JP5262466B2

JP5262466B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP5262466B2
Application number: JP2008227134A
Authority: JP
Inventors: 秀幸田中
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-09-04
Also published as: JP2010058693A

Description

本発明は、車体内に燃料電池を収容し、燃料電池による発電電力を動力として用いる燃料電池車両に関する。

近年、フォークリフトや自動車等の車両においては、クリーンエネルギー指向の高まりから、燃料電池をエネルギー源とした燃料電池車両が考えられている。そして、この燃料電池車両の一種として、燃料電池と燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵する燃料タンクとを含む燃料電池ユニット（ＦＣユニット）を機台内に収容した燃料電池型フォークリフトがある。この燃料電池ユニットは、燃料ガスと酸化ガスとを燃料電池において反応させて発電し、燃料電池型フォークリフトの動力源として用いている。

また、フォークリフト以外の燃料電池車両としては、燃料タンクに燃料としてのメタノールを貯蔵し、メタノールと水とを改質器において高温下で反応させて水素を生成し、改質器で生成した水素を燃料電池に供給して発電させる電気自動車が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の電気自動車では、乗員室のルーフ部に燃料電池が搭載されるとともに燃料としてのメタノールを収容する燃料タンクは乗員室の後方に配置されている。そして、燃料タンク中のメタノールは、リアピラー内に配された配管を通じて、ルーフ部に設けられた改質器に供給されるように構成されている。
特開２０００−１４９９７４号公報

ところで、従来の燃料電池型フォークリフトでは、機台内に燃料電池ユニットを収容しているが、例えば、小型のフォークリフトを燃料電池型にしようとした場合、燃料電池ユニットを収容する空間も小さくなる。すると、燃料電池ユニットにおける燃料タンクも縮小せざるをえなくなり、その結果、フォークリフトは十分な稼動時間を確保できなくなるため、小型のフォークリフトを燃料電池型にすることは難しかった。そこで、燃料タンクとしての水素タンクを燃料電池ユニットとは別体にして機台内から機台外に配設するとともに水素タンクから燃料電池へ水素を直接供給するための水素配管を設け、水素タンクの大きさが燃料電池ユニットを収容する空間の大きさに左右されないようにするという方法も考えられる。ところが、この場合、水素配管は車体外から車体内の燃料電池ユニットに向かうように配置されて水素配管の一部は外部に露出した状態となるため、他の車両や障害物が当たって損傷を受ける可能性があった。

また、特許文献１に記載の電気自動車においても、従来の燃料電池型フォークリフトと同様に、小型の自動車を電気自動車にする場合には、燃料タンクの大きさを変えることなく、車体内に燃料タンク、燃料電池、改質器の全てを収容することは難しい。しかも、この電気自動車では、燃料タンクから燃料電池に向けて設けられた配管を流通する物質をメタノールとするとともに改質器をルーフ部に設け、燃料電池近くでメタノールを水素に改質する構成であるため、改質器を設ける分、燃料タンクから燃料電池に水素を供給するための供給系統が複雑になるという問題もある。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料電池に水素を供給するための供給系統を簡単な構成にするとともに、水素タンクを車体の外に配置した場合であっても水素配管からの水素の漏出を回避できる燃料電池車両を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、車体内に水素と酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池を収容するとともに、前記燃料電池で発電された電力を動力として用いる燃料電池車両において、燃料電池車両は、前記車体の前側において立設された左右一対のフロントピラーと、前記車体の後側において立設された左右一対のリアピラーと、前記左右一対のフロントピラー及び前記左右一対のリアピラーによって挟まれる運転室と、前記車体の後部を構成するカウンタウェイトと、を備えた燃料電池型フォークリフトであり、前記リアピラーに隣接するように前記カウンタウェイト上に配置されるとともに、前記水素を貯蔵する水素タンクと、前記水素タンクと前記運転室の下方に収容された前記燃料電池とを接続し、前記水素タンク内に貯蔵された前記水素を前記燃料電池に導く水素配管と、を備え、前記水素配管は、前記左右一対のリアピラーのうち前記水素配管に近い側のリアピラーの内部を通り、当該リアピラーから前記燃料電池に向かうように引き出されていることを要旨とする。

