JP5045720B2 - フォークリフトの燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、フォークリフトの燃料電池システムに係わり、特に、燃料電池起動時に行われるアノードパージにて排気されるアノードパージガス中の水素濃度を低減可能なフォークリフトの燃料電池システムに関する。

排気ガスによる地球温暖化の抑制のため動力源として燃料電池が注目され、一部実用化されている。燃料電池は水素と酸素との反応によって電気エネルギーを生成するが、燃料電池システムでは、カソードに酸素を直接供給する代わりに空気を供給して、その空気中の酸素を使用する構成が一般的である。
また、燃料電池は、カソードで生成した水やカソードに供給した空気に含まれる窒素の一部が、電解質膜をカソード側からアノード側に逆拡散するため、燃料電池を数時間から数日間放置後に起動させた場合や燃料電池が稼動を続けた場合などに、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、アノードガスである水素の濃度が相対的に低くなって発電効率が低下してしまうことがある。これを防止するために、一般に、アノードに溜まった水分及び窒素をアノードガスである水素と共に排出するアノードパージが行われている。そして、アノードパージにおいては、排出されるアノードパージガスに含まれる水素の濃度が安全な基準値以下となるように、アノードパージガスはカソードオフガスや希釈器等によって希釈された状態で排気される。

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池のアノードの出口側に、アノードパージガスが排出される水素排出流路と、その水素排出流路を開閉する水素パージ弁と、水素排出流路から外部に排出されるアノードパージガスを空気で拡散、希釈する水素希釈ファンとが設けられている。そして、燃料電池の起動時または停止時に行われるアノードパージにおいては、水素パージ弁を間欠的に短時間開くように制御するとともに、水素排出流路から排出されるアノードパージガスの水素濃度に応じて水素希釈ファンの回転数を制御することで、アノードパージガスに含まれる水素濃度が安全な基準値以下となるように制御している。

また、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池のアノードの出口側に、アノードパージガスを希釈器を介して大気中に排気する排気管が設けられ、希釈器にはカソードオフガス（空気）が供給されるカソードオフガス配管が接続されている。さらに燃料電池を所定温度に保つための冷却水が循環する熱媒体通路と、熱媒体通路上に配置されるラジエータと、ラジエータに冷却風を送風するラジエータファンとが設けられている。そして、排気管の出口に隣接して、ラジエータファンの回転により発生した冷却風の出口を配置することで、カソードオフガスで希釈されて排気管から大気中に排気されたアノードパージガスをラジエータファンからの冷却風によって強制的に拡散して、アノードパージガスに含まれる水素濃度を安全な基準値以下としている。

