特開 2024-90106 燃料電池システムおよび作業機械

(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】P2024090106

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよび作業機械

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240627BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20240627BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/249

H01M8/04111

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022205772

(22)【出願日】2022-12-22

(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）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA21

5H127AB04

5H127AB11

5H127AB29

5H127AC02

5H127BA02

5H127BA22

5H127BB02

5H127BB10

5H127BB12

5H127BB37

5H127BB40

(57)【要約】

【課題】外気圧による応答性の変化が生じることを防ぐ。
【解決手段】複数の個別エアコンプレッサは、複数の燃料電池それぞれに対応して設けられる。各個別エアコンプレッサは、空気を所望の動作圧まで昇圧して対応する燃料電池に供給する。共通エアコンプレッサは、複数の個別エアコンプレッサの上流に設けられ、空気を昇圧して所定の基準圧の空気を複数の個別エアコンプレッサに供給する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素ガスと空気中の酸素とを反応させて電気エネルギーを生成する複数の燃料電池と、
前記複数の燃料電池それぞれに設けられた複数の個別エアコンプレッサであって、それぞれが空気を所望の動作圧まで昇圧して対応する燃料電池に供給する複数の個別エアコンプレッサと、
前記複数の個別エアコンプレッサの上流に設けられ、空気を昇圧して所定の基準圧の空気を前記複数の個別エアコンプレッサに供給する共通エアコンプレッサと
を備える燃料電池システム。

【請求項2】

前記共通エアコンプレッサの下流かつ前記複数の個別エアコンプレッサの上流に設けられ、前記共通エアコンプレッサが供給する空気を貯留し、貯留した空気を前記基準圧で前記複数の個別エアコンプレッサへ供給するエアタンク
を備える請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記複数の燃料電池から排出される排気によって回転し、回転によって発生するエネルギーを用いて前記共通エアコンプレッサを駆動させるタービンを備える
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムと、
前記燃料電池システムの前記複数の燃料電池が生成した電気エネルギーによって駆動する作業機と
を備える作業機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システムおよび作業機械に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを生成する。燃料である水素は水素ガスを充填した高圧タンクから滞りなく供給される。一方で、通常、酸素は大気から取り出される。そのため、燃料電池には、空気を圧縮して燃料電池へ供給するためのエアコンプレッサが設けられる。特許文献１には、燃料電池に圧縮空気を供給するエアコンプレッサが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１５２２３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、燃料電池システムを備える作業機械は、気圧の低い高地環境において用いられることがある。エアコンプレッサは、燃料電池の要求する圧力まで空気を圧縮するため、外気圧が低いほどエアコンプレッサの必要動力が大きい。そのため、高地環境において燃料電池を用いる場合、所望の電力を出力するために必要な圧力の空気を生成するのに時間がかかり、応答性が低くなる可能性がある。
本開示の目的は、外気圧による応答性の変化が生じることを防ぐことができる燃料電池システムおよび作業機械を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様によれば、燃料電池システムは、水素ガスと空気中の酸素とを反応させて電気エネルギーを生成する複数の燃料電池と、前記複数の燃料電池それぞれに設けられた複数の個別エアコンプレッサであって、それぞれが空気を所定の動作圧まで昇圧して対応する前記燃料電池に供給する複数の個別エアコンプレッサと、前記複数の個別エアコンプレッサの一次側に設けられ、空気を昇圧して前記複数の個別エアコンプレッサに供給する共通エアコンプレッサとを備える。

【発明の効果】

【0006】

上記態様によれば、燃料電池システムは、外気圧による応答性の変化が生じることを防ぐことができる。

【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の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燃料電池システムの構成を示す概略ブロック図である。

【図4】第二実施形態に係る燃料電池システム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〉
《運搬車両の構成》
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
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、鉱山などの作業現場を走行して積荷を運搬するダンプトラックである。運搬車両１０は、運転者による運転操作によらずに無人で稼働する無人ダンプトラックでもよいし、運転者による運転操作に基づいて稼働する有人ダンプトラックでもよい。
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。

【0009】

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。

【0010】

ダンプ動作とは、ダンプボディ１１を車体１２から離隔させてダンプ方向に傾斜させる動作をいう。ダンプ方向は、車体１２の後方である。実施形態において、ダンプ動作は、ダンプボディ１１の前端部を上昇させて、ダンプボディ１１を後方に傾斜させることを含む。ダンプ動作により、ダンプボディ１１の積載面は、後方に向かって下方に傾斜する。