この発明では、水素タンクは燃料電池とは別体であるとともに車体外に配置されているため、燃料電池車両が小型になって燃料電池を収容する車体内の収容室が縮小しても、それに伴って水素タンクを縮小しなければいけなくなるというような事態が起きることはない。したがって、燃料電池車両の大きさに拘わらず、水素タンクの大きさを所望の大きさにすることができる。

また、水素タンクを車体外に配置することで、水素配管は車体外から車体内の燃料電池に向けて設けられるが、ピラー内部を通る水素配管の部分は、ピラーによって保護されるため、他の車両や、障害物が燃料電池車両に接触したとしても、水素配管に直接接触することはなく水素配管が損傷することを回避できる。

また、燃料電池には、水素タンクから水素配管を介して直接水素が供給されるため、改質器を設けなくともよく、水素タンクから燃料電池までの供給系統を簡素にすることができる。

また、水素タンクを配置する箇所を燃料電池型フォークリフトのカウンタウェイト上としているので、水素タンクを車体外に配置する場合でも、水素タンクを配置するスペースを容易に確保することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記車体は、一方のリアピラー及び一方のフロントピラーを支持する第１サイドフレームと、他方のリアピラー及び他方のフロントピラーを支持する第２サイドフレームと、を備え、前記水素配管のうち前記リアピラーから引き出された部分は、前記第１サイドフレームによって覆われており、前記第１サイドフレームは、前記第２サイドフレームよりも強度が高くなるように設定されて前記水素配管を保護可能に構成されていることを要旨とする。

この発明では、リアピラーから引き出された後の水素配管を第１サイドフレームによって保護することができるため、より確実に水素配管が損傷することを回避できる。しかも、水素配管を保護するための保護カバーを車体の一部である第１サイドフレームが兼ねているため、第１サイドフレームとは別に水素配管を保護するための保護カバーを設ける場合に比べて部品点数が増加することを抑制できる。

本発明によれば、燃料電池に水素を供給するための供給系統を簡単な構成にするとともに、水素タンクを車体の外に配置した場合であっても水素配管からの水素の漏出を回避できる。

以下、本発明を燃料電池型フォークリフトに具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。なお、以下の説明において、「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」は、フォークリフトの運転者が車両前方（前進方向）を向いた状態を基準とした場合の「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」を示す。

図１に示すように、燃料電池型フォークリフト（以下、「フォークリフト」と記載する。）１１の車体１２の前側にはマスト１３が装備されている。マスト１３にはフォーク１４がリフトブラケット１５を介して昇降可能に装備されるとともに、リフトシリンダ１６の伸縮作動によりフォーク１４がリフトブラケット１５とともに昇降される。

一方、車体１２の前側下部には駆動輪（前輪）１７が設けられているとともに、車体１２の後側下部には操舵輪（後輪）１８が設けられている。駆動輪１７は、車軸１９に装備された図示しない差動装置及び図示しないギアを介して走行用モータ２０により駆動される。操舵輪１８は、ハンドルＨの操作量に応じて操舵される。

車体１２は、車体フレームＦと、車体フレームＦの後部に締結固定されたカウンタウェイトＷとから構成されている。車体フレームＦは、車体１２の左側部を構成する第２サイドフレームとしてのレフトフレームＬＦと、車体１２の右側部を構成する第１サイドフレームとしてのライトフレームＲＦ（図３参照）とを含んで構成されている。レフトフレームＬＦ及びライトフレームＲＦは、それぞれ厚板（鋼板）で構成されている。カウンタウェイトＷは鋳物製であるとともに、図２（ａ）に示すように、その上面Ｗａが水平な面となるように構成されている。また、図１に示すように、車体１２には、その前側において左右一対のフロントピラー２１，２２が立設されるとともに、その後側において左右一対のリアピラー２３，２４が立設されている。

