特開 2024-85718 燃料電池システム及び作業車両

(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】P2024085718

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】燃料電池システム及び作業車両

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240620BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20240620BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240620BHJP

   B60L 50/60 20190101ALI20240620BHJP

   B60L 50/75 20190101ALI20240620BHJP

   B60L 58/10 20190101ALI20240620BHJP

   B60L 58/40 20190101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/04111

H01M8/00 A

H01M8/00 Z

B60L50/60

B60L50/75

B60L58/10

B60L58/40

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022200397

(22)【出願日】2022-12-15

(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】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】戎崎 英世

【テーマコード（参考）】

5H125

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H125AA20

5H125AC06

5H125AC07

5H125AC12

5H125BC05

5H125BD12

5H125BD14

5H125EE40

5H125FF09

5H127AB04

5H127AB29

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB07

5H127BB12

5H127BB37

5H127CC07

5H127EE04

(57)【要約】

【課題】燃料電池システムの効率を向上すること。
【解決手段】燃料電池システムは、空気から酸素富化空気と窒素富化空気とを生成する酸素富化膜と、酸素富化空気が供給される燃料電池と、窒素富化空気により回転する第１回転装置と、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気から酸素富化空気と窒素富化空気とを生成する酸素富化膜と、
前記酸素富化空気が供給される燃料電池と、
前記窒素富化空気により回転する第１回転装置と、を備える、
燃料電池システム。

【請求項2】

第１コンプレッサを備え、
前記第１コンプレッサで圧縮された空気が前記酸素富化膜に供給され、
前記第１回転装置は、前記第１コンプレッサに接続される第１タービンを含む、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池から排出されたガスにより回転する第２回転装置を備える、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料電池に供給される前記酸素富化空気を圧縮する第２コンプレッサを備え、
前記第２回転装置は、前記第２コンプレッサに接続される第２タービンを含む、
請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

発電機を備え、
前記第２回転装置は、前記発電機に接続される第２タービンを含む、
請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

蓄電装置を備え、
前記発電機で発生した電力で前記蓄電装置が充電される、
請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備える、
作業車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システム及び作業車両に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムに係る技術分野において、特許文献１に開示されているような、酸素分離膜モジュール（酸素富化膜）を用いた燃料電池が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００１－２７６５５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

酸素富化膜は、空気から酸素富化空気と窒素富化空気とを生成する。酸素富化空気が燃料電池に供給されることにより、燃料電池の効率が向上する。窒素富化空気が有効活用されることにより、燃料電池システムの効率の向上が期待できる。

【0005】

本開示は、燃料電池システムの効率を向上することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に従えば、空気から酸素富化空気と窒素富化空気とを生成する酸素富化膜と、酸素富化空気が供給される燃料電池と、窒素富化空気により回転する第１回転装置と、を備える、燃料電池システムが提供される。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、燃料電池システムの効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係る作業車両を模式的に示す斜視図である。

【図2】図２は、実施形態に係る作業車両の構成を模式的に示す図である。

【図3】図３は、実施形態に係る燃料電池システムの一部を模式的に示す図である。

【図4】図４は、実施形態に係る燃料電池システムの一部を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本開示は実施形態に限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

【0010】

［作業車両］
図１は、実施形態に係る作業車両２を模式的に示す斜視図である。図２は、実施形態に係る作業車両２の構成を模式的に示す図である。作業車両２とは、作業現場で作業する車両をいう。作業現場として、鉱山又は採石場が例示される。実施形態において、作業車両２は、作業現場で積荷を運搬する運搬作業を実施する運搬車両である。作業車両２は、作業車両２に搭乗した運転者による運転操作に基づいて稼働する有人車両でもよいし、運転者による運転操作によらずに無人で稼働する無人車両でもよい。実施形態においては、作業車両２を適宜、ダンプトラック２、と称する。

【0011】

図１及び図２に示すように、ダンプトラック２は、燃料電池システム３と、電動モータ４と、パワーテイクオフ６と、油圧ポンプ５と、バルブ装置７と、前輪８Ａと、後輪８Ｂと、走行モータ４Ｂと、ステアリングシリンダ９と、車体１０と、ダンプボディ１２と、ホイストシリンダ１３とを備える。

【0012】

電動モータ４は、燃料電池システム３が発電した電力に基づいて駆動する。実施形態において、電動モータ４は、駆動モータ４Ａ及び走行モータ４Ｂを含む。

【0013】

油圧ポンプ５は、パワーテイクオフ６を介して駆動モータ４Ａに接続される。駆動モータ４Ａは、油圧ポンプ５を駆動させる。油圧ポンプ５は、ステアリングシリンダ９及びホイストシリンダ１３のそれぞれに供給される作動油を吐出する。油圧ポンプ５から吐出された作動油は、バルブ装置７を介して、ステアリングシリンダ９及びホイストシリンダ１３のそれぞれに供給される。

