JP2001253248A - 電気化学的エンジンの配置 - Google Patents

電気化学的エンジンの配置

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JP2001253248A JP2001001626A JP2001001626A JP2001253248A JP 2001253248 A JP2001253248 A JP 2001253248A JP 2001001626 A JP2001001626 A JP 2001001626A JP 2001001626 A JP2001001626 A JP 2001001626A JP 2001253248 A JP2001253248 A JP 2001253248A
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Daniel B O'connell
ダニエル・ビー・オコンネル
Michael A Stratton
マイケル・エイ・ストラットン
James V Mcmanis
ジェームズ・ブイ・マクマニス
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Motors Liquidation Co
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トータルの乗員車室及び車両貯蔵空間を減少
させることなく、燃料電池に水素を供給する。 【解決手段】 車両の電気化学的エンジンは、水素及び
酸素が与えられて電気を生成するように作動可能な燃料
電池スタックと、酸素を燃料電池スタックに供給するた
めの空気生成器と、解放温度にまで加熱したとき、蓄え
られた水素を燃料電池スタックに解放する水素保有材料
を含む第1の貯蔵タンクと、を備える。電気化学的エン
ジンは、第1の貯蔵タンク内の水素保有材料のための熱
を生成する熱生成器を更に含み、車両床部の下方の車両
後部床下車室内に配置される。熱生成器及び第1の貯蔵
タンクは燃料電池スタックの長さ方向前方に、該スタッ
クに近接して配置され、空気生成器は燃料電池スタック
の長さ方向後方に、該スタックに近接して配置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両における電気
化学的エンジンの配置に関する。
【0002】
【従来技術】燃料電池の電力プラントは、使用に適した
車両の中に組み込まれているので、燃料電池スタックを
作動させるため必要とされる燃料を供給する効率的な方
法を開発することは、ますます重要となってきている。
水素ガスは、スタックに導入される一般的な燃料であ
る。それは、ガソリン又はメタノールなどの燃料を改質
器により処理して当該燃料を水素、二酸化炭素、一酸化
炭素及び水蒸気を含む改質物に転化させることにより、
車両に搭載された状態で改質され得る。改質物は、水素
を燃料電池スタックに分配する前に、シフトコンバータ
ー及びガス浄化装置を通過させられ、一酸化炭素を除去
され得る。この完全な改質プロセスは、エンジニアにと
って複雑であるのみならず、有益なパッケージ用空間及
び質量を消費する。
【0003】車両に搭載されている状態で燃料を改質す
ることの代わりとして、水素ガスを、搭載された適切な
タンクに蓄えてもよい。純粋な水素ガスは効率的な燃料
であるが、それを車両に搭載された状態で蓄えること
は、パッケージング及び質量に関連した欠点を持つ。水
素をそのガス状態で蓄える代わりに、搭載された貯蔵タ
ンク内部に含まれる水素保有材料により吸収され、捕捉
されるようにしてもよい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した燃料貯蔵方法
のうち任意のものを用いた場合、ハードウェアのパッケ
ージング(packaging)が問題となる。顧客への重要な
配慮があるので、最大化された乗員車室及び貯蔵空間に
対する要求を妨げないことが重要である。車両の重心に
又はその付近に配置された燃料電池は、乗員車室の体積
を制限し得る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、車体に搭載さ
れた状態で貯蔵タンク内に水素を蓄える、車両中の電気
化学的エンジンのための新規な配置を提供する。この貯
蔵タンクは、水素を吸収し、これを蓄える水素保有材料