一対のフロントピラー２１，２２はその下端部２１ａ，２２ａがそれぞれレフトフレームＬＦ及びライトフレームＲＦ（図３参照）に締結や溶接などにより固定されるとともに、一対のリアピラー２３，２４はその下端部２３ａ，２４ａがそれぞれレフトフレームＬＦ及びライトフレームＲＦに締結固定されている。また、フロントピラー２１，２２及びリアピラー２３，２４は、前後方向において運転室２５を挟むように配置されている。フロントピラー２１，２２及びリアピラー２３，２４は略四角筒状に形成されるとともに、その内部に中空部２６（図２（ｂ）参照）が形成されている。

一対のフロントピラー２１，２２のうち、一方のフロントピラー２１はレフトフレームＬＦの前側から立設されるとともに、他方のフロントピラー２２はライトフレームＲＦ（図３参照）の前側から立設されている。同様に、一対のリアピラー２３，２４のうち、一方のリアピラー２３はレフトフレームＬＦの後側から立設されるとともに、他方のリアピラー２４はライトフレームＲＦの後側から立設されている。一対のフロントピラー２１，２２はヘッドガード２７と一体に形成されている。ここで、フロントピラー２１，２２、リアピラー２３，２４、及びヘッドガード２７によって囲まれた運転室２５の前側下方には、座席２８に着座した運転者の足を支承する床面としてのトーボード２９が設けられている。そして、トーボード２９の下側には、燃料電池ユニット（ＦＣユニット）３０を収容するための収容室３１が設けられている。

収容室３１には、コネクタ（図示しない）が設けられ、コネクタにより給電用配線を介して、燃料電池ユニット３０と、フォークリフト駆動用の図示しない電力回路とが電気的に接続されている。そのため、燃料電池ユニット３０はフォークリフト１１の電力供給先（負荷）に駆動電力を供給可能となっている。燃料電池ユニット３０は、水素及び酸素が供給されることで発電する燃料電池３２と、燃料電池３２に対して酸化ガスとしての空気を圧縮して供給する図示しないエアコンプレッサとを備えている。また、その他に、燃料電池ユニット３０は、図示しない燃料電池ユニットコントローラ等の各種電気的構成を備えている。なお、燃料電池ユニットコントローラはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるとともに、燃料電池ユニット３０の動作を制御するように構成されている。本実施形態では、燃料電池ユニット３０は、走行用モータ２０や荷役用モータ等を燃料電池３２で発電した電力の電力供給先（負荷）としている。燃料電池ユニット３０には、水素タンク３３が組み込まれておらず、水素タンク３３は燃料電池ユニット３０とは別体に構成されるとともにカウンタウェイトＷの上面Ｗａに搭載されている。なお、水素タンク３３は、図示しない固定バンドによってカウンタウェイトＷ上から脱落しないように固定されている。

水素タンク３３は、例えば鋼製であるとともに、円柱状で、かつ中空状に形成されている。また、図２（ａ）に示すように、水素タンク３３は一対のリアピラー２３，２４間に位置し、リアピラー２３，２４に隣接している。そして、水素タンク３３は、座席２８に着座した運転者がフォークリフト１１の後方を確認する場合に、運転者の視界を遮らないような大きさに形成されている。水素タンク３３は、水素が満充填されて内部が高圧（例えば、３５ＭＰａ）となった場合でも十分耐えることができる強度を有するとともに、その右側端面３３ａに図示しない水素放出口が設けられている。水素放出口には、水素配管３４の水素タンク３３側の端部３４ａが取り付けられ、水素タンク３３に貯蔵されている水素を放出可能になっている。なお、水素タンク３３には、その内部に図示しない減圧弁が設けられ、水素放出口から放出する水素を所定の圧力（例えば、３ＭＰａ）まで減圧するように構成されている。水素配管３４は鉄パイプにより構成され、所定の圧力に耐えることができる強度を有している。