【0014】

前輪８Ａ及び後輪８Ｂのそれぞれは、車体１０を支持する。前輪８Ａに前タイヤ１１Ａが装着される。後輪８Ｂに後タイヤ１１Ｂが装着される。前輪８Ａは、ステアリングシリンダ９により操舵される操舵輪である。後輪８Ｂは、走行モータ４Ｂが発生する動力により回転する駆動輪である。走行モータ４Ｂは、後輪８Ｂを回転させる。後輪８Ｂに装着された後タイヤ１１Ｂが回転することにより、ダンプトラック２が走行する。

【0015】

ステアリングシリンダ９は、油圧アクチュエータの一種である油圧シリンダである。ステアリングシリンダ９は、油圧ポンプ５から吐出された作動油に基づいて駆動する。バルブ装置７は、油圧ポンプ５からステアリングシリンダ９に供給される作動油の方向及び流量を調整する。ステアリングシリンダ９は、前輪８Ａを操舵する動力を発生する。

【0016】

車体１０は、前輪８Ａ及び後輪８Ｂのそれぞれに支持される。ダンプボディ１２は、車体１０に支持される。ダンプボディ１２は、積荷が積み込まれる部材である。ダンプボディ１２は、ホイストシリンダ１３により回動される。ダンプボディ１２は、リアダンプ方式である。ホイストシリンダ１３によりダンプボディ１２が後方に回動することにより、ダンプボディ１２から積荷が排出される。

【0017】

ホイストシリンダ１３は、油圧アクチュエータの一種である油圧シリンダである。ホイストシリンダ１３は、油圧ポンプ５から吐出された作動油に基づいて駆動する。バルブ装置７は、油圧ポンプ５からホイストシリンダ１３に供給される作動油の方向及び流量を調整する。ホイストシリンダ１３は、ダンプボディ１２を回動させる動力を発生する。

【0018】

［燃料電池システム］
燃料電池システム３は、ダンプトラック２に搭載される。図２に示すように、燃料電池システム３は、燃料電池２０と、酸化ガス供給装置３０と、燃料ガス供給装置４０と、ガス排出装置５０と、電力調整装置６０と、冷媒供給装置７０とを有する。

【0019】

燃料電池２０は、燃料ガスである水素と酸化ガスである酸素とを化学反応させて発電する。燃料電池２０は、複数の単位セルが積層されたスタック構造を有する。

【0020】

酸化ガス供給装置３０は、燃料電池２０のカソードに酸素を含む空気を供給する。酸化ガス供給装置３０は、エアコンプレッサ３１と、酸素富化膜３２と、タービン３３と、給気ライン３４と、給気ライン３５と、給気ライン３６とを有する。エアコンプレッサ３１は、ダンプトラック２の外部の空気を吸引して燃料電池２０に供給する。タービン３３は、エアコンプレッサ３１に接続される。給気ライン３４は、エアコンプレッサ３１と酸素富化膜３２とを接続する。エアコンプレッサ３１により吸引された空気は、給気ライン３４を介して酸素富化膜３２に供給される。酸素富化膜３２は、空気から酸素濃度が増大した酸素富化空気と酸素濃度が低下した窒素富化空気とを生成する。給気ライン３５は、酸素富化膜３２と燃料電池２０のカソード入口とを接続する。酸素富化膜３２において生成された酸素富化空気は、給気ライン３５を介して燃料電池２０のカソードに供給される。給気ライン３６は、酸素富化膜３２とタービン３３とを接続する。酸素富化膜３２において生成された窒素富化空気は、給気ライン３６を介してタービン３３に供給される。窒素富化空気は、タービン３３を回転させる。タービン３３は、エアコンプレッサ３１に回転力を与える。

【0021】

燃料ガス供給装置４０は、燃料電池２０のアノードに水素を供給する。燃料ガス供給装置４０は、水素タンク４１と、燃料ガス供給ライン４２とを有する。水素タンク４１は、水素を収容する。水素は、水素タンク４１に充填される。燃料ガス供給ライン４２は、水素タンク４１と燃料電池２０のアノード入口とを接続する。水素タンク４１から送出された水素は、燃料ガス供給ライン４２を介して燃料電池２０のアノードに供給される。なお、燃料ガス供給ライン４２に、水素タンク４１の水素を燃料電池２０に供給する水素ポンプが配置されてもよい。

【0022】

ガス排出装置５０は、燃料電池２０から排出されたガスをダンプトラック２の周囲の大気空間に排出する。ガス排出装置５０は、排気ライン５１と、タービン５２とを有する。排気ライン５１は、燃料電池２０のカソード出口とタービン５２とを接続する。タービン５２は、燃料電池２０から排出されたガスにより回転する。