を含む。燃料を水素に改質するための構成要素が必要と
されないので、電気化学的エンジンの配置は非常に融通
のきくものとなる。それは、車両床部の下方の後部底下
車室、又は、より伝統的な前部レール車室内にパッケー
ジされることができる。エンジンの配置は、トータルの
乗員車室及び車両貯蔵空間を減少させない。
【0006】各構成要素は、熱管理、パッケージング
(packaging)及びポンピング(pumping)を含むシステ
ムの効率を提供するため近接して配置される。相互接続
長さをより短くすることが、システムの圧力降下を最小
にするため望ましい。
【0007】
【発明の実施の形態】最初に図1を参照して、参照番号
10として略示された電気化学的エンジン(ECE)の
作動を説明する。燃料電池スタック12内部で水素及び
酸素の間の既知の電気化学的反応により電気が生成され
る。燃料電池スタック12は、当該技術分野で知られて
いるように、個々の燃料電池14のシリーズから構成さ
れる。水素ガスが水素配給ライン16を介して燃料電池
14のアノード側に供給される。空気生成器17は、コ
ンプレッサ及び加湿器を備えてもよく、酸化剤ライン1
8を介して燃料電池14のカソード側に加湿された酸化
剤を供給する。カソードは電解質によってアノードから
分離される。電気及び熱が燃料電池スタック12内で生
成される。アノード側から水素排出ライン19への排出
バルブ20は、通常では、全ての水素が燃料電池スタッ
ク12内で消費されるように閉じられるが、開放して未
消費の水素を解放させるように作動可能である。カソー
ドの副産物は、窒素及び未消費の酸素を含み、カソード
排出ライン21を介して排出される。
【0008】水素は、燃料電池スタック12内の電気化
学的プロセスに燃料供給するため、ECE10内の貯蔵
タンク22に蓄えられる。貯蔵タンク22は、図示しな
い「水素保有材料」を含む。これによって、それは、水
素貯蔵温度で水素を可逆的に吸収したり、蓄えたりする
ことができ、該水素貯蔵温度より高い解放温度でそれを
解放することができる材料を意味する。一実施形態で
は、水素保有材料は、例えば、ナトリウム−アルミニウ
ム−塩化物(sodium-alminum-chloride)、ランタン−
ニッケル化合物(lanthanum-nickelide)、チタニウ
ム、又はニッケルなどの、水素と反応して金属の水素化
物として水素を蓄える金属からなる。そのような金属の
うち特に好ましいものは、ナトリウム−アルミニウム−
塩化物であり、これは、燃料電池スタック12の作動温
度又はその近傍の温度で、その保有された水素の大部分
に対する解放温度を有する。これは、燃料電池スタック
12からの副次的な熱を、水素化物から水素を解放する
ため使用することを可能にする。
【0009】ECE10は、エンジンを通して冷却剤を
循環させるため、放熱器26、冷却剤リザーバー28、
主要冷却剤ポンプ30及び主要冷却剤流体回路32を含
む熱管理システム24を更に備える。主要冷却剤流体回
路32は、冷却剤リザーバー28から、主要冷却剤ポン
プ30、燃料電池スタック12、貯蔵タンク22及び放
熱器26を通って冷却剤リザーバー28に戻るように延
在する。冷却剤分配バルブ34は、燃料電池スタック1
2及び貯蔵タンク22の間に主要冷却剤流体回路32に
沿って介設されている。バイパス冷却剤流れライン36
は、分配バルブ34から放熱器26まで延在する。
【0010】主要冷却剤流体回路32は、スタックから
出た副次的な熱を輸送し、それを貯蔵タンク22に配給
するため、低温度の冷却剤を燃料電池スタック12に配
給する。貯蔵タンク22は、導管38(例えばコイル)
を含み、該導管を通って加熱された冷却剤が水素保有材
料を加熱するため循環させられる。加熱された冷却剤
は、貯蔵タンク22をバイパスして、冷却剤分配バルブ
34からバイパス冷却剤流れライン36を介して放熱器
26に直接分配されてもよい。冷却剤分配バルブ34
は、燃料電池スタック12からの加熱された冷却剤を、
貯蔵タンク22及び放熱器26のいずれか又はその両方
に差し向けるように作動することができる。
【0011】ECE始動を開始するため、燃料電池スタ
ック12に燃料供給するべく水素ガスを解放するよう
に、初期に電気的に生成された熱を水素保有材料に提供
するため電気加熱エレメント40を貯蔵タンク22内又
はそれに隣接して設けることができる。加熱エレメント
