JP5956832B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池付産業車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を有する燃料電池システムおよび産業車両に関する。

特許文献１に記載の燃料電池システムは、発電する燃料電池と、燃料電池から排出される生成水を貯留するタンクと、燃料電池で発生する熱を冷却する冷却水循環経路に設けられる加湿器を有する。タンクと加湿器の間には、タンク内の生成水を加湿器に送るポンプが設けられる。

特開２００３−２８２１０６号公報

しかしポンプは、ポンプが駆動する際に、燃料電池が発電した電力を利用するために燃料電池システムの発電効率を低下させてしまう。したがって、発電効率を低下させることなく生成水を所定の場所へ送ることができる燃料電池システムが従来必要とされている。

本発明の１つの特徴によると、燃料電池システムは、燃料電池、気液分離器、タンク、圧力調整機を有する。気液分離器は、燃料電池と管路にて接続されかつ燃料電池から排出される排ガスに含まれる水を排ガスから分離する。タンクは、気液分離器と管路にて接続されかつ気液分離器より上方に位置する。圧力調整機は、気液分離器に接続された排ガス管に設けられかつ排ガスの圧力を利用して気液分離器内の圧力を調整して気液分離器内の水をタンクへ供給する。

したがって排ガスに含まれている水は、先ず、気液分離器によって排ガスから分離されて気液分離器内に貯留される。排ガスに含まれる水は、燃料電池が生成する生成水を含み、かつ加湿器から燃料電池に供給されて燃料電池から排出される水も含まれ得る。気液分離器内の圧力は、燃料電池の排ガスの圧力を利用する圧力調整機によって所定の圧力に保持される。そのため気液分離器内の水は、気液分離器内の圧力によってタンクに送られる。すなわち十分に利用されることなく排出されていたエネルギーである排ガスの圧力を利用して、気液分離器内の水をタンクに送る。かくして電力によって駆動するポンプによって水を送る場合に比べ、燃料電池システムの発電効率の低下をさせることなく、水をタンクに送り得る。そして、タンクは、気液分離器よりも上方に位置する。そのためタンクは、気液分離器の上方にて容易に設置される。これにより燃料電池システムの各部材が好適な場所に配置され得る。あるいはタンクに貯留された水が高い位置に位置することで、位置エネルギーにて容易にタンクから排出され得る。

フォークリフトの側面図である。 燃料電池システムの構成図である。 他の燃料電池システムの構成図である。

本発明の１つの実施形態を図１，２にしたがって説明する。図１に示すように産業車両３０は、屋内などで使用されるフォークリフトであって、燃料電池システム１を備える。産業車両３０は、車体３１と荷役装置３６と屋根としてのヘッドガード３３を有する。

図１に示すように車体３１の前部に駆動輪３８と走行用モータ３７が設けられる。車体３１の後部に後輪３９が設けられる。走行用モータ３７は、燃料電池システム１から供給された電力によって駆動輪３８を回転させる。これにより車体３１が走行する。車体３１の上部に使用者が着座する座席３２が設けられる。車体３１の前後部にフロントピラー３５とリアピラー３４が設けられる。フロントピラー３５とリアピラー３４によってヘッドガード３３が座席３２の上方に支持される。

荷役装置３６は、図１に示すように車体３１の前部に起立する一対のマスト３６ａと、マスト３６ａに装着されるリフトシリンダ３６ｄを有する。一対のマスト３６ａにリフトブラケット３６ｂが昇降可能に取付けられる。リフトブラケット３６ｂにフォーク３６ｃが取付けられる。リフトシリンダ３６ｄは、燃料電池システム１から供給された電力によって油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプからの作動油の供給によってマスト３６ａが昇降される。マスト３６ａの昇降に連動してフォーク３６ｃとリフトブラケット３６ｂが昇降する。

