JP6182886B2

JP6182886B2 - 燃料電池式産業車両

Info

Publication number: JP6182886B2
Application number: JP2013021497A
Authority: JP
Inventors: 祐介下簗; 伊藤　浩; 浩伊藤
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2033-02-06
Also published as: JP2014154283A

Description

本発明は、車体に燃料電池を搭載した燃料電池式産業車両に関する。

この種の燃料電池式産業車両において、燃料電池ユニットにおける燃料電池に水素と空気（酸素）とを供給して電気化学反応によって発電させるとき、燃料電池からは水を含んだオフガスが生成される。燃料電池式産業車両においては、工場内を走行することがあるため、水を含んだオフガスをそのまま車体の外へ排出すると、排出された水が工場内を濡らしてしまうことになる。そこで、燃料電池式産業車両においては、生成される水の対策として気液分離器によってオフガスを水とガスに分離し、水が分離されたガスのみを排気管から排出するとともに、水は産業車両に設けたタンクに貯めることが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

図５に示すように、特許文献１の産業車両の排気システム８０は、燃料電池８１から排出されたオフガスから水を分離する気液分離器８２を有している。また、排気システム８０は、気液分離器８２で分離された水が流入するタンク（貯留部）８３と、水が分離されたガスが流入する排気管８４を有している。排気管８４の一部は、排気管８４から分岐してタンク８３に連通しているとともに、排気管８４にはマフラ８５が設けられている。そして、気液分離器８２で分離された水、及び排気管８４での凝縮によって発生した水は、タンク８３に流入し、タンク８３で貯められる。一方、水が分離されたガスは、マフラ８５を経て排気される。タンク８３に貯まった水は、例えば、水素を充填するのに合わせて排水されたり、産業車両が一定期間走行した後に、排水設備を備えた所定の場所で排水される。

特開２００７−２４２４３４号公報

ところが、特許文献１のような水を貯めるタンクを有する産業車両においては、作業者の排水忘れ等により、タンク内の水の排水が長期に亘って行われないと、タンクが満水になり、さらにはタンクから水がオーバーフローしてしまう。すると、タンクからオーバーフローした水が燃料電池ユニットに影響を及ぼしてしまう虞がある。

本発明は、貯留部から水がオーバーフローしても燃料電池ユニットに影響が及ぶことを防止することができる燃料電池式産業車両を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の燃料電池式産業車両は、車体に、燃料電池を備える燃料電池ユニットと、前記燃料電池の発電に伴って排出されたオフガスを水とガスに分離する気液分離部と、該気液分離部より下方に位置し、前記気液分離部で分離された水が流入する貯留部と、を有する燃料電池式産業車両において、前記気液分離部の側面の壁部に設けられた入口には、前記オフガスの流入路が接続され、前記気液分離部と前記貯留部とは連通路を介して連通した別体であり、前記貯留部に一端が連通するとともに、該一端より上方にある他端が大気開放されたリリーフ管を備え、前記リリーフ管は、前記気液分離部及び前記貯留部での水位を計測するための水位計測部を有し、前記リリーフ管に流入した水が前記他端から洩れるときの水位を洩れ水位とすると、前記リリーフ管は、前記洩れ水位が前記貯留部での満水位よりも上方に位置するように設けられているとともに、前記洩れ水位が前記気液分離部の側面の壁部に設けられた前記入口の最下部よりも下方に位置するように設けられていることを要旨とする。

これによれば、燃料電池の発電に伴って排出されたオフガスは、気液分離部によって水とガスに分離され、水は貯留部に貯められる。万一、作業者の排水忘れ等により長期に亘って貯留部内の水の排水が行われず、貯留部から水がオーバーフローしてしまうと、オーバーフローした水は貯留部から気液分離部に流入する。ここで、気液分離部は貯留部に連通し、この貯留部にはリリーフ管が連通していることから、気液分離部の水位とリリーフ管の水位は同じである。そして、気液分離部の水位が上昇するのと同時に、リリーフ管での水位も上昇していき、洩れ水位に近付いていく。この洩れ水位は、気液分離部でのオフガスの入口よりも下方に設定されているため、気液分離部での水位が入口に達する前に、リリーフ管での水位が洩れ水位を超え、貯留部の水がリリーフ管から排水される。よって、気液分離部での水位が、オフガスの入口より高くなること、すなわち、入口が水で塞がれることが防止され、貯留部から水がオーバーフローしても燃料電池ユニットに影響が及ぶことが防止される。
また、気液分離部におけるオフガスの入口が、気液分離部に流入した水で塞がることを確実に防止できる。
さらに、貯留部から水がオーバーフローする前にリリーフ管から水が洩れてしまうことが防止できる。