特開２００６−９９９８９号公報（第４〜５頁、図１〜図３） 特開２００８−２３５２０５号公報（第４〜５頁、図１〜図２）

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素希釈ファンを別途設ける必要があり、装置が大型化し部品点数が増えてしまうという問題がある。
また、特許文献２に記載の燃料電池システムでは既設のラジエータファンを活用したものなので、装置の大型化と部品点数の増大を防止できるメリットはある。しかし一般に、ラジエータファンは燃料電池を冷却する冷却水の温度が所定温度以上になった時に駆動されるため、燃料電池からの熱の発生が少ない起動直後においては、ラジエータファンはその駆動が停止されているかもしくは低回転駆動に制御されており、燃料電池起動時に行われるアノードパージにおいて、大気中に排出されるアノードパージガスを十分に拡散できないという恐れがある。また、アノードパージガスをカソードオフガス（空気）で希釈するとしても、燃料電池の起動直後においてはカソードガスが十分に供給されていないため、アノードパージガスを十分に希釈することができないという恐れもある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、燃料電池の起動直後に行われるアノードパージにおいて、排出されるアノードパージガス中の水素濃度を十分に低減することができ、燃料電池の発電効率を速やかに高めることが可能なフォークリフトの燃料電池システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、燃料電池のカソード側に供給される酸素とアノード側に供給される水素との反応により発電を行うフォークリフトの燃料電池システムであって、前記燃料電池のアノードパージガスを大気中に排気する排気管と、前記燃料電池と前記排気管との間に設けられ、前記燃料電池のアノードパージガスを前記排気管へ排気するため開閉されるパージ用開閉弁と、前記燃料電池に循環する熱媒体が通過する熱媒体通路と、前記熱媒体通路に熱媒体を循環させる循環ポンプと、前記熱媒体通路に設けられた熱交換器と、前記熱交換器を通過する空気量が増大するように前記熱交換器に対して空気流を発生させる熱交換器用ファンと、前記排気管から排気されたアノードパージガスを、前記熱交換器用ファンが発生させた空気流により拡散させるように、前記熱交換器を通過した空気流および前記熱交換器を通過していない空気流を案内する、前記熱交換器に向かって拡径して開口するテーパ部を備えるガイド部と、前記循環ポンプおよび前記熱交換器用ファンの動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池起動時のアノードパージが行われる所定時間内において、前記ガイド部からの空気流により前記排気管から排気されるアノードパージガスが拡散されるように前記熱媒体の温度に関わらず前記熱交換器用ファンを前記熱交換器用ファンの回転数制御範囲における最大回転数で駆動すると共に、前記パージ用開閉弁を開閉頻度が前記熱交換器用ファンを最大回転数で駆動せずに行うアノードパージにおける前記パージ用開閉弁の開閉頻度に比較して高頻度となるように間欠的に開閉し、前記熱媒体通路を循環する前記熱媒体の流量がゼロまたは燃料電池の通常発電時よりも小さくなるように前記循環ポンプを制御することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、制御装置は、燃料電池起動時のアノードパージが行われる所定時間内において、ガイド部からの空気流により排気管から排気されるアノードパージガスが拡散されるように熱媒体の温度に関わらず熱交換器用ファンを熱交換器用ファンの回転数制御範囲における最大回転数で駆動すると共に、熱媒体通路を循環する熱媒体の流量がゼロまたは燃料電池の通常発電時よりも小さくなるように循環ポンプを制御している。
熱交換器用ファンを駆動することで、空気流（風）が発生し、この空気流はガイド部に導かれて排気管から排気されたアノードパージガスに吹き付けられる。すると、大気中に排気されたアノードパージガスはガイド部の出口から排出される空気流によって強制的に拡散される。従って、排気管から排気されるアノードパージガス中の水素濃度を低減させることができる。通常、熱交換器用ファンは熱媒体の温度が低温であるような場合、例えば、燃料電池の起動直後等には、その駆動が停止されているが、この発明では燃料電池起動時のアノードパージが行われる所定時間内において、ガイド部からの空気流により排気管から排気されるアノードパージガスが拡散されるように熱媒体の温度に関わらず熱交換器用ファンを駆動させている。このため、燃料電池の起動直後であってもパージ用開閉弁を熱交換器用ファンの回転数が最大回転数に達していない状態で行われるアノードパージにおけるパージ用開閉弁の開閉頻度に比較して高頻度で間欠的に開閉しアノードパージを高頻度で行うことができ、アノードの水素濃度を速やかに高めて燃料電池が最大出力を出せる状態になるまでの時間を短縮することが可能である。
また、燃料電池は起動と同時に発電を開始し、その発電により熱を発生して温度が上昇する。燃料電池から十分な電力を得るためには、燃料電池を適正温度に保つ必要がある。そこで、燃料電池の過度の温度上昇を抑制し適正温度に維持するために、熱媒体通路を通して熱媒体を循環させるとともに熱媒体通路上に設けられた熱交換器と熱交換器用ファンにて、燃料電池で発生した余分な熱を外部に放熱させている。この外部への放熱は、熱媒体通路を循環する熱媒体の流量と熱交換器用ファンの駆動の影響を受け、熱媒体通路を循環する熱媒体の流量が大きいほど、又は、熱交換器用ファンの回転数が高いほど放熱量が大きくなる。従って、燃料電池起動時のアノードパージを行う所定時間内において、熱媒体通路を循環する熱媒体の流量をゼロまたは燃料電池の通常発電時よりも小さくするように循環ポンプを制御することにより、たとえ熱交換器用ファンが駆動するように制御されていたとしても、燃料電池が必要以上に冷却されることが防止され、燃料電池は速やかに適正温度に到達することが可能となる。
このように、燃料電池起動時のアノードパージを行う所定時間内において、ガイド部からの空気流により排気管から排気されるアノードパージガスが拡散されるように熱媒体の温度に関わらず熱交換器用ファンを熱交換器用ファンの回転数制御範囲における最大回転数で駆動すると共に、熱媒体通路を循環する熱媒体の流量がゼロまたは燃料電池の通常発電時よりも小さくなるように循環ポンプを制御することにより、起動時における燃料電池温度の低下を抑制すると共に、燃料電池が最大出力を出せる状態になるまでの時間を短縮することが可能となる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記パージ用開閉弁の開閉動作に同期して、前記熱交換器用ファンを前記パージ用開閉弁が開いているときに前記最大回転数で駆動するよう制御すると共に前記パージ用開閉弁が閉じているときにゼロ回転数となるように制御し、前記循環ポンプを前記パージ用開閉弁が開いているときに前記熱媒体の流量が前記燃料電池の通常発電時よりも小さくなるように制御することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記制御装置は、前記燃料電池起動時のアノードパージが行われる所定時間内において、前記熱媒体通路を循環する前記熱媒体の流量がゼロとなるよう前記循環ポンプを制御することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池起動時のアノードパージを行う所定時間内において、熱交換器用ファンを駆動すると共に、熱媒体通路を循環する熱媒体の流量がゼロまたは燃料電池の通常発電時よりも小さくなるように循環ポンプを制御することにより、起動時における燃料電池温度の低下を抑制すると共に、燃料電池が最大出力を出せる状態になるまでの時間を短縮することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムが搭載されたフォークリフトの全体構成を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの作用説明用のグラフである。 本発明の実施形態の比較例における燃料電池システムの作用説明用のグラフである。 その他の実施形態に係る燃料電池システムの作用説明用のグラフである。