燃料電池システム１は、図２に示すように燃料電池２を有する。燃料電池２は、例えば固体高分子型である。燃料電池２のアノードには、管路１３によって水素タンク５が接続される。燃料電池２のカソードには、加湿器８を経由してコンプレッサ７が接続される。コンプレッサ７は、酸化剤ガスである酸素を含む空気を管路１４を経由して加湿器８に供給する。加湿器８が空気に水分を供給して、管路１５を経由して該空気が燃料電池２に供給される。

燃料電池２のアノードに供給された水素分子は、水素イオンになって電解質膜に含まれる水分を伴ってカソードへ移動する。カソードに供給された空気中の酸素分子は、酸素イオンになって水素イオンと結合して水（以下、「生成水」と表記する）になる。生成水は、カソードに供給された空気の排気とともに管路１６を経由して加湿器８に供給される。生成水の一部は、加湿器８で抽出されて再利用される。残りの生成水は、排ガスとともに管路１７を介して希釈器９に排出される。管路１７の途中には圧力を調整する圧力調整弁１０が設けられる。

燃料電池２のカソードの水や窒素の一部は、逆拡散してアノードへ移動する。アノードにてこれらの濃度が高くなると発電効率が低下する。これを抑制するためにアノードには図２に示すようにパージガス用管路１８が接続される。管路１８に設けられた開閉弁１１は、燃料電池２が所定時間稼動を継続した時点で図示省略の制御装置によって制御されて開く。これによりアノードに溜まった水と窒素が水素ガスと共に管路１８を経由して希釈器９へ排出される。該水は、排ガスとともに気液分離器３へ排出される。

希釈器９は、図２に示すようにアノードから排気された水素リッチのガスと、カソードから排出されたオフガスを混合し、水素を希釈する。希釈器９は、管路１９によって気液分離器３と接続される。気液分離器（生成水回収器）３は、希釈器９から送られた排ガスに含まれる水を遠心力および重力を利用して排ガスから分離する。

気液分離器３の下部には、図２に示すように気液分離器３に溜まった水をタンク４へ排出するための管路２１が接続される。管路２１は、図１のフロントピラー３５あるいはリアピラー３４に沿って車体３１からヘッドガード３３へ延出する。ヘッドガード３３には、タンク４が設けられる。管路２１の一端は、タンク４の上部と接続される。

気液分離器３の上部には、図２に示すように排ガス管２０が接続される。排ガス管２０の途中に圧力調整機６が設けられる。圧力調整機６は、排ガス管２０の流路断面積を狭くする（排ガス管２０の流路を絞る）オリフィスである。圧力調整機６によって、排気ガス管内を流れる排ガスの流路が絞られる。

これにより排ガスは、圧力調整機６の上流と下流との間で圧力差が生じる。したがって圧力調整機６の上流である気液分離器３内での圧力が圧力調整機６の下流よりも高くなる。圧力調整機６は、所定の大きさの流路断面積に設定することで気液分離器３内を所定の圧力に調整できる。気液分離器３内の圧力は、気液分離器３内の水をタンク４まで送るために必要な大きさに設定される。例えば気液分離器３内の圧力が１５ｋＰａ（１０〜２０ｋＰａ）に設定されると、気液分離器３内の水が１．５ｍ（１〜２ｍ）押し上げられ得る。

圧力調整機６を通過した排ガスは、図示省略のマフラーを通って大気中に排出される。

図２に示すようにタンク４の上部には、大気と連通される開口部（タンク４から延出する図２に示す矢印部分）等が形成される。これによりタンク４内の圧力は大気圧と等しくなる。タンク４の下部には、排水管２２が接続される。排水管２２にはバルブ１２が設けられる。バルブ１２は、適切な場所で使用者によって開かれることでタンク４内の水を排出する。

タンク４は、一部または全部が透明度を有する材料によって形成される。これにより使用者は、タンク４に貯留された水の量を外から確認でき、水を好適にタンク４から排出させ得る。