40は、ECE10が自立系、即ち、燃料電池スタック
12が該スタックに燃料供給するため貯蔵タンク22か
らの水素を解放するのに十分な熱を生成していることを
意味する状態になるまで、短時間の間、作動するだけで
済む。従って、加熱エレメント40により費やされる寄
生的なエネルギーが最小化される。
【0012】任意の水素保有材料が用いられている場
合、水素の大部分は、解放温度で解放され得る。しか
し、実質的に全ての水素を完全に解放するためには、当
該温度は、より高い過熱解放温度にまで上昇する必要が
あろう。一例として、ドーピングしたナトリウム−アル
ミニウム−塩化物の水素化物を用いた場合、蓄えられて
いる水素の約70%が、約80℃で作動する燃料電池ス
タック12から回送された副次的な熱により解放され得
る。水素の残りを解放するため、水素化物は、約150
℃の過熱解放温度にまで「過熱(superheat)」されな
ければならない。
【0013】水素保有材料を過熱することは、過熱冷却
剤ループ44内に熱生成器42を備え、熱生成器が冷却
剤を加熱するようにこのループ内に冷却剤を孤立させる
ことによって達成することができる。冷却剤流れの残り
から過熱冷却剤ループ44を孤立させるために、バイパ
スバルブ46が、貯蔵タンク22及び放熱器26の中間
に備えられる。更に、第2のポンプ48は、過熱冷却剤
を循環させるため過熱冷却剤ループ44内に備えられ
る。従って、過熱冷却剤ループ44は、冷却剤分配バル
ブ34、貯蔵タンク22、バイパスバルブ46、第2の
ポンプ48及び熱生成器42を備える。
【0014】熱生成器42は、触媒反応器として作動す
ることができ、該触媒反応器では、未消費の水素が燃料
電池スタック12のアノードにより排出され、水素排出
ライン19を通って、触媒燃焼のため熱生成器に回され
る。更に、カソードにより排出される、窒素及び未消費
の酸素は、カソード排出ライン21の熱生成器42に回
される。熱生成器42における燃焼反応は、熱エネルギ
ーを生成する。この熱エネルギーは、過熱冷却剤ループ
44を介して貯蔵タンク22に移行され得る。ECE1
0内に熱生成器42を備えることは、水素保有材料に蓄
えられる実質的に全ての水素を利用可能にさせる。熱生
成器42は、熱を電気的に生成する手段に代わる効率的
な手段である。
【0015】次に、図2及び3を参照すると、車両8内
にECE10をパッケージするための第1の配置が示さ
れている。ECE10は、少なくとも1つの貯蔵タンク
22、熱生成器42、空気生成器17及び燃料電池スタ
ック12を含んでおり、車両8の後部底下車室60内の
中央に配置されている。後部底下車室60は、後部フレ
ームレール61の間及び車両床62の下方の体積空間に
よって画定される。車両床62は、乗員座席を支持する
座席床部63と、後部貯蔵空間80に保管された物を支
持するためのトランク床部64と、を含む。従って、E
CE10は、車両床62の下方に配置されている。熱生
成器42及び貯蔵タンク22は、燃料電池スタック12
の第1の側に配置され、好ましくは、車両の長さ方向軸
65に関して長さ方向前方に燃料電池スタック12に近
接して配置される。この配置は、解放された水素が、貯
蔵タンク22から燃料電池スタック12に容易に回送さ
れることを可能にする。空気生成器17は、燃料電池ス
タック12の第2の側に配置され、好ましくは、長さ後
方に燃料電池スタック12に近接して配置される。同様
に、この配置は、酸素が燃料電池スタック12に容易に
回送されることを可能にする。
【0016】水素貯蔵容量を増加させるために、第2の
貯蔵タンク22bを追加してもよい。このような場合に
は、熱生成器42は、第1の貯蔵タンク22及び第2の
貯蔵タンク22bの間に、これらに隣接して配置される
のが好ましい。一定長さの燃料電池スタック12は、車
両8の後部車軸68と平行なスタック軸66を画定す
る。燃料電池スタック12は、後部車軸68の長さ方向
前方に配置される。ECE10は、スルーダンプトエン
ジンマウント(through damped engine mounts)など、
当該技術分野で知られた態様で車両構造に取り付けるこ
とができる。
【0017】車両8は、少なくとも1つの電気駆動モー
タ72及び組み込まれたコントローラからなる駆動シス
テム70を備える。駆動システム70は、例えば前部車
軸84によって一対の前車輪74に接続されている。そ