リリーフ管の水位計測部を視認することで、気液分離部及び貯留部の水位を計測することができる。また、上述のようにリリーフ管は、燃料電池ユニットが、オーバーフローした水による影響を受けないようにするための機能を持っており、リリーフ管は水位計測機能と合わせて２つの機能を持っている。したがって、水位計測機能と、燃料電池ユニットが水による影響を受けないための構成とを別々に設ける場合と比べて、燃料電池周辺の構成を簡素化できる。

本発明によれば、貯留部から水がオーバーフローしても燃料電池ユニットに影響が及ぶことを防止することができる。

フォークリフトにおける燃料電池システムの概略構成図。貯水タンクにおけるオフガスの入口とリリーフ管との位置関係を示す図。貯水タンクからオーバーフローし、リリーフ管から漏水した状態の模式図。別例の気液分離装置を備える燃料電池システムを示す図。背景技術を示す図。

以下、燃料電池式産業車両を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。
図１に示すように、フォークリフトの車体１０には、燃料電池システム１１が搭載されている。燃料電池システム１１は、燃料電池ユニット１３と、気液分離器１５と、貯水タンク１８と、リリーフ管２１と、それらに接続された各流路１４，１６，１７，１９をユニット化し、ケース内に組み込んだものである。

燃料電池ユニット１３は、燃料電池ＦＣを備え、この燃料電池ＦＣは、本実施形態では、固体高分子型燃料電池によって構成されており、高分子電解質膜で区画された燃料極及び空気極からなる複数のセルを内蔵する。燃料電池ＦＣでは、燃料極に供給される水素と、空気極に供給される空気中の酸素との電解質膜を介した起電反応により発電が行われる。燃料電池ＦＣで発電された電力は、燃料電池システム１１に接続される走行用モータなどの負荷１２に供給される。

燃料電池システム１１において、燃料電池ユニット１３には流入路１４の一端が接続されるとともに、流入路１４の他端は気液分離部としての気液分離器１５に接続されている。気液分離器１５の壁部１５ａにはオフガスの入口１５ｂが設けられ、この入口１５ｂと流入路１４の他端が連通している。よって、燃料電池ＦＣで排出されたオフガスは、流入路１４を介して気液分離器１５に流入する。

気液分離器１５では、自然落下方式によりオフガスが水とガスに分離される。気液分離器１５において、入口１５ｂが設けられた壁部１５ａとは別の壁部１５ｃには、排気路１６の一端が接続されている。なお、排気路１６は、入口１５ｂよりも上方に配置されている。そして、気液分離器１５で水と分離されたガスは、排気路１６から排気される。

気液分離器１５において、排気路１６が接続された別の壁部１５ｃには、入口１５ｂより下方に位置する出口１５ｄが設けられている。気液分離器１５の別の壁部１５ｃには、出口１５ｄに連通するように連通路１７の一端が接続されるとともに、この連通路１７の他端は貯留部としての貯水タンク１８に接続されている。貯水タンク１８は、気液分離器１５より下方に配置されている。貯水タンク１８の上壁１８ａには、流入口１８ｂが設けられ、この流入口１８ｂは連通路１７の他端と連通している。気液分離器１５で分離された水は、出口１５ｄ、連通路１７及び流入口１８ｂを経て貯水タンク１８に流入する。

貯水タンク１８において、上壁１８ａとは別の側壁１８ｃには、排水口１８ｄが設けられている。排水口１８ｄが設けられた側壁１８ｃには、排水路１９の一端が排水口１８ｄと連通する状態に接続されるとともに、排水路１９の他端は排水カプラ２０によって閉じられている。排水路１９は、水平状態、又は貯水タンク１８から排水カプラ２０に向けて若干下り傾斜する状態に設けられている。貯水タンク１８は、車体１０の下部に配置されるとともに、排水路１９は車体１０の下部に取り回され、排水カプラ２０は車体１０の外側に配設されている。

排水路１９の途中には、筒状のリリーフ管２１が立設され、このリリーフ管２１は車体１０の外部に配設されている。リリーフ管２１は、一端（下端）が排水路１９に連通し、排水路１９を介して貯水タンク１８内に連通している。よって、リリーフ管２１は、排水路１９、貯水タンク１８、及び連通路１７を介して気液分離器１５にも連通しており、リリーフ管２１は、貯水タンク１８及び気液分離器１５と同圧である。