以上のように燃料電池システム１は、図２に示すように燃料電池２、気液分離器３、タンク４、圧力調整機６を有する。気液分離器３は、燃料電池２と管路１６〜１９にて接続されかつ燃料電池２から排出される排ガスに含まれる水を排ガスから分離する。タンク４は、気液分離器３と管路２１にて接続されかつ気液分離器３より上方に位置する。圧力調整機６は、気液分離器３に接続された排ガス管２０に設けられ、排ガスの圧力を利用して気液分離器３内の圧力を調整して気液分離器３内の水をタンク４へ供給する。

したがって排ガスに含まれている水は、先ず、気液分離器３によって排ガスから分離されて気液分離器３内に貯留される。排ガスに含まれる水は、燃料電池２が生成する生成水を含み、かつ加湿器８から燃料電池２に供給されて燃料電池２から排出される水も含まれ得る。気液分離器３内の圧力は、燃料電池２の排ガスの圧力を利用する圧力調整機６によって所定の圧力に保持される。すなわち圧力調整機６は、排ガスの流路を調整する（絞る）ことによって気液分離器３内の圧力を高い状態にする。そのため気液分離器３内の水は、気液分離器３内の圧力によってタンク４に送られる。換言すると、気液分離器３内の水が排気ガスに押されてタンク４に送られる。

そのため十分に利用されることなく排出されていたエネルギーである排ガスの圧力を有効に利用して、気液分離器３内の水がタンク４に送られ得る。かくして水を送るためのポンプを新たに設ける必要が無い。またポンプによって電力が消費されることを避けることができる。これにより燃料電池システム１の発電効率の低下をさせることなく、水をタンク４に送り得る。

タンク４は、気液分離器３よりも上方に位置するため、タンク４は、気液分離器３よりも下方の限られた場所ではなく、気液分離器３の上方に設置され得る。これによりタンクの配置の自由度が高くなる。また、タンク４の位置の自由度が高くなることで、燃料電池システム１の燃料電池やコンプレッサなどの各部材が好適な場所に配置され得る。あるいはタンク４に貯留された水が高い位置に位置することで、水が有する位置エネルギーにて容易にタンク４から排出され得る。

圧力調整機６は、図２に示すようにオリフィスである。オリフィスは、排気ガス管の流路を絞るだけで、簡易かつ安価な構成で、気液分離器内の圧力を調整し得る。

燃料電池付産業車両３０は、図１に示すように車体３１と、車体３１の上方に位置するヘッドガード３３を有する。車体３１に燃料電池２と気液分離器３が設けられ、ヘッドガード３３にタンク４が設けられる。したがって、車体３１の上方を有効利用するため、車体３１を大きくすることなくタンク４をヘッドガード３３に設けることができる。

本発明の形態を上記構造を参照して説明したが、本発明の目的を逸脱せずに多くの交代、改良、変更が可能であることは当業者であれば明らかである。したがって本発明の形態は、添付された請求項の精神と目的を逸脱しない全ての交代、改良、変更を含み得る。例えば本発明の形態は、前記特別な構造に限定されず、下記のように変更が可能である。

燃料電池システム１は、図２に示す構成に代えて図３に示す構成でも良い。図３に示す燃料電池システム１は、第１バルブ２４と第２バルブ２５と第３バルブ２６を有する。第１バルブ２４は、気液分離器３とタンク４を接続する管路２１の途中に設けられる。第１バルブ２４は、使用者によって開閉される。あるいは図示省略の制御装置によって開閉され、例えば燃料電池システム１の動作中に開かれ、燃料電池システム１の停止時に閉じられる。

図３に示す第２バルブ２５は、タンク４の上部に接続されたタンク用排ガス管２３に設けられる。第２バルブ２５は、使用者あるいは図示省略の制御装置によって開閉される。第３バルブ２６は、タンク４の下部に接続された排水管２２に設けられる。第３バルブ２６は、使用者によって開かれる。

