(57)【要約】【課題】走行風を利用することができないフォークリフトのような産業車両においても、空冷式の燃料電池スタックの温度管理を適切におこなうことができる、産業車両用の燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、空冷式のＦＣスタック１と、ＦＣスタック１の上流側に配置される発熱部品としての蓄電装置８と、蓄電装置８の下流側かつＦＣスタック１の上流側に配置される複数の小型ファンから構成されるファン装置１０とを備えている。ファン装置１０において、上段のファン１０ａ〜ｃから供給される空気の温度と、中段のファン１０ｄ〜ｆから供給される空気の温度と、下段のファン１０ｇ〜ｉから供給される空気の温度とは、それぞれ異なっている。ＥＣＵ５は、外気温度または蓄電装置８の温度のいずれかまたは両方に基いて、複数のファン１０ａ〜ｉの回転数を個別に制御する。【選択図】図１
2019050133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空冷式の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの上流側に配置される発熱部品と、
前記燃料電池スタックの上流側に配置される複数のファンと、
外気温度を測定する第１の温度測定手段と、
前記発熱部品の温度を測定する第２の温度測定手段と、
前記複数のファンの回転数を制御する制御手段と
を備え、
前記複数のファンにおいて、第１のファンから前記燃料電池スタックに供給される空気の温度は、第２のファンから前記燃料電池スタックに供給される空気の温度よりも、前記発熱部品からの熱により高くなっており、
前記制御手段は、前記外気温度または前記発熱部品の温度のいずれかまたは両方に基いて、前記複数のファンの回転数を個別に制御する、産業車両用の燃料電池システム。
【請求項２】
前記複数のファンは、前記発熱部品の下流側かつ前記燃料電池スタックの上流側に配置される、請求項１に記載の産業車両用の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発熱部品は蓄電装置である、請求項１または２に記載の産業車両用の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの温度を測定する第３の温度測定手段と、
前記燃料電池スタックの発熱量を測定する発熱量測定手段と
をさらに備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの温度または発熱量のいずれかまたは両方にさらに基いて、前記複数のファンの回転数を個別に制御する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の産業車両用の燃料電池システム。
【請求項５】
前記複数のファンは、３列×３列の合計９個のファンである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の産業車両用の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに係り、特にフォークリフト等の産業車両に搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムの実用化が進められている。一般的な燃料電池システムでは、燃料電池スタック（ＦＣスタック）に水素と酸素が供給され、これら水素と酸素がＦＣスタック内で化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが生成される。また、燃料電池システムをフォークリフト等の産業車両に搭載したものも既に実用化されている。
【０００３】
燃料電池システムを効率的に動作させるためには、ＦＣスタックの温度を適切な範囲内に保つ必要がある。そのため、通常のＦＣスタックには、水冷式あるいは空冷式の冷却機構が設けられている。ただし、水冷式のＦＣスタックの場合には、冷却水を循環させる装置が必要になるため高コストとなってしまう。そのため、コストの観点からは、空冷式のＦＣスタックの方が有利である。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池システムを搭載した普通自動車において、自動車の走行風を車体内部に取り込んで、空冷式のＦＣスタックを冷却する発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２９９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、普通自動車と比べてはるかに低速で走行するフォークリフト等の産業車両においては、普通自動車のように走行風を利用することができない。そのため、特許文献１の発明をそのまま産業車両用の燃料電池システムに適用することは困難である。
【０００７】