（本発明の実施形態）
以下、本発明を産業車両として使用されるフォークリフトの燃料電池システムに具体化した一実施形態を図１を用いて説明する。
この実施形態では、鉛バッテリを駆動源として走行、荷役の作業を行うバッテリフォークリフトの鉛バッテリに換えて、燃料電池ユニット１２を駆動源として搭載したバッテリリプレイスメント型燃料電池フォークリフト１０について示す。
バッテリリプレイスメント型燃料電池フォークリフト１０（以下、単に燃料電池フォークリフト１０という）は、現在汎用されているバッテリフォークリフトの機台１３を大幅に設計変更することなく使用するものであり、具体的には、フォークリフトのフレーム１４やウエイト１５などの車体部分１６や、走行モータ１７や荷役モータ１８、このモータ１７、１８を制御するパワーコントロールユニット１９などをそのまま利用して構成している。また、収容ケース１１には外枠によって覆われた燃料電池ユニット１２が搭載されている。

次に、燃料電池ユニット１２のシステム構成について、図２に基づき説明する。
図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、燃料電池２０と、燃料電池２０のアノードに水素を供給する水素タンク２１と、燃料電池２０のカソードに圧縮空気を供給するエアコンプレッサ２２と、エアコンプレッサ２２からの圧縮空気を加湿する加湿器２３と、燃料電池２０のアノードからのパージガスを希釈する希釈器２４と、燃料電池２０を冷却する熱交換器としてのラジエータ２５及び熱交換器用ファンとしてのラジエータファン２６と、燃料電池ユニット１２のシステム全体を制御する制御装置としての制御コントローラ２７（略して、ＥＣＵ２７）などを備えている。

燃料電池２０は、例えば、固体高分子型の燃料電池からなり、水素タンク２１から供給される水素と、エアコンプレッサ２２から供給される空気中の酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。
水素源としての水素タンク２１は、燃料電池２０の水素供給ポート（図示せず）に管路２８を介して連結され、管路２８には燃料電池２０へ供給される水素の圧力を調整する図示しない調圧弁が設けられている。調圧弁は、水素タンク２１に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁である。

エアコンプレッサ２２は、管路２９を介して加湿器２３に接続されている。加湿器２３は、管路３０を介して燃料電池２０の酸素供給ポート（図示せず）に接続され、管路３１を介してオフガス排出ポート（図示せず）に接続されている。そして、エアコンプレッサ２２で加圧された空気が加湿器２３で加湿された後、管路３０を介して燃料電池２０の酸素供給ポートに供給され、燃料電池２０のカソードからのオフガスは管路３１を介して加湿器２３に排出される。

加湿器２３には燃料電池２０のカソードオフガスを排気するカソードオフガス排気管３２が接続されている。カソードオフガス排気管３２には調圧バルブ３３が設けられ、調圧バルブ３３より下流側に希釈器２４が設けられている。燃料電池２０の水素排出ポート（図示せず）には、パージガス用配管３４の一方の端部が接続され、パージガス用配管３４の他方の端部は希釈器２４に接続されている。そして、パージガス用配管３４にはパージ用開閉弁３５が設けられている。

