える切替機構としての切替板４０が設けられている。本実施形態において切替板４０は、運転室１８に設けた操作部材Ｈの操作によって動作させることができる。

また、運転室１８と収容室３７を区画する運転室１８の床４１には、運転室１８と収容室３７とを連通する吹出口４２が設けられている。吹出口４２からは、ラジエータ３３の放熱風が運転室１８へ吹き出る。また、吹出口４２は、運転席２０に着座した作業者の足元に配置されている。また、吹出口４２には、当該吹出口４２を開放及び閉塞する扉４３が設けられている。扉４３は、操作部材Ｈの操作によって切替板４０と連動して動作する。また、床４１には、機台フレーム１１の取込口３８側に運転室１８と収容室３７とを連通する戻し口４４が設けられている。戻り口４４は、運転室１８内に吹き出し、流通した放熱風を収容室３７へ導く。

以下、本実施形態の作用を説明する。
図３に示すように、操作部材Ｈを操作してラジエータ３３の放熱風を吹出口４２へ導くように切替板４０を配置させると、吹出口４２の扉４３も開放される。これにより、運転室１８と収容室３７には、放熱風を運転室１８へ導く供給流路Ｙ１が形成される。このため、燃料電池ＦＣが発電を開始し、冷却液と空気がラジエータ３３で熱交換されると、放熱風が供給流路Ｙ１を流通して運転室１８へ導かれるとともに、吹出口４２を介して吹き出す。このとき、本実施形態では、運転室１８の床下に燃料電池システム２４を配置しているので、放熱風は直接的に運転室１８へ導かれる。なお、供給流路Ｙ１が形成されている場合でも、放熱風を放出口３９へ導く排出流路Ｙ２は形成されている。このため、放熱風の一部は放出口３９を介して車外に放出されるが、供給流路Ｙ１が形成されている場合には、図４に示すように供給流路Ｙ１が形成されていない場合に比して排出流路Ｙ２を流通する放熱風の流量は少なくなる。

ラジエータ３３の放熱風は、３０℃〜４０℃程度の温度であるので、運転室１８に導かれた放熱風は、運転室１８内を暖房する空調風として機能する。つまり、寒冷地で作業する場合や冷凍庫内で作業する場合などに、排熱を利用して運転室１８内が暖房される。

また、運転室１８の床４１には、吹出口４２とは別に戻し口４４が設けられている。そして、この戻し口４４は、収容室３７に空気を取り込む取込口３８側に設けられている。このため、吹出口４２から運転室１８内に導かれた放熱風は、運転室１８内を流通して、戻し口４４から収容室３７へ戻される。戻し口４４を介して収容室３７へ戻された放熱風は、収容室３７内の燃料電池システム２４の周辺を流通することになるので、燃料電池システム２４を構成する部品を温める温調風として機能する。これにより、寒冷地で作業する場合や冷凍庫内で作業する場合などに、排熱を利用して燃料電池システム２４の凍結を抑制することができる。そして、本実施形態においては、運転室１８の床４１に吹出口４２と戻し口４４を設けることで、放熱風を燃料電池システム２４へ循環させる循環流路Ｙ３が形成される。

また、図４に示すように、操作部材Ｈを操作して放熱風を放出口３９へ導くように切替板４０を配置させると、吹出口４２の扉４３も閉塞される。これにより、収容室３７には、放熱風を放出口３９へ導く排出流路Ｙ２が形成される。そして、ラジエータ３３の放熱風は、放出口３９を介して車外に放出される。つまり、運転室１８内を暖房する必要がない時には、放熱風を運転室１８へ導くことなく、外部に放出させることができる。

したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）ラジエータ３３の放熱風を収容室３７に循環させる循環流路Ｙ３を備えることで、その循環流路Ｙ３を流通する放熱風を利用して、燃料電池システム２４を温めることができる。つまり、循環流路Ｙ３によって放熱風を収容室３７へ戻すことで、その放熱風を燃料電池システム２４を温める温調風として機能させることができる。このため、寒冷地や冷凍庫などの低温環境下でフォークリフト１０を使用する場合であっても、燃料電池システム２４の凍結を抑制することができる。燃料電池ＦＣは、起電反応時に水が生成されるので、この水が配管などに付着していると、凍結する可能性がある。しかし、本実施形態では、放熱風によって燃料電池システム２４を温めているので、燃料電池システム２４が低温環境下に晒される場合でも、凍結を抑制することができる。また、燃料電池システム２４を保護することもできる。また、放熱風をそのまま利用するので、構成が複雑化されない。