この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、走行風を利用するができない産業車両においても、空冷式の燃料電池スタックの温度管理を適切におこなうことのできる、産業車両用の燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、この発明に係る産業車両用の燃料電池システムは、空冷式の燃料電池スタックと、燃料電池スタックの上流側に配置される発熱部品と、燃料電池スタックの上流側に配置される複数のファンと、外気温度を測定する第１の温度測定手段と、発熱部品の温度を測定する第２の温度測定手段と、複数のファンの回転数を制御する制御手段とを備え、複数のファンにおいて、第１のファンから燃料電池スタックに供給される空気の温度は、第２のファンから燃料電池スタックに供給される空気の温度よりも、発熱部品からの熱により高くなっており、制御手段は、外気温度または発熱部品の温度のいずれかまたは両方に基いて、複数のファンの回転数を個別に制御する。
【０００９】
複数のファンは、発熱部品の下流側かつ燃料電池スタックの上流側に配置されてもよい。
【００１０】
発熱部品は蓄電装置であってもよい。
【００１１】
燃料電池スタックの温度を測定する第３の温度測定手段と、燃料電池スタックの発熱量を測定する発熱量測定手段とをさらに備え、制御手段は、燃料電池スタックの温度または発熱量のいずれかまたは両方にさらに基いて、複数のファンの回転数を個別に制御してもよい。
【００１２】
複数のファンは、３列×３列の合計９個のファンであってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る産業車両用の燃料電池システムによれば、走行風を利用するができない産業車両においても、空冷式の燃料電池スタックの温度管理を適切におこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る産業車両用の燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムにおけるファン装置の詳細を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムにおけるファン装置の詳細を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る産業車両用の燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図５】この発明のその他の実施の形態に係る燃料電池システムにおけるファン装置の配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る産業車両用の燃料電池システム１００の構成を図１に模式的に示す。なお、以降の説明では、産業車両としてフォークリフトを例にとって説明するが、本願発明の適用可能な範囲はこれに限定されるものでなく、他の種類の産業車両であってもよい。
【００１６】
燃料電池システム１００は、空冷式の燃料電池スタック（ＦＣスタック）１と、水素ガスを供給可能な水素タンク２と、酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ３とを備えている。水素タンク２から供給される水素とコンプレッサ３から供給される空気中の酸素とがＦＣスタック１の内部で化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが生成される。
【００１７】
ＦＣスタック１と水素タンク２の間には、ＦＣスタック１に供給される水素ガス量を調整するための電磁弁４が設けられており、電磁弁４およびコンプレッサ３は、マイクロコンピュータによって構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）５によって制御される。ＥＣＵ５は、電磁弁４の開度とコンプレッサ３の吐出量を制御することによって、ＦＣスタック１に供給される水素と酸素の量を調整し、ＦＣスタック１の発電量を制御する。
【００１８】
ＦＣスタック１の出力には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、ＦＣスタック１から出力される約４８Ｖの直流電圧を所望の直流電圧に降圧して出力する。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力には、車両負荷７が接続されている。車両負荷７は、フォークリフトの車軸を駆動するための走行モータや荷役装置を駆動するための荷役モータ等から構成されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から供給される直流電力によって車両負荷７を構成する走行モータや荷役モータが駆動されることによって、フォークリフトの走行動作や荷役動作が行われる。
【００２０】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力には、上記の車両負荷７とは並列に蓄電装置８が接続されている。蓄電装置８は、充放電可能な二次電池あるいはキャパシタであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から車両負荷７に供給される直流電力を安定化させる。
【００２１】
また、蓄電装置８とＦＣスタック１との間には、ファン装置１０が配置されている。後述するように、ファン装置１０は、複数の小型ファンから構成されており、各ファンの回転数はＥＣＵ５によって個別に制御される。
【００２２】
