特開 2024-102586 燃料電池システム、作業車両、および制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024102586

(43)【公開日】2024-07-31

(54)【発明の名称】燃料電池システム、作業車両、および制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240724BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240724BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023006582

(22)【出願日】2023-01-19

(71)【出願人】

【識別番号】000001236

【氏名又は名称】株式会社小松製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小野 悠生

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AC02

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA59

5H127BB02

5H127EE02

5H127EE04

5H127EE29

(57)【要約】

【課題】水素供給器を保護しながら、速やかに水素を充填する。
【解決手段】第一水素貯留ユニットは、水素を格納し、水素の充填口である第一充填口を有する。第二水素貯留ユニットは、水素を格納し、水素の充填口である第二充填口を有する。燃料電池は、水素を用いて発電する。配管は、第一水素貯留ユニット、第二水素貯留ユニットおよび燃料電池を互いに接続し、水素を流通する。配管のうち、第一水素貯留ユニットと前記第二水素貯留ユニットとの間に弁が設けられる。弁は、第一水素貯留ユニットと第二水素貯留ユニットとの間での水素の流通を防止可能に構成される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素を格納し、水素の充填口である第一充填口を有する第一水素貯留ユニットと、
水素を格納し、水素の充填口である第二充填口を有する第二水素貯留ユニットと、
水素を用いて発電する燃料電池と、
前記第一水素貯留ユニット、前記第二水素貯留ユニットおよび前記燃料電池を互いに接続し、水素を流通する配管と、
前記配管のうち、前記第一水素貯留ユニットと前記第二水素貯留ユニットとの間に設けられ、前記第一水素貯留ユニットと前記第二水素貯留ユニットとの間での水素の流通を防止可能な弁と
を備える燃料電池システム。

【請求項2】

前記弁は、前記第一充填口および前記第二充填口の両方に水素の供給装置が接続されているときに閉じる開閉弁である
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記第一水素貯留ユニットと前記燃料電池との間に設けられる前記弁である第一開閉弁と、
前記第二水素貯留ユニットと前記燃料電池との間に設けられる前記弁である第二開閉弁と
を備え、
前記第一開閉弁は、
前記第一充填口および前記第二充填口の両方に水素の供給装置が接続されているとき、および前記第一充填口に水素の供給装置が接続されかつ前記第二水素貯留ユニットから前記燃料電池へ水素が供給されているときに閉じ、
前記第二開閉弁は、
前記第一充填口および前記第二充填口の両方に水素の供給装置が接続されているとき、および前記第二充填口に水素の供給装置が接続されかつ前記第一水素貯留ユニットから前記燃料電池へ水素が供給されているときに閉じる
請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１に記載の燃料電池システムを備える作業車両。

【請求項5】

水素を格納し、水素の充填口である第一充填口を有する第一水素貯留ユニットと、
水素を格納し、水素の充填口である第二充填口を有する第二水素貯留ユニットと、
水素を用いて発電する燃料電池と、
前記第一水素貯留ユニット、前記第二水素貯留ユニットおよび前記燃料電池を互いに接続し、水素を流通する配管と、
前記配管のうち、前記第一水素貯留ユニットと前記第二水素貯留ユニットとの間に設けられた開閉弁と
を備える燃料電池システムを制御する制御方法であって、
前記第一充填口および前記第二充填口の両方に水素の供給装置が接続されているときに前記開閉弁を閉じるステップ
を備える制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システム、作業車両、および制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水素ガスを燃料として用いる燃料電池を搭載する作業車両が検討されている。特許文献１には、充填時間を短縮するために、複数の水素供給器を用いてタンクへ水素を充填する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１０７３５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、複数の水素供給器を用いて水素を充填する場合、水素供給器どうしの圧力が異なると、一方の水素供給器から供給された水素が他方の水素供給器へ逆流し、水素供給器に負荷がかかる可能性がある。
本開示の目的は、水素供給器を保護しながら、速やかに水素を充填可能な燃料電池システム、作業車両、および制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様によれば、燃料電池システムは、水素を格納し、水素の充填口である第一充填口を有する第一水素貯留ユニットと、水素を格納し、水素の充填口である第二充填口を有する第二水素貯留ユニットと、水素を用いて発電する燃料電池と、前記第一水素貯留ユニット、前記第二水素貯留ユニットおよび前記燃料電池を互いに接続し、水素を流通する配管と、前記配管のうち、前記第一水素貯留ユニットと前記第二水素貯留ユニットとの間に設けられ、前記第一水素貯留ユニットと前記第二水素貯留ユニットとの間での水素の流通を防止可能な弁とを備える。