一方、図２（ｂ）に示すように、水素配管３４の近傍に位置する右側のリアピラー２４には、水素タンク３３の右側端面３３ａと対向する側面２４ｂにリアピラー２４外部からリアピラー２４の中空部２６までを貫通する配管導入孔３５が設けられている。リアピラー２４の中空部２６は、リアピラー２４の上端からリアピラー２４の下端にまで延びている。そして、リアピラー２４内部を水素配管３４が通過できるようにするための配管通路部は、配管導入孔３５及びリアピラー２４の中空部２６によって構成されている。また、リアピラー２４の下端開口部２４ｃはライトフレームＲＦとカウンタウェイトＷとの間の空間に存在している。

水素配管３４は、配管導入孔３５により案内されてリアピラー２４の中空部２６にまで配索されるとともに、リアピラー２４の中空部２６を経由した後、下端開口部２４ｃから引き出されるように構成されている。水素配管３４は、下端開口部２４ｃから引き出されてライトフレームＲＦの内側に配索されるとともに、燃料電池３２（図１参照）の図示しない燃料供給口に接続されている。したがって、図３に示すように、水素配管３４は、リアピラー２４及びライトフレームＲＦによって覆われた状態で、水素タンク３３と燃料電池３２とを接続している。なお、水素配管３４は、その一部が図示しない留め具によってライトフレームＲＦの内側に留め付けられることで、過度に垂れ下がらないようになっている。

ここで、水素配管３４を覆うライトフレームＲＦは、レフトフレームＬＦ（図１参照）よりも板厚が厚くなるように設定され、具体的には、レフトフレームＬＦの板厚が１ｍｍで、ライトフレームＲＦの板厚が５ｍｍに設定されている。したがって、ライトフレームＲＦは、レフトフレームＬＦよりも強度が高くなるように構成されており、水素配管３４を外部の衝撃から保護する保護カバーとして機能するようになっている。

次に、前記のように構成されたフォークリフト１１の作用について説明する。
本実施形態において、フォークリフト１１は小型であり、フォークリフト１１の収容室３１の容積は小さくなっているため、水素タンク３３と燃料電池３２とをまとめて収容室３１に収容することは難しい。そのため、水素タンク３３は燃料電池３２と別体にされてカウンタウェイトＷの上面Ｗａに載置されている。したがって、収容室３１の容積に左右されずに、要求されるフォークリフト１１の稼動時間（例えば、８時間）を満たすことができる程度の水素を貯蔵可能な大きさに水素タンク３３を形成することができる。その結果、フォークリフト１１の大きさに拘わらず、同じ稼動時間を確保することができる。

また、図示しないキースイッチがオンされると、燃料電池ユニット３０が起動し、燃料電池３２には、水素タンク３３から水素配管３４を介して水素が直接供給されるとともに、エアコンプレッサから空気が供給される。そして、燃料電池３２は水素と空気とを内部で反応させることで発電し、燃料電池３２で発電した電力を動力として走行用モータ２０及び荷役モータが駆動可能な状態となる。そして、運転者によって荷役操作が行われると荷役モータが駆動されて、フォークリフト１１は荷役動作を行い、運転者によってアクセルペダルが踏み込まれると走行用モータ２０が駆動されて、フォークリフト１１は走行する。

そして、フォークリフト１１の荷役作業時や、走行時に、フォークリフト１１は、他のフォークリフトや障害物と接触することがあるが、このような事態が生じても、水素配管３４は、リアピラー２４及びライトフレームＲＦによって保護されているため、水素配管３４に他のフォークリフトや障害物が直接当たることはない。そのため、水素配管３４が損傷を受けることは回避され、水素配管３４内を流通する水素が外部に漏出することを回避できる。

この実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
（１）水素タンク３３は、車体１２外に設けられている。したがって、収容室３１の容積によって水素タンク３３の大きさが左右されることはないため、フォークリフト１１の大きさに拘わらず、水素タンク３３を要求されるフォークリフト１１の稼動時間を満たすことができるような大きさに形成することができる。

（２）水素配管３４は配管導入孔３５及びリアピラー２４の中空部２６を通って燃料電池３２に接続されている。そして、水素タンク３３と燃料電池３２とを接続する水素配管３４は、リアピラー２４によって保護されるため、水素配管３４が損傷することを回避できる。