【0023】

電力調整装置６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１と、インバータ６２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６３と、蓄電装置６４とを有する。電力調整装置６０は、燃料電池２０が発電した電力及び蓄電装置６４に蓄えられている電力の少なくとも一方を電動モータ４（４Ａ，４Ｂ）に供給する。電動モータ４は、燃料電池２０からの電力及び蓄電装置６４からの電力の少なくとも一方に基づいて駆動する。

【0024】

ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、燃料電池２０で発電された電圧を昇圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、燃料電池２０で発電された直流電流をインバータ６２に供給する。蓄電装置６４は、燃料電池２０が発電した電力により充電される。蓄電装置６４は、ダンプトラック２の外部に設けられた充電装置により充電されてもよい。蓄電装置６４は、電動モータ４の回生エネルギーにより充電されてもよい。蓄電装置６４は、二次電池（蓄電池）を含む。実施形態において、蓄電装置６４は、リチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ：Lithium ion Battery）を含む。なお、蓄電装置６４は、リチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ：Lithium ion Capacitor）を含んでもよいし、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Electric Double Layer Capacitor）を含んでもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ６３は、蓄電装置６４が燃料電池２０と一体となってインバータ６２へ電力を供給できるように、蓄電装置６４の充放電を制御する。インバータ６２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１及びＤＣ／ＤＣコンバータ６３の少なくとも一方からの直流電流を三相交流電流に変換して電動モータ４（４Ａ，４Ｂ）に供給する。電動モータ４（４Ａ，４Ｂ）は、インバータ６２から供給された三相交流電流に基づいて駆動される。

【0025】

冷媒供給装置７０は、燃料電池２０を冷却するために燃料電池２０に冷媒を供給する。冷媒として、水が例示される。冷媒供給装置７０は、供給ライン７１と、排出ライン７２と、ラジエータ７３と、冷媒ポンプ７４とを有する。供給ライン７１は、燃料電池２０の冷媒入口に接続される。排出ライン７２は、燃料電池２０の冷媒出口に接続される。ラジエータ７３は、供給ライン７１と排出ライン７２とに接続される。冷媒ポンプ７４は、供給ライン７１に配置される。冷媒ポンプ７４は、燃料電池２０に冷媒を供給する。冷媒ポンプ７４は、供給ライン７１、燃料電池２０、排出ライン７２、及びラジエータ７３を含む循環経路において冷媒が循環するように駆動する。ラジエータ７３は、燃料電池２０から排出された冷媒とダンプトラック２の外部の空気とを熱交換して冷媒を冷却する。

【0026】

［酸素富化膜］
図３は、実施形態に係る燃料電池システム３の一部を模式的に示す図である。図３に示すように、燃料電池システム３は、燃料電池２０と、酸化ガス供給装置３０と、燃料ガス供給装置４０と、ガス排出装置５０とを備える。

【0027】

酸化ガス供給装置３０は、エアコンプレッサ３１と、エアコンプレッサ３１に接続されるタービン３３と、酸素富化膜３２と、コンプレッサ５３とを有する。燃料ガス供給装置４０は、水素タンク４１と、燃料ガス供給ライン４２とを有する。ガス排出装置５０は、排気ライン５１と、コンプレッサ５３に接続されるタービン５２とを有する。

【0028】

エアコンプレッサ３１は、ダンプトラック２の外部の空気を吸引して燃料電池２０に供給する。タービン３３は、エアコンプレッサ３１に直結される。給気ライン３４は、エアコンプレッサ３１と酸素富化膜３２とを接続する。エアコンプレッサ３１で圧縮された空気は、給気ライン３４を介して酸素富化膜３２に供給される。

【0029】

酸素富化膜３２は、空気から酸素濃度が増大した酸素富化空気と酸素濃度が低下した窒素富化空気とを生成する。酸素富化膜３２において生成された酸素富化空気は、酸素富化膜３２の第１流出口から流出する。酸素富化膜３２において生成された窒素素富化空気は、酸素富化膜３２の第２流出口から流出する。

【0030】

給気ライン３５は、酸素富化膜３２の第１流出口とコンプレッサ５３とを接続する第１給気ライン３５Ａと、コンプレッサ５３と燃料電池２０のカソード入口とを接続する第２給気ライン３５Ｂとを含む。酸素富化膜３２において生成された酸素富化空気は、第１給気ライン３５Ａ、コンプレッサ５３、及び第２給気ライン３５Ｂを介して燃料電池２０のカソードに供給される。コンプレッサ５３は、燃料電池２０に供給される酸素富化空気を圧縮する。コンプレッサ５３で圧縮された空気は、第２給気ライン３５Ｂを介して燃料電池２０のカソードに供給される。