（２）燃料電池システム２４の収容室３７と運転室１８は隣接している。このため、収容室３７と運転室１８の配置を利用することで、収容室３７に循環流路Ｙ３を形成しなくても、運転室１８のスペースを利用して循環流路Ｙ３を構築することができる。つまり、循環流路Ｙ３を構築するために収容室３７のスペースを広げると、その結果、運転室１８のスペースなどが縮小される可能性がある。しかし、上記のように循環流路Ｙ３を、運転室１８を経由して構築すれば、運転室１８などのスペースを従前のまま確保することができる。

（３）また、循環流路Ｙ３を流通する放熱風は、吹出口４２から運転室１８内に吹き出させるので、放熱風を燃料電池システム２４の温調風に限らず、運転室１８を暖房する空調風としても利用することができる。

（４）そして、燃料電池システム２４を運転室１８の床下の収容室３７に配置することで、ラジエータ３３の放熱風を運転室１８に直接的に導くことができ、暖房のための構成が複雑化されない。つまり、暖房のための構成を簡素化できる。そして、燃料電池ＦＣの排熱を利用して暖房を行わせるので、燃料電池ＦＣが発電した電力を暖房のために消費させることなく、運転室１８を効率的に暖房することができる。つまり、燃料電池ＦＣが発電した電力は、フォークリフト１０の走行や荷役に消費することができ、効率的なエネルギー消費を実現できる。

（５）切替板４０を設けることで、供給流路Ｙ１と排出流路Ｙ２を必要に応じて切り替えることができる。つまり、暖房が必要な時には供給流路Ｙ１へ放熱風を流通させる一方で、暖房が不要な時などには放熱風を車外へ排出させることができる。このように暖房の要否を切り替えることができるので、作業者の意思に沿った環境を与えることができる。

（６）吹出口４２を運転室１８の床４１に設けることで、作業者の足元から放熱風を吹き出させることができる。したがって、暖房の使用感を作業者に与えることができる。
（７）また、収容室３７に連通する戻し口４４により、燃料電池システム２４を温調するための放熱風を収容室３７に戻すことに加えて、放熱風が循環されることで、暖房効率を向上させることができる。また、運転室１８内を換気させることもできる。

（８）供給流路Ｙ１と循環流路Ｙ３により、放熱風を、空調風と温調風に兼用することができ、フォークリフト１０の機能性を向上させることができる。
（９）運転室１８をキャビンとして設けているので、運転室１８に吹き出た放熱風が車外に逃げ難い。したがって、運転室１８の暖房効率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もよい。
○ 燃料電池システム２４の温度を計測し、その温度をもとに切替板４０を制御し、供給流路Ｙ１、排出流路Ｙ２及び循環流路Ｙ３へ流れる放熱風の風量を調整しても良い。この場合、コントローラ３０は、燃料電池システム２４に配置した温度センサの計測結果を取得し、切替板４０を制御する。具体的に言えば、温度が予め定めた温度を超えている場合、すなわち燃料電池システム２４の温度が高い場合、排出流路Ｙ２への風量が多くなるように切替板４０を動作させる。これにより、放熱風が放出口３９を介して車外に放出されるので、収容室３７内の温度、すなわち燃料電池システム２４の温度を下げることができる。一方で、温度が予め定めた温度を下回る場合、すなわち燃料電池システム２４の温度が低い場合、供給流路Ｙ１への風量が多くなるように切替板４０を動作させる。これにより、運転室１８内を暖房することができる。また、床４１に戻し口４４を設けている場合には、循環した放熱風によって燃料電池システム２４を温めることもできる。この別例においてコントローラ３０は風量調整部として機能する。なお、コントローラ３０とは別の制御部を設けて、当該制御部が上記した制御を行っても良い。また、燃料電池システム２４の温度は、直接、燃料電池システム２４の温度を計測しても良いし、収容室３７の温度を計測し、その温度を燃料電池システム２４の温度とみなしても良い。