リリーフ管２１は、透明樹脂製であり、排水路１９から上方に向けて筒状に延びるとともに目盛りＭが付された水位計測部２１ａを備える。リリーフ管２１は、水位計測部２１ａの軸方向に直交する方向に筒状に延びる導通部２１ｂを備え、さらに、導通部２１ｂの軸方向に直交し、かつ水位計測部２１ａの軸方向に平行に延びる筒状の排出部２１ｃを備える。排出部２１ｃの先端であるリリーフ管２１の他端は、大気開放されるとともに、リリーフ管２１の一端（下端）より上方に位置している。また、リリーフ管２１の他端は、下方に向けて開口している。

図２に示すように、リリーフ管２１の上端２１ｄ（導通部２１ｂの上端）は、流入路１４の下端１４ａ、及び気液分離器１５の入口１５ｂの最下部Ｓａよりも若干下方に位置しているとともに、気液分離器１５の底壁部１５ｆよりも上方に位置している。すなわち、リリーフ管２１は流入路１４より下方に配設されている。

排水カプラ２０によって排水路１９が閉じられた状態では、リリーフ管２１内には、排水路１９内の水が流入する。水位計測部２１ａ内での水位は、リリーフ管２１の他端が大気開放されているので、貯水タンク１８及び気液分離器１５での水位を示している。

図３に示すように、リリーフ管２１での水位Ｌａのうち、水が水位計測部２１ａから導通部２１ｂに流れ込む時点での水位を、洩れ水位Ｌとする。この洩れ水位Ｌは、リリーフ管２１から水が洩れ出てしまう水位のことである。

一方、図１及び図２に示すように、貯水タンク１８で水がオーバーフローしていないときや、貯水タンク１８をオーバーフローした水が気液分離器１５に流入し、かつ気液分離器１５での水位が入口１５ｂより下方にあるときの水位Ｌａは、洩れ水位Ｌより低い位置にある。

リリーフ管２１は、洩れ水位Ｌが気液分離器１５の入口１５ｂより下方に位置するように立設高さが設定されている。すなわち、導通部２１ｂの内周面における最下部Ｓｂ（洩れ水位Ｌ）は、入口１５ｂの最下部Ｓａよりも下方に位置している。したがって、入口１５ｂの最下部Ｓａと、導通部２１ｂの最下部Ｓｂとの間には、距離Ｘが確保されている。

また、リリーフ管２１は、洩れ水位Ｌが貯水タンク１８の満水位Ｆよりも上方に位置するように立設高さが設定されている。すなわち、導通部２１ｂの内周面における最下部Ｓｂ（洩れ水位Ｌ）は、貯水タンク１８の上壁１８ａにおける内面１８ｆよりも上方に位置している。したがって、洩れ水位Ｌ（導通部２１ｂの最下部Ｓｂ）と、貯水タンク１８の内面１８ｆとの間には距離Ｙが確保されている。

次に、フォークリフトの作用を記載する。
さて、図１に示すように、燃料電池ユニット１３における燃料電池ＦＣの発電に伴って排出されたオフガスは、流入路１４を介して入口１５ｂから気液分離器１５内に流入する。気液分離器１５では、比重の大きい水がガスから落下し（自然落下）、オフガスが水とガスに分離され、ガスは排気路１６から排気される。一方、水は気液分離器１５の底壁部１５ｆ側に一時的に貯留されつつ、出口１５ｄから連通路１７に流出し、流入口１８ｂから貯水タンク１８内に流入する。貯水タンク１８が満水になっていない状態では、リリーフ管２１での水位Ｌａは、洩れ水位Ｌに達しておらず、水位計測部２１ａによって確認できる。

そして、図３に示すように、貯水タンク１８の貯水量が増加していき、満水位Ｆが上壁１８ａの内面１８ｆに達すると、貯水タンク１８の水は貯水タンク１８からオーバーフローし、流入口１８ｂから連通路１７に流入する。さらには、オーバーフローした水は、出口１５ｄから気液分離器１５内に流入する。すると、リリーフ管２１での水位Ｌａも上昇し、水位計測部２１ａの上部に達する。

そして、気液分離器１５での水位が上昇して入口１５ｂに近付いていくと、気液分離器１５での水位が入口１５ｂに達するより前に、リリーフ管２１での水位Ｌａが洩れ水位Ｌに達する。すると、水位計測部２１ａから導通部２１ｂに水が流入し、排出部２１ｃから洩れ出る。このとき、作業者が、排出部２１ｃの先端を目視したり、手で触れてみるなどして排出部２１ｃの先端から水が出ていることを確認できたら、作業者は貯水タンク１８から水がオーバーフローしていることを認識できる。また、リリーフ管２１は、車体１０の外部に配置されているため、排出部２１ｃから洩れた水が燃料電池ユニット１３にかかることはなく、貯水タンク１８からオーバーフローした水の影響が燃料電池ユニット１３、特に燃料電池ＦＣに及ばない。