以上のように燃料電池システム１は、図３に示すように第１バルブ２４、タンク用排ガス管２３、第２バルブ２５、排水管２２、第３バルブ２６を有する。第１バルブ２４は、気液分離器３とタンク４を接続する管路２１に設けられる。タンク用排ガス管２３は、タンク４と接続されてタンク４内の気体を排出する。第２バルブ２５は、タンク用排ガス管２３に設けられ第１バルブ２４と協働することでタンク４内の圧力を保持する。排水管２２は、タンク４と接続されてタンク４内の水を排出する。第３バルブ２６は、排水管２２に設けられる。

したがって図３に示すように燃料電池２の動作中に第２バルブ２５を閉じると、タンク４内の圧力が周辺気圧よりも上昇する。次に第１バルブ２４を閉じるとタンク４内の圧力が保持される。第３バルブ２６を開けることでタンク４内の圧力を利用してタンク４内の水が押出される。これにより水がタンク４から短時間で排出され得る。

気液分離器３は、図２，３に示すように希釈器９と別個でも良いし、一体でも良い。気液分離器は、排出ガスから水を分離するものであれば他の構造でも良い。例えば気液分離器は、径の異なる部分を有し重力によって水が溜まるマフラー等、あるいは上方に屈曲し重力によって屈曲部分に水が溜まる管路等でも良い。

圧力調整機６は、図２，３に示すようにオリフィスでも良いし、状況に応じて気液分離器３内を所定圧力に設定し得る圧力調整弁、あるいは図示省略の制御装置によって所定の条件にて開閉される電磁弁などであっても良い。

燃料電池システム１は、産業車両３０に設けられても良いし、家庭あるいは工場に設けられて家庭あるいは工場に電力を供給しても良い。燃料電池システム１は、フォークリフトに設けられても良いし、牽引車、自動搬送車、リフタ車などの他の産業車両、あるいは屋内を走行する車両に設けられても良い。

タンク４は、図１に示すようにヘッドガード３３に設けられても良いし、車体３１の上部、例えばカウンタウェイト４０の上に設けられても良い。

排ガス管２０は、図２，３に示すように気液分離器３から延出する管でも良いし、気液分離器３に形成された開口部で形成され、該開口部（管）に圧力調整機６が設けられても良い。

排ガス管２３は、図３に示すようにタンク４から延出する管でも良いし、タンク４に形成された開口部で形成され、該開口部（管）にバルブ１２が設けられても良い。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 気液分離器
４ タンク
５ 水素タンク
６ 圧力調整機
７ コンプレッサ
８ 加湿器
９ 希釈器
１０ 圧力調整弁
１１ 開閉弁
１２ バルブ
１３〜１９，２１ 管路
２０ 排ガス管
２２ 排水管
２３ タンク用排ガス管
２４ 第１バルブ
２５ 第２バルブ
２６ 第３バルブ
３０ 産業車両
３１ 車体
３３ ヘッドガード

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、前記燃料電池と管路にて接続されかつ前記燃料電池から排出される排ガスに含まれる水を前記排ガスから分離する気液分離器と、前記気液分離器と管路にて接続されかつ前記気液分離器より上方に位置するタンクと、前記気液分離器に接続された排ガス管に設けられかつ前記排ガスの圧力を利用して前記気液分離器内の圧力を調整して前記気液分離器内の前記水を前記タンクへ供給する圧力調整機と、前記気液分離器と前記タンクを接続する前記管路に設けられる第１バルブと、前記タンクと接続されて前記タンク内の気体を排出するタンク用排ガス管と、前記タンク用排ガス管に設けられ前記第１バルブと協働することで前記タンク内の圧力を保持する第２バルブと、前記タンクと接続されて前記タンク内の水を排出する排水管と、前記排水管に設けられる第３バルブを有する燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記圧力調整機は、オリフィスである燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムを備える燃料電池付産業車両であって、
   車体と、前記車体の上方に位置する屋根を有し、
   前記車体に前記燃料電池と前記気液分離器が設けられ、
   前記屋根に前記タンクが設けられる燃料電池付産業車両。
   
   

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