希釈器２４には、排気管３６の一方の端部３６ａが接続され、排気管３６の他方の端部３６ｂは収容ケース１１に設けられた出口１１ａから収容ケース１１の外部に突出し、大気に向けて開放されている。従って、水素排出ポートから排出されるアノードパージガスは、パージガス用配管３４を介して希釈器２４に送り込まれ、希釈器２４にてカソードオフガス排気管３２を介して供給されたカソードオフガスで希釈され、排気ガスとして排気管３６から大気中に排気される。

燃料電池２０には、熱媒体としての冷却水を循環させる熱媒体通路３７が接続されている。また、熱媒体通路３７には、ラジエータ２５が設けられると共に、熱媒体通路３７及び燃料電池２０に冷却水を循環させる循環ポンプ３８が設けられている。
ラジエータ２５は、ラジエータ２５を通過する空気量を増大させるためのラジエータファン２６を備えている。ラジエータファン２６は燃料電池２０とラジエータ２５との間に設置され、ラジエータファン２６の回転によって外気より取り込んで発生した空気流をラジエータ２５に向けて送り込み、ラジエータ２５を通過する空気量を増大させる。そして、収容ケース１１内には、ラジエータファン２６の回転によって燃料電池２０側からラジエータ２５に向かい、さらに排気管３６の他方の端部３６ｂに向かう空気の流れＹが発生する。
また、熱媒体通路３７には熱媒体通路３７を循環する冷却水の温度を測定するための温度センサ３９が設けられている。

収容ケース１１内には、ラジエータファン２６の回転によって発生しラジエータ２５を通過した空気流を、収容ケース１１外に導くガイド部としてのガイド配管４０が配設されている。ガイド配管４０の一方の端部には、ラジエータ２５に向かって拡径するテーパ部４０ａが設けられ、テーパ部４０ａはラジエータ２５に向かって開口している。また、ガイド配管４０の他方の端部には、収容ケース１１の出口１１ａから収容ケース１１の外部に突出すると共に、排気管３６の端部３６ｂに隣接して設けられた出口４０ｂが形成されている。すなわち、ガイド配管４０の出口４０ｂは、排気管３６の端部３６ｂに隣接して設けられ、排気管３６から排気される排気ガスを拡散させる位置に設けられている。
なお、図２において、ガイド配管４０を通過する空気の流れを矢印Ｙで示している。

燃料電池ユニット１２には、燃料電池ユニット１２のシステム全体を制御するＥＣＵ２７が設けられている。ＥＣＵ２７は、ラジエータファン２６、調圧バルブ３３、パージ用開閉弁３５、循環ポンプ３８及び温度センサ３９などと接続されている。
また、燃料電池２０は、燃料電池２０での発電電力をベース車両のシステム電力に変換するパワーコントロールユニット１９及び、起動時等における燃料電池２０の補助用電源としてのキャパシタ４１と接続されている。

次に、上記構成を有する燃料電池システムの動作説明を行う。
燃料電池２０の稼動時には、水素タンク２１から調圧弁により所定の圧力に減圧された水素が管路２８を介して燃料電池２０のアノードに供給される。また、エアコンプレッサ２２が稼動されて、所定の圧力に加圧された空気が加湿器２３で加湿された後、管路３０を介して燃料電池２０のカソードに供給される。アノードに供給された水素は、触媒によって水素イオンと電子とに解離し、水素イオンが電解質膜を通って水と共にカソードへ移動する。カソードでは、カソードに供給された空気中の酸素と、電解質膜中を移動してカソードに達した水素イオンと、外部回路を通ってきた電子とが結合して水を生成する。カソードで発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気と共にカソードオフガスとして管路３１を介して加湿器２３に排出され、カソードオフガス排気管３２を通って希釈器２４に排出される。

燃料電池２０の起動時においては、ＥＣＵ２７は起動直後から所定時間の間、冷却水の温度に関わらずラジエータファン２６を高回転で回転するように制御する。図３で示すように、ラジエータファン２６が高回転で回転する所定時間をｔ１とし、冷却水の温度に基づくラジエータファン２６の回転制御が開始されるまでの時間をｔ０とすれば、ｔ１＜ｔ０となるように設定されている。また、ラジエータファン２６の高回転は、ラジエータファン２６の回転数制御範囲における最大回転数Ｒｍとなるように設定されている。すなわち、ラジエータファン２６は燃料電池２０の起動直後から所定時間ｔ１の間、最大回転数Ｒｍで回転するように制御されている。