貯水タンク１８から水がオーバーフローし続け、気液分離器１５での水位が洩れ水位Ｌを超え続けると、リリーフ管２１の排出部２１ｃから排水が継続される。その結果、気液分離器１５では、気液分離器１５に水が流入しても、気液分離器１５での水位が入口１５ｂに達することはなく、入口１５ｂ、すなわち流入路１４が水で塞がれることが防止される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）リリーフ管２１は、その洩れ水位Ｌが気液分離器１５でのオフガスの入口１５ｂより下方に位置するように設けられている。このため、貯水タンク１８からオーバーフローした水が気液分離器１５に流入しても、気液分離器１５での水位が入口１５ｂに達する前にリリーフ管２１から貯水タンク１８の水を排水することができる。よって、気液分離器１５の入口１５ｂが、オーバーフローした水で塞がれてしまうことを防止できる。その結果、オフガスの排出が流入路１４で止まることはなく、燃料電池ユニット１３に水の影響が及ぶことが未然に防止される。

また、リリーフ管２１は、車体１０の外部に配置されている。このため、リリーフ管２１から排水されても、その水が燃料電池ユニット１３に直接かかることが無く、燃料電池ユニット１３に影響を及ぼさない。

（２）貯水タンク１８からオーバーフローした水が、気液分離器１５に流入しても、気液分離器１５での水位がリリーフ管２１での洩れ水位Ｌに達すると、リリーフ管２１から貯水タンク１８の水が排水される。このリリーフ管２１からの水洩れを確認することで、車体１０の外部に洩れた水が、貯水タンク１８からオーバーフローした水なのか、連通路１７等の配管から洩れた水なのかを確認することができる。

（３）リリーフ管２１における洩れ水位Ｌを流入路１４より下方で、かつ気液分離器１５の底壁部１５ｆよりも上方に設定した。このため、貯水タンク１８をオーバーフローした水が気液分離器１５に流入しても、即座にリリーフ管２１から水が洩れることはなく、気液分離器１５の一部を水を貯める部位として利用できる。このため、貯水タンク１８だけで水を貯める場合と比べると、気液分離器１５を利用する分だけ貯水タンク１８をコンパクトにすることができる。

（４）貯水タンク１８からオーバーフローした水が、気液分離器１５に流入しても、気液分離器１５での水位がリリーフ管２１での洩れ水位Ｌに達すると、水がリリーフ管２１から洩れ出る。この洩れを確認することで、作業者は、貯水タンク１８から水がオーバーフローしていることを確認できる。このため、貯水タンク１８から水がオーバーフローしているか否かをセンサ等を用いて検出するのではなく、作業者が直接確認することができる。よって、フォークリフトを用いた作業中に、貯水タンク１８から水がオーバーフローしていたことが報知されると、作業者は直ぐに排水の作業を行い、問題を解決することができる。

（５）リリーフ管２１の洩れ水位Ｌは、貯水タンク１８の満水位Ｆ（上壁１８ａの内面１８ｆ）よりも上方に設定されている。このため、リリーフ管２１から水が洩れたことを確認することで、貯水タンク１８から水がオーバーフローしていることを確実に確認することができる。

（６）リリーフ管２１に洩れ水位Ｌを設定し、貯水タンク１８からオーバーフローした水が気液分離器１５の入口１５ｂを塞ぐ前に、リリーフ管２１から貯水タンク１８を排水させるようにした。よって、リリーフ管２１は、燃料電池ユニット１３に水の影響を及ぼさないための機能に加え、気液分離器１５及び貯水タンク１８の水位を計測する機能も持つ。したがって、２つの機能を発揮させるための構成を燃料電池システム１１に別々に設ける場合と比べて、燃料電池システム１１の構成を簡素化できる。

（７）気液分離器１５と貯水タンク１８は連通路１７を介した別体である。気液分離器１５と貯水タンク１８を一体化した場合と比べて、貯水タンク１８をコンパクトにできるとともに、気液分離器１５及び貯水タンク１８の配置自由度が高まる。