さらに、燃料電池システム１００は、フォークリフトの外気温度を測定するための外気温度センサ１１と、蓄電装置８の温度を検出するためのＢＴ温度センサ１２とを備えている。これらのセンサによって測定された温度情報は、ＥＣＵ５に入力される。
【００２３】
次に、燃料電池システム１００におけるファン装置１０の詳細について、図２、３を参照して説明する。なお、図２、３においては、鉛直上向きにＺ軸がとられており、Ｚ軸方向が縦方向、Ｘ軸方向が横方向を意味するものとする。
【００２４】
ファン装置１０は、縦３列×横３列の合計９個の小型ファン１０ａ〜ｉから構成されており、各ファン１０ａ〜ｉの回転数はＥＣＵ５によって個別に制御可能である。ファン装置１０の上流側（図３で−Ｙの方向）には、発熱部品としての蓄電装置８が配置されており、ファン装置１０の下流側（図３で＋Ｙの方向）には、ＦＣスタック１が配置されている。
【００２５】
ファン装置１０において、上段のファン１０ａ〜ｃからＦＣスタック１に供給される空気の温度と、中段のファン１０ｄ〜ｆからＦＣスタック１に供給される空気の温度と、下段のファン１０ｇ〜ｉからＦＣスタック１に供給される空気の温度とは、それぞれ異なっている。
【００２６】
具体的には、下段のファン１０ｇ〜ｉの上流側には蓄電装置８が存在しているため、ファン１０ｇ〜ｉからＦＣスタック１に供給される空気の温度は、蓄電装置８の温度にほぼ等しいものになる。
【００２７】
一方、上段のファン１０ａ〜ｃの上流側には蓄電装置８が存在しないため、ファン１０ａ〜ｃからＦＣスタック１に供給される空気の温度は、外気温度とほぼ等しいものになる。なお、通常、外気温度は蓄電装置８の温度よりも低いため、上段のファン１０ａ〜ｃから供給される空気の温度は、下段のファン１０ｇ〜ｉから供給される空気の温度よりも低いものになる。
【００２８】
また、中段のファン１０ｄ〜ｆの上流側には、下半分には蓄電装置８が存在するが、上半分には蓄電装置８が存在しない。そのため、ファン１０ｄ〜ｆからＦＣスタック１に供給される空気の温度は、上段よりも暖かいが下段よりも冷たい、中間の温度になる。
【００２９】
ＥＣＵ５は、外気温度センサ１１によって測定されるフォークリフトの外気温度およびＢＴ温度センサ１２によって測定される蓄電装置８の温度に基いて、ファン装置１０の各ファン１０ａ〜ｉの回転数を個別に制御することによって、ＦＣスタック１の温度が適切な範囲内に維持されるようにする。
【００３０】
次に、ファン装置１０の各ファン１０ａ〜ｉの回転数の制御を例示をする。
ここで、外気温度が低い場合とは、２０℃より低い温度で氷点下以上を示し、外気温度が高い場合は２０℃以上（４０℃以下）を示す。また、蓄電装置８の温度が低い場合とは、蓄電装置８の冷却を必要としない温度であり、蓄電装置８の温度が高い場合とは、蓄電装置８が冷却を必要とする温度である。この温度は蓄電装置８の種類（リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、リチウムイオンキャパシタ）や出力によって変わるが、例えば、５０℃〜６０℃であるとする。
【００３１】
まず、通常運転時において外気温度が低く蓄電装置８の温度が高い場合には、ＦＣスタック１と蓄電装置８の両方を冷却するため、ＥＣＵ５は全てのファン１０ａ〜ｉを回転させることによって、蓄電装置８を冷却しながら、蓄電装置８からの暖気および外気をＦＣスタック１に供給する。
【００３２】
また、通常運転時において外気温度が高く蓄電装置８の温度も高い場合には、ＥＣＵ５は中段のファン１０ｄ〜ｆを主に回転させることによって、蓄電装置８を冷却しながら、ＦＣスタック１の温度も上昇させないようにする。すなわち、下段のファン１０ｇ〜ｉを停止させることにより、高い外気温度で、さらに蓄電装置８で暖められることになる暖気がＦＣスタック１へ供給されないようにしている。
【００３３】
また、通常運転時において外気温度が高く蓄電装置８の温度が低い場合には、ＥＣＵ５は上段のファン１０ａ〜ｃを主に回転させて、暖かい外気をＦＣスタック１のみに供給することによって、ＦＣスタック１の温度を適温に保つ。
【００３４】
また、通常運転時において外気温度が低く蓄電装置８の温度も低い場合には、外気温度に応じてＥＣＵ５は上段のファン１０ａ〜ｃを主に回転させて外気を供給し、ＦＣスタック１を冷却して適温に保つ。この時、蓄電装置８には（温度が低い）外気を供給しないため、温度が低い蓄電装置８をさらに冷やすことはない。
【００３５】
なお、ＦＣスタック１の始動時において、ＦＣスタック１が発電に最適な温度よりも低い場合には、ＥＣＵ５は下段のファン１０ｇ〜ｉを蓄電装置８からの電力で主に回転させて、蓄電装置８の発熱による暖気をＦＣスタック１に供給することによって、ＦＣスタック１の温度を適温まで上昇させ、ＥＣＵ５は、通常運転時の制御へ移行する。ＦＣスタック１の始動時は蓄電装置８も低温となっているため、徐々に蓄電装置８からの暖気の温度が時間と共に上昇することになる。
【００３６】
なお、実際の実装時には、ＥＣＵ５の内部メモリに、外気温度および蓄電装置８の温度を入力パラメータとして、その際にＦＣスタック１の温度を適温に保つのに適した各ファン１０ａ〜ｉの回転数を与えるマップを記憶させておく。ＥＣＵ５は、内部メモリに記憶されているマップに基いて、各ファン１０ａ〜ｉの回転数を制御する。なお、このようなマップは、予め実験的に作成しておくものとする。
【００３７】