（３）燃料電池３２には、水素タンク３３から水素配管３４を介して直接水素が供給される。したがって、水素タンク３３から燃料電池３２までの供給系統に改質器を設ける必要がないため、水素タンク３３から燃料電池３２までの供給系統を簡素にすることができる。

（４）水素配管３４は、リアピラー２４及びライトフレームＲＦによって覆われているため、フォークリフト１１の見栄えを向上させることができる。また、作業者が水素配管３４に引っ掛かる虞がなくなり、水素配管３４を安全に配索することができる。

（５）フォークリフト１１は、車体１２の後部を構成するカウンタウェイトＷと、一対のフロントピラー２１，２２と、一対のリアピラー２３，２４とを備えている。そして、水素タンク３３は、リアピラー２３，２４に隣接した状態でフォークリフト１１のカウンタウェイトＷの上面Ｗａに搭載されている。また、燃料電池ユニット３０は、トーボード２９の下方の収容室３１に収容されている。そして、カウンタウェイトＷの上面Ｗａは、水平で、かつ、水素タンク３３を配置することができる程度のスペースが存在しているため、フォークリフトの構造を変えなくとも、水素タンク３３を容易に配置することができる。

（６）ライトフレームＲＦは、レフトフレームＬＦよりも強度が高くなるように設定され、水素配管３４を保護する保護カバーとして機能する。したがって、リアピラー２４に加えてライトフレームＲＦによっても水素配管３４を保護できるため、より確実に水素配管３４の損傷を回避できる。

（７）ライトフレームＲＦが水素配管３４を保護する保護カバーを兼ねている。したがって、ライトフレームＲＦとは別に、水素配管３４を保護する専用の保護カバーを設ける場合に比べて、部品点数の増加を抑えることができる。

（８）フォークリフト１１は、水素タンク３３から水素を直接燃料電池３２に供給する方式を採用している。そのため、水素を補給するための設備（水素ステーション）を少なくともフォークリフト１１を使用する各工場等に設置するだけで支障なく使用することができる。したがって、燃料電池３２に直接水素を供給する方式は燃料電池型フォークリフトに採用しやすい。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○ リアピラー２３，２４の形状についてはとくに限定されない。略四角筒状のリアピラー２３，２４に代えて、例えば、円筒状のリアピラー２３，２４に変更してもよい。

○ 水素タンク３３を配置する箇所を変更してもよい。水素タンク３３は、リアピラー２３，２４の近くに隣接していればよく、左右一対のリアピラー２３，２４の間に水素タンク３３を設けなくともよい。例えば、水素タンク３３を、カウンタウェイトＷの上面Ｗａであって、リアピラー２３，２４よりも後側となる位置に配置してもよい。

○ リアピラー２３，２４は中空状でなくともよい。例えば、中実状のリアピラー２３，２４のうちリアピラー２４に対して、水素タンク３３の右側端面３３ａと対向するリアピラー２４の側面２４ｂからリアピラー２４の内部を通ってリアピラー２４の下端に開口するような孔を設け、この孔によって、配管通路部を構成してもよい。

○ ライトフレームＲＦの強度を、レフトフレームＬＦの強度よりも高くする手段を変更してもよい。具体的には、ライトフレームＲＦの板厚をレフトフレームＬＦの板厚よりも厚くする代わりに、例えば、ライトフレームＲＦ及びレフトフレームＬＦの板厚は同じにして、ライトフレームＲＦをレフトフレームＬＦよりも強度の高い材質（例えば、高張力鋼）で構成することで、水素配管３４をライトフレームＲＦによって保護できるように構成してもよい。

○ 第１サイドフレームとして構成するサイドフレームを変更してもよい。例えば、図２（ａ）では、水素タンク３３の右側端面に水素放出口があったが、それに代わり、水素タンク３３の左側端面に水素放出口が設けられ、左側に水素配管３４が存在する場合には、レフトフレームＬＦを第１サイドフレームとして用い、ライトフレームＲＦを第２サイドフレームとして用いてもよい。