ところで、燃料電池２０を数時間〜数日間放置後に起動させた場合、カソード側の窒素がアノード側へ透過することによりアノードの水素が低濃度となっているため、起動直後に燃料電池２０を効率よく発電させることができない。このため、燃料電池２０の起動直後においては、アノードパージが実施される。すなわち、ＥＣＵ２７からの制御信号に基づきパージ用開閉弁３５が間欠的に開閉制御され、アノードに十分な水素ガスが供給されると共に、アノードに溜まった水分及び窒素が水素ガスと共にパージガス用配管３４へ排出される。図３で示すように、このパージ用開閉弁３５は時間ｔ３の間開いた後、時間ｔ４の間閉じる間欠的な開閉制御を繰り返し、起動直後から所定時間ｔ１の間、アノードパージが実施される。

これに伴い、図３に示すようにアノードの水素濃度は低濃度から高濃度へ段階的に上昇する。アノードの水素濃度が低濃度から高濃度へ上昇する時間をｔ２とする。このアノードの水素濃度の上昇に比例して燃料電池２０の発電効率が向上する。アノードの水素濃度が高濃度となると、燃料電池２０は発電効率が最も高くなり最大の出力が出せる状態となる。図３に示すよう、燃料電池２０の発電電力は、起動直後から時間ｔ２で最大出力を出せる状態となる。燃料電池２０が最大出力状態に到達すると、ほぼ全ての負荷に対して電力供給が可能となる。なお、アノードパージの時間ｔ４が小さくなるほど、すなわち、パージ用開閉弁３５のデューティ比（ｔ３／ｔ４）が増大するほどアノードの水素濃度は高濃度に早く到達し、最大出力を出せる状態になるまでの時間ｔ２は短くなる。なお、この実施形態においては、ｔ１＝ｔ２としている。

一方、パージガス用配管３４へ排出されたアノードパージガスは、希釈器２４に供給され、希釈器２４にてカソードオフガス排気管３２を介して排出されたカソードオフガスで希釈された後、排気ガスとして排気管３６から収容ケース１１の外部へ排気される。このとき、ラジエータファン２６の回転によって発生し、ラジエータ２５を通過した空気流は、テーパ部４０ａによってガイド配管４０に流れ込み、さらに、ガイド配管４０内を通過して出口４０ｂに向かって流れる。そして、ガイド配管４０の出口４０ｂから導出した空気流が、出口４０ｂに隣接して設けられた排気管３６から排気された排気ガスに向けて吹きかけられる。すると、排気ガスが空気流によって大気中に強制的に拡散される。

ここで、ラジエータファン２６は起動直後から所定時間ｔ１の間、最大回転数Ｒｍで回転するように制御されているので、排気ガスに向けて吹きかけられる空気の流量は最も増大した状態にある。従って、排気管３６から排気される排気ガス中の水素濃度が高い状態であっても、最も増大した流量を有する空気流によって強制的に拡散させて排気ガス中の水素濃度を安全な基準値以下（たとえばＵＬ規格における２%以下）に低減させることができる。このため、アノードパージのパージ用開閉弁３５のデューティ比を大きくして（アノードパージを高頻度に実施して）アノードの水素濃度を高濃度に早く到達させることができ、最大出力を出せる状態になるまでの時間ｔ２を短縮することが可能となる。

燃料電池２０は起動と同時に発電を開始し、その発電に伴い熱を発生して温度が上昇する。そして、燃料電池２０には発電効率が最も高くなる適正温度が存在する。このため、過度の燃料電池２０の温度上昇を抑制して燃料電池２０を適正温度に維持するように熱媒体通路３７を通して冷却水を循環させると共に、燃料電池２０で発生した熱をラジエータ２５の放熱フィンに伝達しラジエータファン２６からの空気流によって外部に放熱させている。この外部への放熱は、熱媒体通路３７を循環する冷却水の流量とラジエータファン２６の回転数の影響を受け、冷却水の流量が大きいほど、又は、ラジエータファン２６が高回転であるほど放熱量が大きくなる。