（８）気液分離器１５におけるオフガスの入口１５ｂは、気液分離器１５から排出されるガスの出口（排気路１６）よりも下方に位置している。このため、貯水タンク１８からオーバーフローした水が気液分離器１５に流入しても、水が分離されたガスは気液分離器１５から排出し続けることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図４に示すように、燃料電池システム１１は、気液分離部３０と貯留部３１とを一体化した気液分離装置２５を備えた構成としてもよい。気液分離装置２５はケース３４を備え、このケース３４内の上側に気液分離部３０が設けられ、ケース３４内における気液分離部３０より下方に貯留部３１が設けられている。

○ リリーフ管２１は、洩れ水位Ｌが気液分離器１５の入口１５ｂより下方に位置するように設けられるのであれば、リリーフ管２１の立設高さは適宜変更してもよい。例えば、リリーフ管２１は、洩れ水位Ｌが気液分離器１５の底壁部１５ｆよりも下方であってもよい。

○ 実施形態では、リリーフ管２１は流入路１４より下方に位置していたが、これに限らない。リリーフ管２１において、導通部２１ｂの内周面における最下部Ｓｂ（洩れ水位Ｌ）が、入口１５ｂの最下部Ｓａよりも下方に位置していれば、リリーフ管２１の導通部２１ｂが流入路１４及び入口１５ｂよりも上方に位置していてもよい。

○ リリーフ管として、リリーフ管２１が水位計測部２１ａを備える構成としたが、リリーフ管は水位計測部２１ａを備えず水位を計測できないものであってもよく、単なる空気抜きであってもよい。

○ リリーフ管２１は、透明な樹脂製として説明したが、水位計測部２１ａにて管内の水位が見られるように透明であればよく、ガラス製などであってもよい。
○ リリーフ管２１は、水位計測部２１ａに加え、導通部２１ｂ及び排出部２１ｃを備える構成であったが、洩れ水位Ｌが気液分離器１５の入口１５ｂより下方に位置していれば、導通部２１ｂが無く、上端に排出部２１ｃが開口する筒状であってもよいし、形状は特に限定されない。

○ 実施形態では、リリーフ管２１を排水路１９に接続して貯水タンク１８内と連通させたが、リリーフ管２１は貯水タンク１８の上壁１８ａや側壁１８ｃに接続された状態で貯水タンク１８内と連通していてもよい。

○ 気液分離器１５は、自然落下方式でなく、遠心分離方式であってもよい。
○ 気液分離器１５において、入口１５ｂを出口１５ｄより下方に配置したが、入口１５ｂと出口１５ｄと同じ高さに配置してもよい。

○ 燃料電池システム１１として、燃料電池ユニット１３、気液分離器１５、貯水タンク１８をケース内に組み込んでユニット化したが、ユニット化しなくてもよい。
○ 燃料電池式産業車両としてフォークリフトに具体化したが、フォークリフト以外の燃料電池式産業車両に具体化してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想についてに以下に追記する。
（イ）前記気液分離部の前記入口は、前記気液分離部で前記オフガスから分離されたガスの出口よりも下方に位置している燃料電池式産業車両。

Ｆ…満水位、Ｌ…洩れ水位、Ｌａ…水位、ＦＣ…燃料電池、１０…車体、１３…燃料電池ユニット、１４…流入路、１４ａ…下端、１５…気液分離部としての気液分離器、１５ｂ…入口、１７…連通路、１８…貯留部としての貯水タンク、２１…リリーフ管、２１ａ…水位計測部、３０…気液分離部、３１…貯留部。

Claims

車体に、
燃料電池を備える燃料電池ユニットと、
前記燃料電池の発電に伴って排出されたオフガスを水とガスに分離する気液分離部と、
該気液分離部より下方に位置し、前記気液分離部で分離された水が流入する貯留部と、を有する燃料電池式産業車両において、
前記気液分離部の側面の壁部に設けられた入口には、前記オフガスの流入路が接続され、
前記気液分離部と前記貯留部とは連通路を介して連通した別体であり、
前記貯留部に一端が連通するとともに、該一端より上方にある他端が大気開放されたリリーフ管を備え、
前記リリーフ管は、前記気液分離部及び前記貯留部での水位を計測するための水位計測部を有し、
前記リリーフ管に流入した水が前記他端から洩れるときの水位を洩れ水位とすると、前記リリーフ管は、前記洩れ水位が前記貯留部での満水位よりも上方に位置するように設けられているとともに、前記洩れ水位が前記気液分離部の側面の壁部に設けられた前記入口の最下部よりも下方に位置するように設けられていることを特徴とする燃料電池式産業車両。