【発明の効果】

【0006】

上記態様によれば、燃料電池システムは、水素供給器を保護しながら、速やかに水素を充填することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第一実施形態に係る運搬車両を模式的に示す斜視図である。

【図2】第一実施形態に係る運搬車両が備える動力系および駆動系の構成を示す概略ブロック図である。

【図3】第一実施形態に係る水素貯留ユニットの構成を示す図である。

【図4】第一実施形態に係る運搬車両が備える制御装置の構成を示す概略ブロック図である。

【図5】第一実施形態に係る運搬車両の水素の充填処理を示すフローチャートである。

【図6】少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

〈第一実施形態〉

【0009】

《運搬車両１０の構成》
図１は、第一実施形態に係る運搬車両１０を模式的に示す斜視図である。運搬車両１０は、ダンプボディ１１と、車体１２と、走行装置１３とを備える。

【0010】

ダンプボディ１１は、積荷が積載される部材である。ダンプボディ１１の少なくとも一部は、車体１２よりも上方に配置される。ダンプボディ１１は、ダンプ動作及び下げ動作をする。ダンプ動作及び下げ動作により、ダンプボディ１１は、ダンプ姿勢及び積載姿勢に調整される。ダンプ姿勢とは、ダンプボディ１１が上昇している姿勢をいう。積載姿勢とは、ダンプボディ１１が下降している姿勢をいう。

【0011】

車体１２は、車体フレームを含む。車体１２は、ダンプボディ１１を支持する。車体１２は、走行装置１３に支持される。

【0012】

走行装置１３は、車体１２を支持する。走行装置１３は、運搬車両１０を走行させる。走行装置１３は、運搬車両１０を前進又は後進させる。走行装置１３の少なくとも一部は、車体１２よりも下方に配置される。走行装置１３は、一対の前輪と一対の後輪とを備える。前輪は操舵輪であり、後輪は駆動輪である。なお、操舵輪と駆動輪の組み合わせはこれに限られず、走行装置１３は、四輪駆動、四輪操舵であってもよい。

【0013】

図２は、第一実施形態に係る運搬車両１０が備える動力系１４および駆動系１５の構成を示す概略ブロック図である。動力系１４は、２つの水素貯留ユニット１４１、燃料電池１４２、バッテリ１４３、ＤＣＤＣコンバータ１４４を備える。
水素貯留ユニット１４１は、水素を蓄え、蓄えた水素を燃料電池に供給する。燃料電池１４２は、水素貯留ユニット１４１から供給される水素と外気に含まれる酸素とを電気化学反応させて電力を発生する。運搬車両１０は、２つの水素貯留ユニット１４１（第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂ）を備える。第一水素貯留ユニット１４１Ａは、車体１２の左側に設けられ、第二水素貯留ユニット１４１Ｂは、車体１２の右側に設けられる。

【0014】

バッテリ１４３は、燃料電池１４２において発生した電力を蓄える。ＤＣＤＣコンバータ１４４は、制御装置１６（図４参照）からの指示に従って接続される燃料電池１４２またはバッテリ１４３から電力を出力させる。バッテリ１４３には、監視装置１４３１が設けられ、バッテリ１４３の充電率を監視する。