図３に示すように、燃料電池２０の起動時においては、熱媒体通路３７を循環する冷却水の温度は時間と共に上昇するが、ＥＣＵ２７は起動直後から所定時間ｔ１の間、熱媒体通路３７を循環する冷却水の流量を燃料電池の通常発電時における流量よりも小さくするように循環ポンプ３８の回転を制御している。すなわち、起動直後から所定時間ｔ１の間、ＥＣＵ２７はラジエータファン２６を最大回転数Ｒｍで回転するように制御する共に、熱媒体通路３７を循環する冷却水の流量を燃料電池２０内に発生する熱の偏在を緩和する程度の小流量となるように循環ポンプ３８の回転を制御している。なお、燃料電池の通常発電時における流量とは、アノードの水素濃度が高濃度に到達し燃料電池が通常の発電を行う時点以降の流量を指している。従って、起動直後から所定時間ｔ１の間、ラジエータファン２６が最大回転数Ｒｍで回転するように制御されていても、熱媒体通路３７を循環する冷却水の流量は小流量なので、燃料電池２０が必要以上に冷却されることが防止され、燃料電池２０は発電効率の高い適正温度域に速やかに到達することが可能となる。このため、起動時における燃料電池温度の低下による発電効率の低下を抑制できる。

図３に示すように、所定時間ｔ１が経過するとラジエータファン２６の回転数は０回転となり回転停止すると共に、循環ポンプ３８の回転数を増加させ、冷却水の流量を小流量より中流量とする。中流量の冷却水の循環は、経過時間ｔ０まで続き、小流量〜中流量の循環により燃料電池２０外部の温度センサ３９で検出される冷却水の温度はほぼ直線的に上昇する。そして、経過時間ｔ０で冷却水温度が冷却開始温度Ｔ１に到達すると、冷却水の温度に基づくラジエータファン２６の回転制御が開始されて、ラジエータ２５の放熱が機能するため、冷却水の温度上昇が抑制される。なお、冷却水の流量は、経過時間ｔ０以降冷却水の温度上昇に応じて大流量まで順次増加する。
なお、ラジエータファン２６の回転数は温度センサ３９により検出された冷却水温度と、予めプログラムされている冷却水温度とラジエータファン回転数との関係式に基づき制御が行われる。このことにより、燃料電池２０は発電効率の最も高い適正温度域で運転可能となっている。

本発明の実施形態の比較例として、図４では、起動直後から所定時間ｔ１の間、ラジエータファン２６の高回転制御及び、熱媒体通路３７を循環する冷却水の小流量制御が共に行われない場合を示している。起動直後から経過時間ｔ０までは、ラジエータファン２６は回転停止状態にあり、経過時間ｔ０で冷却水温度が冷却開始温度Ｔ１に到達すると、冷却水温度に基づくラジエータファン２６の回転制御が開始される。このとき、冷却水の流量は起動直後から経過時間ｔ０までは中流量となるように制御され、経過時間ｔ０以降は冷却水の温度上昇に応じて大流量まで順次増加するように制御されている。

ラジエータファン２６は起動直後から経過時間ｔ０までの間、回転停止状態にあるので、排気管３６から排気される排気ガスに向けて吹き付けられる空気流の流量はほとんど０（ゼロ）の状態にある。従って、排気管３６から排気される排気ガス中の水素濃度が高い状態にあると、空気流によって強制的に拡散させて排気ガス中の水素濃度を基準値の２％以下に低減させることができなくなる。このため、図４に示すように、アノードパージのパージ用開閉弁３５の閉時間ｔ４を大きく（デューティ比を小さく）せざるを得ず、よって、アノードの水素濃度を高濃度に早く到達させることができなくなり最大出力を出せる状態になるまでの時間ｔ５が本発明の実施形態と比較して長くなってしまう。

このように、本発明の実施形態に係る燃料電池システムによれば、起動直後から所定時間ｔ１の間、ラジエータファン２６を最大回転数Ｒｍで回転するように制御する共に、熱媒体通路３７を循環する冷却水の流量が小さくなるように循環ポンプ３８の回転を制御することにより、起動時における燃料電池温度の低下を抑制すると共に、燃料電池が最大出力を出せる状態になるまでの時間ｔ２を短縮することが可能となる。