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る産業車両用の燃料電池システム１００は、空冷式のＦＣスタック１と、ＦＣスタック１の上流側に配置される発熱部品としての蓄電装置８と、蓄電装置８の下流側かつＦＣスタック１の上流側に配置される複数の小型ファンから構成されるファン装置１０とを備えている。ファン装置１０において、上段のファン１０ａ〜ｃからＦＣスタック１に供給される空気の温度と、中段のファン１０ｄ〜ｆからＦＣスタック１に供給される空気の温度と、下段のファン１０ｇ〜ｉからＦＣスタック１に供給される空気の温度とは、それぞれ異なっている。ＥＣＵ５は、外気温度および蓄電装置８の温度に基いて、ファン装置１０を構成する各ファン１０ａ〜ｉの回転数を個別に制御することによって、ＦＣスタック１の温度が適温に保たれるようにする。これにより、走行風を利用することができないフォークリフトのような産業車両においても、空冷式のＦＣスタック１の温度管理を適切におこなうことができる。
【００３８】
また、ファン装置１０は、複数の小型ファンを組み合わせることによって構成されているため、大型のファン１個によって構成する場合よりも、低コストとすることができる。また、全てのファンが常時回転するのではなく、状況に応じて必要なファンのみが回転するため、省エネに寄与することができる。さらに、必要なファンのみを回転させて不要なファンは回転させないため、例えば可動フラップのような空気遮断用の部品を設ける必要もない。
【００３９】
なお、上記の実施の形態１では、ＥＣＵ５は、外気温度および蓄電装置８の温度に基いて、ファン装置１０の各ファン１０ａ〜ｉの回転数を制御していたが、外気温度または蓄電装置８の温度のいずれかのみに基づく制御を行ってもよい。その場合、ＥＣＵ５は、外気温度を入力として各ファン１０ａ〜ｉの適切な回転数を与えるマップ、または蓄電装置８の温度を入力として各ファン１０ａ〜ｉの適切な回転数を与えるマップを記憶しておくことになる。
【００４０】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る産業車両用の燃料電池システム２００について説明する。なお、以降の説明において、実施の形態１と同一の部分については、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
図４に示されるように、実施の形態２に係る燃料電池システム２００は、ＦＣスタック１の温度を測定するＦＣ温度センサ２１３と、ＦＣスタック１の発熱量を測定するＦＣ発熱量センサ２１４とをさらに備えている。
【００４２】
ＥＣＵ２０５は、外気温度および蓄電装置８の温度に加えて、ＦＣスタック１の温度および発熱量を考慮して、ファン装置１０の各ファン１０ａ〜ｉの回転数を個別に制御する。より詳細には、ＥＣＵ２０５は、外気温度および蓄電装置８の温度並びにＦＣスタック１の温度および発熱量を入力パラメータとして、その際にＦＣスタック１の温度を適温に保つのに適した各ファン１０ａ〜ｉの回転数を与えるマップを記憶している。ＥＣＵ２０５は、このようなマップに基いて、各ファン１０ａ〜ｉの回転数を個別に制御する。これにより、ＦＣスタック１のさらにきめ細かい温度管理をおこなうことができる。
【００４３】
なお、上記の実施の形態２では、ＥＣＵ２０５は、外気温度および蓄電装置８の温度並びにＦＣスタック１の温度および発熱量に基いて、ファン装置１０の各ファン１０ａ〜ｉの回転数を制御していたが、外気温度および蓄電装置８の温度のいずれかまたは両方、並びに、ＦＣスタック１の温度または発熱量のいずれかまたは両方に基づく制御をおこなってもよい。
【００４４】
その他の実施の形態．
実施の形態１，２では、ファン装置１０は、縦３列×横３列の合計９個のファン１０ａ〜ｉから構成されていたが、本願発明はこれに限定されるものではない。例えば、縦２列×横２列の合計４個のファンによって構成してもよいし、縦２列×横１列の合計２個のファンによって構成してもよい。一般的には、ファンの数は複数、すなわち２個以上であればよく、それらからＦＣスタック１に供給される空気の温度が異なっていればよい。
【００４５】
また、実施の形態１，２では、ファン装置１０は、蓄電装置８の下流側かつＦＣスタック１の上流側、すなわち蓄電装置８とＦＣスタック１との間に配置されていたが、図５に示されるように、ファン装置１０は、蓄電装置８の上流側に配置されてもよい。
また、実施の形態１，２では、発熱部品を蓄電装置として説明したが、駆動モータや油圧機器を有する機械（例えばフォークリフト）の油圧タンク等、産業車両の動作に伴い発熱する部品であればよい。
【符号の説明】
【００４６】
１００，２００  燃料電池システム、１  ＦＣスタック（燃料電池スタック）、５，２０５  ＥＣＵ（制御手段）、８  蓄電装置（発熱部品）、１０  ファン装置（複数のファン）、１１  外気温度センサ（第１の温度測定手段）、１２  ＢＴ温度センサ（第２の温度測定手段）、２１３  ＦＣ温度センサ（第３の温度測定手段）、２１４  ＦＣ発熱量センサ（発熱量測定手段）。
【図１】
2019050133.tif 000003
【図２】
2019050133.tif 000004
【図３】
2019050133.tif 000005
【図４】
2019050133.tif 000006
【図５】
2019050133.tif 000007