【0015】

動力系１４が出力した電力は、母線Ｂを介して駆動系１５へ出力される。駆動系１５は、インバータ１５１と、ポンプモータ１５２と、油圧ポンプ１５３と、ホイストシリンダ１５４と、インバータ１５５と、走行モータ１５６とを有する。インバータ１５１は、母線Ｂからの直流電流を三相交流電流に変換してポンプモータ１５２に供給する。ポンプモータ１５２は、油圧ポンプ１５３を駆動する。油圧ポンプ１５３から吐出された作動油は、図示しない制御弁を介してホイストシリンダ１５４に供給される。作動油がホイストシリンダ１５４に供給されることにより、ホイストシリンダ１５４が作動する。ホイストシリンダ１５４は、ダンプボディ１１をダンプ動作又は下げ動作させる。インバータ１５５は、母線Ｂからの直流電流を三相交流電流に変換して走行モータ１５６に供給する。走行モータ１５６が発生した回転力は、走行装置１３の駆動輪に伝達される。

【0016】

図３は、第一実施形態に係る水素貯留ユニット１４１の構成を示す図である。
第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂは、それぞれ筐体２１、複数の水素タンク２２、第一配管２３、第二配管２４を備える。筐体２１は、複数の水素タンク２２、第一配管２３および第二配管２４を収容する。筐体２１には、水素の供給装置（図示せず）からの水素の入力を受ける充填口２１１が設けられる。充填口２１１には、供給装置との接続を検出する接続センサ２１２が設けられる。複数の水素タンク２２は、それぞれ水素貯留器の一例である。

【0017】

第一配管２３は、充填口２１１と各水素タンク２２とを接続する。第一配管２３の上流側に充填口２１１が接続され、下流側に複数の水素タンク２２が接続される。第一配管２３と各水素タンク２２とは、それぞれ第一分岐管２３１を介して接続される。各第一分岐管２３１には、第一コントロールバルブ２３２が設けられる。

【0018】

第二配管２４は、各水素タンク２２と燃料電池１４２とを接続する。なお、第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂは、第二配管２４を介して互いに接続される。第二配管２４の上流側に複数の水素タンク２２が接続され、下流側に燃料電池１４２が接続される。第二配管２４と各水素タンク２２とは、それぞれ第二分岐管２４１を介して接続される。第二配管２４の上流側には、コントロールバルブ（開閉弁）であるヘッダバルブ２４２が設けられる。各第二分岐管２４１には、第二コントロールバルブ２４３とタンクセンサ２４４が設けられる。タンクセンサ２４４は、水素タンク２２の圧力および温度を計測する。

【0019】

運搬車両１０は、動力系１４を制御する制御装置１６を備える。図４は、第一実施形態に係る運搬車両１０が備える制御装置１６の構成を示す概略ブロック図である。

【0020】

制御装置１６は、取得部１６１、決定部１７２、制御部１７３を備える。
取得部１６１は、監視装置１４３１、接続センサ２１２およびタンクセンサ２４４から計測データを取得する。
決定部１７２は、取得部１６１が取得した計測データに基づいて、水素の充填対象となる水素貯留ユニット１４１および水素の放出対象となる水素貯留ユニット１４１を決定する。
制御部１７３は、第一コントロールバルブ２３２、第二コントロールバルブ２４３およびヘッダバルブ２４２の開閉を制御する。制御部１７３は、充填対象の水素貯留ユニット１４１の第二コントロールバルブ２４３を閉じ、第一コントロールバルブ２３２を開く。制御部１７３は、第一水素貯留ユニット１４１Ａと第二水素貯留ユニット１４１Ｂの両方に供給装置が接続されている場合、供給装置への水素の逆流が生じないように、第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂのヘッダバルブ２４２を閉じる。また制御部１７３は、放出対象の水素貯留ユニット１４１の第一コントロールバルブ２３２を閉じ、第二コントロールバルブ２４３およびヘッダバルブ２４２を開く。
また、制御部１７３は、取得部１６１が取得したタンクセンサ２４４の計測データに基づいて、温度または圧力が閾値より高い水素タンク２２の第一コントロールバルブ２３２を閉じる。