【0011】

下げ動作とは、ダンプボディ１１を車体１２に接近させる動作をいう。実施形態において、下げ動作は、ダンプボディ１１の前端部を下降させることを含む。

【0012】

排土作業を実施する場合、ダンプボディ１１は、積載姿勢からダンプ姿勢に変化するように、ダンプ動作する。ダンプボディ１１に積荷が積載されている場合、積荷は、ダンプ動作により、ダンプボディ１１の後端部から後方に排出される。積込作業が実施される場合、ダンプボディ１１は、積載姿勢に調整される。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

図２は、第一実施形態に係る運搬車両１０の動力系１４および駆動系１５の構成を示す概略ブロック図である。運搬車両１０は、動力系１４および駆動系１５を備える。動力系１４は、水素と酸素とを反応させて駆動系１５を動作させるための動力を発生する。駆動系１５は、動作することで、ダンプボディ１１および走行装置１３を駆動させる。ダンプボディ１１は、燃料電池が生成した電気エネルギーによって駆動する作業機の一例である。

【0016】

動力系１４は、燃料電池１４３、バッテリ１４４、ＤＣＤＣコンバータ１４５を備える。なお、動力系１４は、複数の燃料電池１４３を備える。
燃料電池１４３は、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を発生する。バッテリ１４４は、燃料電池１４３において発生した電力を蓄える。ＤＣＤＣコンバータ１４５は、燃料電池１４３およびバッテリ１４４に対応して設けられる。ＤＣＤＣコンバータ１４５は、制御装置からの指示に従って、対応する燃料電池１４３またはバッテリ１４４から電力を出力させる。

【0017】

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、ポンプ駆動モータ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、走行駆動モータ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駆動モータ１５２に供給する。ポンプ駆動モータ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駆動モータ１５６に供給する。走行駆動モータ１５６が発生した回転力は、走行装置１３の後輪に伝達される。

【0018】

《燃料電池システムの構成》
図３は、第一実施形態に係る燃料電池システム１７の構成を示す概略ブロック図である。運搬車両１０は、複数の燃料電池１４３に水素と空気を供給する燃料電池システム１７を備える。燃料電池システム１７は、共通エアコンプレッサ１７１、エアタンク１７２、吸気マニホールド１７３、個別エアコンプレッサ１７４、水素タンク１７５、および燃料電池１４３を備える。

【0019】

共通エアコンプレッサ１７１は、大気を圧縮し、所定の基準圧（例えば、０．１ＭＰａ）まで昇圧する。
エアタンク１７２は、共通エアコンプレッサ１７１から供給された圧縮空気を格納する。エアタンク１７２の吸気口は、共通エアコンプレッサ１７１の吐出口に接続される。エアタンク１７２の吐出口には、調圧弁１７２１が設けられる。調圧弁１７２１は、エアタンク１７２の吐出口から供給される空気の圧力を基準圧に調整する。
吸気マニホールド１７３は、１つの吸気口と複数の吐出口とを備え、吸気口に供給された空気を複数の吐出口に分配する。吸気マニホールド１７３の吐出口の数は、燃料電池１４３の数と等しい。吸気マニホールド１７３の吸気口はエアタンク１７２の吐出口に接続される。

【0020】

複数の個別エアコンプレッサ１７４は、それぞれ燃料電池１４３に対応して設けられる。個別エアコンプレッサ１７４は、空気を圧縮し、制御装置が指示する動作圧まで昇圧する。個別エアコンプレッサ１７４の吸気口は、吸気マニホールド１７３の対応する吐出口に接続される。個別エアコンプレッサ１７４の吐出口は、燃料電池１４３の正極側の吸気口に接続される。

【0021】

複数の水素タンク１７５は、圧縮された水素を格納するタンクである。水素は、水素タンク１７５から、燃料電池１４３へ供給される。

【0022】

つまり、燃料電池システム１７のうち、空気が流れる経路には、上流側から順に、共通エアコンプレッサ１７１、エアタンク１７２、吸気マニホールド１７３、個別エアコンプレッサ１７４、燃料電池１４３が設けられる。

【0023】

《作用・効果》
このように、燃料電池システム１７は、複数の個別エアコンプレッサ１７４の上流に、大気を基準圧まで昇圧させる共通エアコンプレッサ１７１を備える。これにより、運搬車両１０の環境の気圧の高低によらず、複数の個別エアコンプレッサ１７４は、常に基準圧から動作圧までの昇圧を行うことができる。
例えば燃料電池システム１７が共通エアコンプレッサ１７１を備えない場合、外気圧が０．０７ＭＰａであり、制御装置が指示する動作圧が０．２５ＭＰａであるとき、複数の個別エアコンプレッサ１７４は、それぞれ０．１８ＭＰａの昇圧を行う必要がある。これに対し、第一実施形態のように燃料電池システム１７が共通エアコンプレッサ１７１を備える場合、複数の個別エアコンプレッサ１７４は、それぞれ０．１５ＭＰａの昇圧を行えばよい。つまり、第一実施形態に係る燃料電池システム１７は、空気の圧力を制御装置が指示する動作圧へ速やかに昇圧することができる。これにより、第一実施形態に係る燃料電池システム１７は、動力系１４の効率の低下を防ぐことができる。また第一実施形態に係る燃料電池システム１７は、速やかな昇圧により、供給空気量が必要空気量に対して不足することを防ぎ、燃料電池の劣化を防ぐことができる。