【0031】

給気ライン３６は、酸素富化膜３２の第２流出口とタービン３３とを接続する。酸素富化膜３２において生成された窒素富化空気は、給気ライン３６を介してタービン３３に供給される。タービン３３は、窒素富化空気により回転する。タービン３３は、エアコンプレッサ３１に回転力を与える。

【0032】

排気ライン５１は、燃料電池２０のカソード出口とタービン５２とを接続する。タービン５２は、コンプレッサ５３に直結される。タービン５２は、燃料電池２０から排出されたガスにより回転する。タービン５２は、コンプレッサ５３に回転力を与える。

【0033】

［効果］
以上説明したように、実施形態によれば、燃料電池システム３は、空気から酸素富化空気と窒素富化空気とを生成する酸素富化膜３２と、酸素富化空気が供給される燃料電池２０と、窒素富化空気により回転する第１回転装置であるタービン３３と、を備える。

【0034】

実施形態によれば、酸素富化膜３２から排出される窒素富化空気が有効活用される。実施形態においては、窒素富化空気によりエアコンプレッサ３１に直結されているタービン３３が回転する。タービン３３は、エアコンプレッサ３１に回転力を与える。エアコンプレッサ３１が燃料電池２０又は蓄電装置６４からの電力に基づいて駆動する場合、タービン３３がエアコンプレッサ３１に回転力を与えることにより、エアコンプレッサ３１の消費電力が抑制される。これにより、燃料電池システム３の効率が向上する。

【0035】

燃料電池システム３は、燃料電池２０から排出されたガスにより回転する第２回転装置であるタービン５２を備える。実施形態によれば、燃料電池２０から排出されたガスが有効活用される。実施形態においては、燃料電池２０から排出されたガスによりコンプレッサ５３に直結されているタービン５２が回転する。タービン５２は、コンプレッサ５３に回転力を与える。コンプレッサ５３が燃料電池２０又は蓄電装置６４からの電力に基づいて駆動する場合、タービン５２がコンプレッサ５３に回転力を与えることにより、コンプレッサ５３の消費電力が抑制される。これにより、燃料電池システム３の効率が向上する。
［その他の実施形態］

【0036】

上述の実施形態において、窒素富化空気により回転する第１回転装置がタービン３３であることとした。窒素富化空気により回転する第１回転装置は、タービン３３でなくてもよい。また、タービン３３に接続される回転装置は、エアコンプレッサ３１でなくてもよい。タービン３３に接続される回転装置は、例えば発電機でもよい。発電機で発生した電力で蓄電装置６４が充電されてもよい。

【0037】

上述の実施形態において、燃料電池２０から排出されたガスにより回転する第２回転装置がタービン５２であることとした。燃料電池２０から排出されたガスにより回転する第２回転装置は、タービン５２でなくてもよい。また、タービン５２に接続される回転装置は、コンプレッサ５３でなくてもよい。タービン５２に接続される回転装置は、例えば発電機でもよい。

【0038】

図４は、実施形態に係る燃料電池システム３の一部を模式的に示す図である。図４に示すように、タービン５２に発電機５４が接続されてもよい。タービン５２は、発電機５４に回転力を与える。発電機５４は、タービン５２から与えられる回転力に基づいて発電する。発電機５４で発生した電力で蓄電装置６４が充電されてもよい。

【符号の説明】

【0039】

２…ダンプトラック（作業車両）、３…燃料電池システム、４…電動モータ、４Ａ…駆動モータ、４Ｂ…走行モータ、５…油圧ポンプ、６…パワーテイクオフ、７…バルブ装置、８Ａ…前輪、８Ｂ…後輪、９…ステアリングシリンダ、１０…車体、１１Ａ…前タイヤ、１１Ｂ…後タイヤ、１２…ダンプボディ、１３…ホイストシリンダ、２０…燃料電池、３０…酸化ガス供給装置、３１…エアコンプレッサ（第１コンプレッサ）、３２…酸素富化膜、３３…タービン（第１回転装置）、３４…給気ライン、３５…給気ライン、３５Ａ…第１給気ライン、３５Ｂ…第２給気ライン、３６…給気ライン、４０…燃料ガス供給装置、４１…水素タンク、４２…燃料ガス供給ライン、５０…ガス排出装置、５１…排気ライン、５２…タービン（第２回転機械）、５３…コンプレッサ（第２コンプレッサ）、５４…発電機、６０…電力調整装置、６１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６２…インバータ、６３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６４…蓄電装置、７０…冷媒供給装置、７１…供給ライン、７２…排出ライン、７３…ラジエータ、７４…冷媒ポンプ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】