【0021】

《充填処理》
図５は、第一実施形態に係る運搬車両１０の水素の充填処理を示すフローチャートである。
まず、制御装置１６の取得部１６１は、監視装置１４３１、接続センサ２１２およびタンクセンサ２４４から計測データを取得する（ステップＳ１）。つまり、取得部１６１は、バッテリ１４３の充電率、供給装置の接続の有無、および各水素タンク２２の圧力および温度の計測データを取得する。決定部１７２は、接続センサ２１２の計測データに基づいて少なくとも１つの充填口２１１に供給装置が接続されているか否かを判定する（ステップＳ２）。いずれの充填口２１１にも供給装置が接続されていない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、決定部１７２は水素の充填を行わないことを決定し、処理を終了する。

【0022】

他方、少なくとも１つの充填口２１１に供給装置が接続されている場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、決定部１７２は、第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂの両方の充填口２１１に供給装置が接続されているか否かを判定する（ステップＳ３）。

【0023】

第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂの両方の充填口２１１に供給装置が接続されている場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、決定部１７２は、第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂの両方を充填対象に決定する（ステップＳ４）。

【0024】

他方、第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂのうち一方の充填口２１１にのみ供給装置が接続されている場合（ステップＳ３：ＮＯ）、決定部１７２は、監視装置１４３１の計測データに基づいて、バッテリ１４３の充電率が所定の目標充電率未満であるか否かを判定する（ステップＳ５）。バッテリ１４３の充電率が所定の目標充電率未満である場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、決定部１７２は、供給装置が接続された水素貯留ユニット１４１を充填対象に決定し、供給装置が接続されていない水素貯留ユニット１４１を放出対象に決定する（ステップＳ６）。

【0025】

ステップＳ７においてバッテリ１４３の充電率が所定の目標充電率以上である場合（ステップＳ５：ＮＯ）、決定部１７２は、供給装置が接続された水素貯留ユニット１４１を充填対象に決定する（ステップＳ７）。このとき、供給装置が接続されていない水素貯留ユニット１４１は、充填対象および放出対象の何れでもない。

【0026】

制御部１７３は、充填対象の水素貯留ユニット１４１のヘッダバルブ２４２を閉じる（ステップＳ８）。そして、制御部１７３は、充填対象の水素貯留ユニット１４１の第二コントロールバルブ２４３を閉じ、第一コントロールバルブ２３２を開く（ステップＳ９）。これにより、充填対象の水素貯留ユニット１４１に水素が供給される。また、供給装置から供給される水素が他の水素貯留ユニット１４１へ流入することを防ぐことができる。また、制御部１７３は、放出対象の水素貯留ユニット１４１のヘッダバルブ２４２を開く（ステップＳ１０）。そして、制御部１７３は、放出対象の水素貯留ユニット１４１の第一コントロールバルブ２３２を閉じ、第二コントロールバルブ２４３を開く（ステップＳ１１）。なお、放出対象の水素貯留ユニット１４１がない場合、ステップＳ１０およびステップＳ１１の処理が行われなくてよい。制御部１７３は、燃料電池１４２の稼働によって発生した電気をバッテリ１４３に充電するようにＤＣＤＣコンバータ１４４を制御する。

【0027】

《作用・効果》
このように、第一実施形態に係る運搬車両１０は、第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂと備え、ヘッダバルブ２４２が閉じることで、第一水素貯留ユニット１４１Ａと第二水素貯留ユニット１４１Ｂとの間での水素の流通が防止される。これにより、運搬車両１０は、第一水素貯留ユニット１４１Ａおよび第二水素貯留ユニット１４１Ｂの両方の充填口２１１に供給装置が接続されても、一方の供給装置から他方の供給装置へ水素が流通しない。したがって、第一実施形態に係る運搬車両１０によれば、水素供給器を保護しながら、速やかに水素を充填することができる。