【0024】

また、共通エアコンプレッサ１７１を備えない場合、各個別エアコンプレッサ１７４が外気圧の低下分を補う必要があるところ、第一実施形態によれば、共通エアコンプレッサ１７１が外気圧の低下分を補うため、消費電力の増加を抑えることができる。

【0025】

また、第一実施形態に係る燃料電池システム１７は、共通エアコンプレッサ１７１によって基準圧まで昇圧した空気を格納するエアタンク１７２を備える。エアタンク１７２は、個別エアコンプレッサ１７４へ供給する空気の圧力の変動を抑え、個別エアコンプレッサ１７４による空気の消費によって空気が不足するリスクを低減することができる。これにより、個別エアコンプレッサ１７４による空気の消費が多くなったときに、共通エアコンプレッサ１７１のインチングが生じることを防ぐことができる。なお、他の実施形態に係る燃料電池システム１７は、必ずしもエアタンク１７２を備えなくてもよい。燃料電池システム１７がエアタンク１７２を備えない場合も、共通エアコンプレッサ１７１を備えることで、外気圧による応答性の変化が生じることを抑えることができる。

【0026】

〈第二実施形態〉
図４は、第二実施形態に係る燃料電池システム１７の構成を示す概略ブロック図である。第二実施形態に係る燃料電池システム１７は、第一実施形態の構成に加え、さらに排気マニホールド１７６、タービン１７７、シャフト１７８を備える。

【0027】

排気マニホールド１７６は、複数の吸気口と１つの吐出口を備え、複数の吸気口それぞれに供給された空気を集合させて１つの吐出口から吐出させる。排気マニホールド１７６の吸気口の数は、燃料電池１４３の数と等しい。排気マニホールド１７６の吸気口は、それぞれ対応する燃料電池１４３の吐出口に接続される。

【0028】

タービン１７７は、燃料電池１４３の排気を受けて回転する。タービン１７７の吸気口は排気マニホールド１７６の吐出口に接続される。
シャフト１７８は、タービン１７７の回転軸と共通エアコンプレッサ１７１の回転軸とを一致させるように接続する。シャフト１７８は、タービン１７７の回転エネルギーを共通エアコンプレッサ１７１に伝達させる。すなわち、共通エアコンプレッサ１７１、タービン１７７およびシャフト１７８は、ターボチャージャを構成する。

【0029】

《作用・効果》
このように、第二実施形態に係る燃料電池システム１７は、複数の燃料電池１４３から排出される排気によって回転し、回転によって発生するエネルギーを用いて共通エアコンプレッサ１７１を駆動させるタービン１７７を備える。燃料電池１４３の発電電流が増加すると、燃料電池１４３の要求空気量が増加し、共通エアコンプレッサ１７１の稼働率が高くなる。これに対し、タービン１７７が共通エアコンプレッサ１７１の回転を補助するため、燃料電池システム１７は、燃料電池１４３の発電電流の増加に伴う消費電力の増大を抑えることができる。なお、他の実施形態においては、共通エアコンプレッサ１７１とタービン１７７はターボチャージャを構成しなくてもよい。例えば、他の実施形態に係る燃料電池システム１７は、タービン１７７の回転によって発電する発電機を備え、当該発電機の電力で共通エアコンプレッサ１７１を駆動してもよい。

【0030】

〈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。
例えば、上述した実施形態においては、燃料電池システム１７が運搬車両１０に搭載されるが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、燃料電池システム１７が油圧ショベルやホイールローダなどの他の作業機械に搭載されていてもよい。

【符号の説明】

【0031】

１０…運搬車両 １１…ダンプボディ １２…車体 １３…走行装置 １４…動力系 １４３…燃料電池 １４４…バッテリ １４５…ＤＣＤＣコンバータ １５…駆動系 １５１…インバータ １５２…ポンプ駆動モータ １５３…油圧ポンプ １５４…ホイストシリンダ １５５…インバータ １５６…走行駆動モータ １７…燃料電池システム １７１…共通エアコンプレッサ １７２…エアタンク １７２１…調圧弁 １７３…吸気マニホールド １７４…個別エアコンプレッサ １７５…水素タンク １７６…排気マニホールド １７７…タービン １７８…シャフト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】