この本発明の実施形態に係る燃料電池システムによれば以下の効果を奏する。
（１）ラジエータファン２６は起動直後から所定時間ｔ１の間、最大回転数Ｒｍで回転するように制御されているので、排気ガスに向けて吹き付けられる空気流の流量は最も増大した状態にある。従って、排気管３６から排気される排気ガス中の水素濃度が高い状態であっても、最も増大した流量を有する空気流によって強制的に拡散させて排気ガス中の水素濃度を、安全な基準値以下にまで低減させることができる。このため、アノードの水素濃度を十分な発電に必要な高濃度に早く到達させることができ、運転に必要な最大出力を出せる状態になるまでの時間ｔ２を短縮することが可能となる。
（２）起動直後から所定時間ｔ１の間、熱媒体通路３７を循環する冷却水の流量が小さくなるように循環ポンプ３８の回転が制御されているので、この間ラジエータファン２６が最大回転数Ｒｍで回転するように制御されていても、燃料電池２０が必要以上に冷却されることが防止され、燃料電池２０は発電効率の高い適正温度域に速やかに到達することが可能となる。このため、起動時における燃料電池温度の低下による発電効率の低下を抑制できると共に、燃料電池２０の最大出力を出せる状態になるまでの時間ｔ２を一層短縮することができる。
（３）所定時間ｔ１は、燃料電池２０を適正温度に維持するために冷却水の温度に基づきラジエータファン２６の回転制御が開始されるまでの時間ｔ０より短く設定されている。従って、冷却水の温度に応じたラジエータファン２６の回転制御が開始されるまでの停止していた時間を利用して、ラジエータファン２６を高回転制御すればよいので、ＥＣＵ２７のプログラムの修正のみでよく、システムの変更を必要最小限にとどめることが可能である。
（４）燃料電池システムにはアノードパージガスを希釈する希釈器２４を備えているので、アノードパージガスを希釈器２４により希釈したのち排気管３６より排気すればよいので、排気ガス中の水素濃度を安全な基準値以下に確実に低下させることができる。
（５）燃料電池２０は燃料電池フォークリフト１０に搭載される燃料電池なので、特に倉庫内にて運搬作業を行うときに、作業空間内にアノードパージガスが滞留することが防止できる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
○ 本発明の実施形態では、ラジエータファン２６の高回転は、最大回転数Ｒｍとして説明したが、最大回転数Ｒｍに限定されるものではなく、例えば、最大回転数Ｒｍの５０％以上の回転数であればよい。
○ 本発明の実施形態では、起動直後から所定時間ｔ１の間、冷却水の流量が小さくなるように循環ポンプ３８の回転を制御するとして説明したが、循環ポンプ３８の回転を停止させて流量を０（ゼロ）としても良い。この場合は、起動直後の燃料電池２０の冷却がより一層抑えられて、燃料電池の最大出力を出せる状態になるまでの時間をさらに短縮することができる。
○ 本発明の実施形態では、アノードパージガスを希釈器２４で希釈してから排気させるとして説明したが、アノードパージガスを希釈器２４で希釈させずにパージガス用配管３４から直接大気中に排気しても良い。この場合、パージガス用配管３４が排気管を構成し、パージガス用配管３４の出口に隣接してガイド配管４０の出口４０ｂを配設すればよい。
○ 本発明の実施形態では、排気管３６から排気されたアノードパージガス（排気ガス）にガイド配管４０により案内されたラジエータファン２６からの空気流を吹き付けるとして説明したが、ガイド配管４０により案内されたラジエータファン２６からの空気流に排気管３６から排気されたアノードパージガスを吹き付ける構成であっても良い。
○ 本発明の実施形態では、ラジエータファン２６は燃料電池２０とラジエータ２５との間に設置されるとして説明したが、ラジエータファン２６は燃料電池２０に対してラジエータ２５とは反対側に設置しても良いし、また、ラジエータファン２６は燃料電池２０に対してラジエータ２５と同じ側でラジエータ２５より外側に設置しても良く、ラジエータ２５を通過する空気量を増大させる構成であれば、どのような構成でも良い。
○ 本発明の実施形態では、ラジエータ２５を冷却するラジエータファン２６として説明したが、ラジエータファン２６はラジエータ２５以外の機器を同時に冷却させるものであっても良い。
○ 本発明の実施形態では、ラジエータファン２６の回転によって発生しラジエータ２５を通過した空気流をガイド配管４０によって案内し、排気管３６から排気されたアノードパージガスに吹き付けるとして説明したが、ラジエータファン２６の回転によって発生しラジエータ２５を通過していない空気流をガイド配管４０によって案内し、排気管３６から排気されたアノードパージガスに吹き付ける構成であっても良い。
○ 本発明の実施形態では、起動直後から所定時間ｔ１の間、ラジエータファン２６が最大回転数Ｒｍで回転するように制御すると共に、冷却水の流量が小さくなるように循環ポンプ３８の回転を制御するとして説明したが、図５に示すように、アノードパージに同期してラジエータファン２６の最大回転数Ｒｍでの回転及び、冷却水の流量が小流量となるような循環ポンプ３８の回転制御を行っても良い。すなわち、ラジエータファン２６は、パージ用開閉弁３５が開時間ｔ３の間は最大回転数Ｒｍとし、パージ用開閉弁３５が閉時間ｔ４の間はゼロ回転数となるように制御される。また、循環ポンプ３８は、パージ用開閉弁３５が開時間ｔ３の間は冷却水の流量が小流量とし、パージ用開閉弁３５の閉時間ｔ４の間は冷却水の流量が中流量となるように制御される。
○ 本発明の実施形態では、バッテリリプレイスメント型燃料電池フォークリフト１０の例で説明したが、フォークリフトに限らず、建設車両や、牽引車など他の産業車両及び、乗用車、バスなど一般車両に適用してもよい。
○ 本発明の実施形態では、起動直後のアノードパージに同期して、ラジエータファン２６の高回転制御及び、循環ポンプ３８の小流量制御を実施するとして説明したが、稼動途中のアノードパージに同期して、ラジエータファン２６の高回転制御及び、循環ポンプ３８の小流量制御を実施しても良い。