○ 水素配管３４を保護する保護カバーとして用いる構成を変更してもよい。例えば、リアピラー２４の下方に車体フレームＦが存在しない構造のフォークリフトを本発明の燃料電池型フォークリフトとして用いる場合には、水素タンクを保護するための専用の保護カバーを準備して、その保護カバーをリアピラー２４の下方に取り付けることで、リアピラー２４の下端開口部２４ｃから引き出された水素配管３４を覆ってもよい。なお、この場合、保護カバーは、他のフォークリフトや、障害物からの衝撃に十分耐えることができる強度となるように設定されている。

○ 燃料電池３２にエアコンプレッサから酸化ガスとしての圧縮空気を供給する構成に代えて、酸素タンクから所定圧力に調整された酸化ガスとしての酸素を供給するようにしてもよい。

○ 燃料電池ユニット３０を収容する箇所は、トーボード２９下に限らない。例えば、運転室２５の下方であって、座席２８下に収容室３１が設けられているタイプのフォークリフトをフォークリフト１１として用いる場合には、燃料電池ユニット３０は座席２８下に収容される。

○ 本発明は、燃料電池型フォークリフトに限らず、ピラーを備えるとともに、車体の外部であって、ピラー付近に水素タンク３３を配置可能なスペースが存在する車両であれば、本発明を燃料電池型フォークリフトに代えて燃料電池式乗用車に適用してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
○ 前記ピラーから引き出された前記水素配管の部分を覆うように設けられ、前記水素配管を保護可能な強度を有する保護カバーを備える燃料電池車両。

○ 前記第１サイドフレームは、前記第２サイドフレームよりも板厚が厚くなるように形成されている燃料電池車両。

本実施形態における燃料電池型フォークリフトを示す模式側面図。（ａ）は図１におけるＡ矢視方向から見た部分模式図、（ｂ）は図２（ａ）の一部分破断拡大図。燃料電池型フォークリフトの部分模式斜視図。

符号の説明

Ｗ…カウンタウェイト、ＬＦ…第２サイドフレームとしてのレフトフレーム、ＲＦ…第１サイドフレームとしてのライトフレーム、１１…燃料電池車両としての燃料電池型フォークリフト、１２…車体、２１，２２…フロントピラー、２３，２４…リアピラー、２５…運転室、２６…中空部、３２…燃料電池、３３…水素タンク、３４…水素配管、３５…配管導入孔。

Claims

車体内に水素と酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池を収容するとともに、前記燃料電池で発電された電力を動力として用いる燃料電池車両において、
燃料電池車両は、
前記車体の前側において立設された左右一対のフロントピラーと、
前記車体の後側において立設された左右一対のリアピラーと、
前記左右一対のフロントピラー及び前記左右一対のリアピラーによって挟まれる運転室と、
前記車体の後部を構成するカウンタウェイトと、を備えた燃料電池型フォークリフトであり、
前記リアピラーに隣接するように前記カウンタウェイト上に配置されるとともに、前記水素を貯蔵する水素タンクと、
前記水素タンクと前記運転室の下方に収容された前記燃料電池とを接続し、前記水素タンク内に貯蔵された前記水素を前記燃料電池に導く水素配管と、を備え、
前記水素配管は、前記左右一対のリアピラーのうち前記水素配管に近い側のリアピラーの内部を通り、当該リアピラーから前記燃料電池に向かうように引き出されていることを特徴とする燃料電池車両。
前記車体は、一方のリアピラー及び一方のフロントピラーを支持する第１サイドフレームと、他方のリアピラー及び他方のフロントピラーを支持する第２サイドフレームと、を備え、
前記水素配管のうち前記リアピラーから引き出された部分は、前記第１サイドフレームによって覆われており、
前記第１サイドフレームは、前記第２サイドフレームよりも強度が高くなるように設定されて前記水素配管を保護可能に構成されている請求項１に記載の燃料電池車両。