○ 床４１に設ける吹出口４２の位置を変更しても良い。例えば、運転席２０の下に吹出口４２を配置しても良い。また、吹出口４２の数は任意に変更することができる。
○ 吹出口４２には扉４３を設けず、常時、開放させていても良い。

○ 供給流路Ｙ１を形成する場合には、切替板４０によって放出口３９を閉塞させても良い。この場合は、車外に放熱風が放出されなくなる。
○ 床４１には、戻し口４４を設けずに、吹出口４２のみを設けても良い。この場合は、例えば、吹出口４２を扉４３で閉塞し、収容室３７内で放熱風を循環させる循環流路を形成しても良い。

○ 供給流路Ｙ１と排出流路Ｙ２を切り替える切替機構の構成を変更しても良い。例えば、シャッター式の切替機構でも良い。
○ フォークリフト１０の運転室１８はキャビン式でなくても良い。キャビン式でないフォークリフト１０にはドア１９がなく、運転室１８が開放されている。このようなフォークリフト１０において、放熱風を運転室１８に吹き出させても良い。

○ 吹出口４２と戻し口４４を繋ぐ配管を運転室１８内に配置し、放熱風を運転室１８経由で収容室３７へ循環させる循環流路Ｙ３を形成しても良い。この場合、配管に吹出口を設けることで、運転室１８の暖房を行うことができる。

○ リーチ式のフォークリフトに具体化しても良い。リーチ式のフォークリフトの運転室は立ち乗りタイプである。そして、燃料電池システム２４は、運転室の前方領域に配置されている。このようなリーチ式のフォークリフトにおいても、作業者の足元に吹出口４２を配置すれば、暖房を行うことができる。

○ フォークリフト以外の産業車両に具体化しても良い。例えば、牽引車に具体化しても良い。
○ 収容室３７内で放熱風の循環流路Ｙ３を形成しても良い。つまり、放熱風を、排出流路Ｙ２を介して車外に放出させる場合と、循環流路Ｙ３で収容室３７内を循環させる場合とがあるようにしても良い。

○ 循環流路Ｙ３は、運転室１８を経由して収容室３７に放熱風が戻るような配管構造で構築するが、その循環流路Ｙ３には吹出口４２を設けなくても良い。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。

（イ）前記放熱風を車外へ導く排出流路と、前記放熱風が流れる流路を切り替える切替機構と、を備えた請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の産業用車両。
（ロ）燃料電池システムの温度を取得し、その温度をもとに切替機構を制御して各流路へ流れる風量を調整する風量調整部を備え、風量調整部は、燃料電池システムの温度が予め定めた温度を超えている場合には排出流路へ放熱風を流して収容室内の温度を下げる前記技術的思想（イ）に記載の産業用車両。

１０…フォークリフト、１８…運転室、２０…運転席、２４…燃料電池システム、３３…ラジエータ、３５…循環用配管、３７…収容室、４０…切替板、４２…吹出口、４４…戻し口、ＦＣ…燃料電池、Ｙ２…排出流路、Ｙ３…循環流路。

Claims

燃料電池と、前記燃料電池の冷却液を循環させる循環路と、前記循環路の途中に設けられて前記冷却液と空気とを熱交換して前記冷却液を冷却するラジエータと、を有する燃料電池システムが搭載された産業用車両において、
前記燃料電池システムは、運転室と隣接した収容室に配置されており、
熱交換後の前記ラジエータの放熱風を前記収容室に循環させる循環流路を備え、
前記循環流路は、前記運転室を経由して前記放熱風を前記収容室に導くことを特徴とする産業用車両。
前記循環流路の途中には、前記運転室に前記放熱風を吹き出させる吹出口と、前記運転室内を流通した前記放熱風を前記収容室に戻す戻し口と、が設けられており、
前記戻し口は、前記収容室に空気を取り込む取込口側に設けられている請求項１に記載の産業用車両。
前記循環流路の途中には、前記運転室に前記放熱風を吹き出させる吹出口と、前記放熱風を外部に放出する放出口と、前記放熱風が流れる流路を切り替える切替機構と、が設けられており、
前記吹出口には、当該吹出口を開放及び閉塞する扉が設けられている請求項１に記載の産業用車両。