【0028】

また、第一実施形態に係る運搬車両１０は、一方の水素貯留ユニット１４１にのみ供給装置が接続されている場合に、当該一方の水素貯留ユニット１４１へ水素を充填している間、他方の水素貯留ユニット１４１の水素を用いて燃料電池１４２を稼働させ、バッテリ１４３を充電することができる。これにより、運搬車両１０は水素を充填している間に燃料電池１４２を稼働させることで、効率を上げることができる。

【0029】

〈他の実施形態〉
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。

【0030】

上述した実施形態では、供給装置から水素を充填するための第一配管２３と水素を燃料電池１４２へ放出するための第二配管２４とが分けて設けられるが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、共通の配管を用いて供給装置からの水素を充填と燃料電池１４２への水素の放出を行ってもよい。この場合、制御装置１６は、一方の水素貯留ユニット１４１にのみ供給装置が接続されている場合に、両方の水素貯留ユニット１４１のヘッダバルブ２４２を開き、両方の水素貯留ユニット１４１へ水素を供給してもよい。つまり、ヘッダバルブ２４２は、両方の水素貯留ユニット１４１の充填口に供給装置が接続されているときに閉じるものであればよい。

【0031】

上述した実施形態に係るヘッダバルブ２４２は開閉可能なコントロールバルブであるが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係るヘッダバルブ２４２は、燃料電池１４２側からの水素の流入を防止する逆止弁であってもよい。

【0032】

上述した実施形態においては、運搬車両１０は２つの水素貯留ユニット１４１を備えるが、これに限られない。例えば他の実施形態においては、運搬車両１０は３つ以上の水素貯留ユニット１４１を備えてもよい。

【0033】

〈コンピュータ構成〉
図６は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ９０は、プロセッサ９１、メインメモリ９２、ストレージ９３、インタフェース９４を備える。
上述の制御装置１６は、コンピュータ９０に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ９３に記憶されている。プロセッサ９１は、プログラムをストレージ９３から読み出してメインメモリ９２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ９１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ９２に確保する。プロセッサ９１の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。

【0034】

プログラムは、コンピュータ９０に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータ９０は、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Programmable Logic Device）などのカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。この場合、プロセッサ９１によって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。

【0035】

ストレージ９３の例としては、磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ９３は、コンピュータ９０のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース９４または通信回線を介してコンピュータ９０に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ９０に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９０が当該プログラムをメインメモリ９２に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ９３は、一時的でない有形の記憶媒体である。

【0036】

また、当該プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、当該プログラムは、前述した機能をストレージ９３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで実現するもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

【符号の説明】

【0037】

１０…運搬車両 １１…ダンプボディ １２…車体 １３…走行装置 １４…動力系 １４１…水素貯留ユニット １４１Ａ…第一水素貯留ユニット １４１Ｂ…第二水素貯留ユニット １４２…燃料電池 １４３…バッテリ １４３１…監視装置 １４４…ＤＣＤＣコンバータ １５…駆動系 １５１…インバータ １５２…ポンプモータ １５３…油圧ポンプ １５４…ホイストシリンダ １５５…インバータ １５６…走行モータ １６…制御装置 １６１…取得部 １７２…決定部 １７３…制御部 ２１…筐体 ２１１…充填口 ２１２…接続センサ ２２…水素タンク ２３…第一配管 ２３１…第一分岐管 ２３２…第一コントロールバルブ ２４…第二配管 ２４１…第二分岐管 ２４２…ヘッダバルブ ２４３…第二コントロールバルブ ２４４…タンクセンサ ９０…コンピュータ ９１…プロセッサ ９２…メインメモリ ９３…ストレージ ９４…インタフェース Ｂ…母線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】