１０ 燃料電池フォークリフト
１２ 燃料電池ユニット
２０ 燃料電池
２５ ラジエータ
２６ ラジエータファン
２７ ＥＣＵ
３６ 排気管
３７ 熱媒体通路
３８ 循環ポンプ
４０ ガイド配管
４０ｂ 出口
ｔ１ 所定時間
Ｒｍ ラジエータファンの最大回転数

Claims (3)

1. 燃料電池のカソード側に供給される酸素とアノード側に供給される水素との反応により発電を行うフォークリフトの燃料電池システムであって、
   前記燃料電池のアノードパージガスを大気中に排気する排気管と、
   前記燃料電池と前記排気管との間に設けられ、前記燃料電池のアノードパージガスを前記排気管へ排気するための開閉されるパージ用開閉弁と、
   前記燃料電池に循環する熱媒体が通過する熱媒体通路と、
   前記熱媒体通路に熱媒体を循環させる循環ポンプと、
   前記熱媒体通路に設けられた熱交換器と、
   前記熱交換器を通過する空気量が増大するように前記熱交換器に対して空気流を発生させる熱交換器用ファンと、
   前記排気管から排気されたアノードパージガスを、前記熱交換器用ファンが発生させた空気流により拡散させるように、前記熱交換器を通過した空気流および前記熱交換器を通過していない空気流を案内する、前記熱交換器に向かって拡径して開口するテーパ部を備えるガイド部と、
   前記循環ポンプおよび前記熱交換器用ファンの動作を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池起動時のアノードパージが行われる所定時間内において、前記ガイド部からの空気流により前記排気管から排気されるアノードパージガスが拡散されるように前記熱媒体の温度に関わらず前記熱交換器用ファンを前記熱交換器用ファンの回転数制御範囲における最大回転数で駆動すると共に、前記パージ用開閉弁を開閉頻度が前記熱交換器用ファンを最大回転数で駆動せずに行うアノードパージにおける前記パージ用開閉弁の開閉頻度に比較して高頻度となるように間欠的に開閉し、前記熱媒体通路を循環する前記熱媒体の流量がゼロまたは燃料電池の通常発電時よりも小さくなるように前記循環ポンプを制御することを特徴とするフォークリフトの燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記パージ用開閉弁の開閉動作に同期して、前記熱交換器用ファンを前記パージ用開閉弁が開いているときに前記最大回転数で駆動するよう制御すると共に前記パージ用開閉弁が閉じているときにゼロ回転数となるように制御し、前記循環ポンプを前記パージ用開閉弁が開いているときに前記熱媒体の流量が前記燃料電池の通常発電時よりも小さくなるように制御することを特徴とする請求項１に記載のフォークリフトの燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記燃料電池起動時のアノードパージが行われる所定時間内において、前記熱媒体通路を循環する前記熱媒体の流量がゼロとなるよう前記循環ポンプを制御することを特徴とする請求項１に記載のフォークリフトの燃料電池システム。