の代わりに、図示していないが、駆動モータを、例えば
後部車軸68により一対の後車輪76に作働的に接続し
てもよい。図示しない更なる構成では、前車輪駆動、後
車輪駆動、又は全車輪駆動の車両にパワーを与えるため
駆動システムを使用することができるように、前車輪及
び/又は後車輪の各々において駆動モータを提供する。
【0018】熱管理システム24の放熱器26は、前部
レール車室82の前端部における従来位置に配置された
状態で示されている。その代わりに、放熱器26を、図
3の二点鎖線で示されるように、後部貯蔵空間80の外
側寄りの側に配置してもよい。
【0019】このECEの配置は、乗員車室78を妨害
しない。更に、トータルの車両貯蔵空間は、後部貯蔵空
間80が存在するので維持され、追加の貯蔵空間が前部
レール車室82内で利用可能となる。乗員車室空間及び
トータルの車両貯蔵空間の両方は、顧客にとって重要な
考慮の対象である。
【0020】第2の実施形態に係るECE10の配置
が、図4及び図5に示されている。ここで、ECE10
は、伝統的に内燃エンジンにより占められる空間内にパ
ッケージされる。ECE10は、第1の貯蔵タンク2
2、熱生成器42、空気生成器17及び燃料電池スタッ
ク12から構成され、車両8の前部レール車室82に中
央に配置される。熱生成器42及び第1の貯蔵タンク2
2は、燃料電池スタック12の第1の側に配置され、好
ましくは、長さ方向後方に燃料電池スタック12に近接
して配置される。この配置は、解放された水素が貯蔵タ
ンク22から燃料電池スタック12に容易に回送される
ことを可能とする。空気生成器17は、燃料電池スタッ
ク12の第2の側に配置され、好ましくは、長さ前方に
燃料電池スタック12に近接して配置される。同様に、
この配置は、酸素が燃料電池スタック12に容易に回送
されることを可能にする。
【0021】第2の貯蔵タンク22bがECE10に追
加される場合には、熱生成器42は、第1の貯蔵タンク
22及び第2の貯蔵タンク22bの間に、これらに隣接
して配置されるのが好ましい。燃料電池スタック12
は、車両8の前部車軸と平行に配向されるように車両8
の前部車軸84に平行となる。燃料電池スタック12
は、前部車軸84の長さ方向後方に配置される。ECE
10は、スルーダンプトエンジンマウントなどの当該技
術分野で知られた態様で車両構造に取り付けることがで
きる。
【0022】駆動システム70は、前部車軸84及び後
部車軸68のいずれかに取り付けられ、これは内燃エン
ジンのための駆動システムにおける差動装置(differen
tial)に類似した所望の駆動形態により決定される。電
気駆動モータ72は、エンジンの回転を車輪の回転に変
換する内燃エンジン差動装置(internal combustioneng
ine differential)に取って代わる。
【0023】熱管理システム24の放熱器26は、車両
の放熱器の典型であるように、ECE10に適切な冷却
を提供するため空気生成器17の長さ方向前方に配置さ
れる。一般的な配置が、内燃エンジンに対する従来のレ
イアウトに対応しているので、乗員車室78及び後部貯
蔵空間80のいずれもが妥協されていない。
【0024】図示された配置の隣接する構成要素の近接
部分は、構成要素間の接続の長さを最小化することによ
って全体的な効率を改善し、これは、システムの圧力降
下及び熱損失を最小にする。
【0025】本発明の好ましい実施形態の前述した説明
は、図示して解説するという目的のため与えられた。そ
れは、包括的であることを意図したものではなく、開示
された正確な形態に本発明を限定するものではない。開
示された実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用
途を示すために選択され、これによって、当業者の一人
が、様々な実施形態で本発明を利用し、実施される特定
の使用に適するように様々な変更を加えることができ
る。従って、前述した説明は、例示と考えるべきであ
り、これに限定されるものではなく、本発明の真の範囲
は、請求の範囲内に記載された範囲である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、電気化学的エンジンの概略的な構成図
である。
【図2】図2は、図1のエンジンを具体化した車両の概
略平面図である。
【図3】図3は、図2の概略的な側面図である。
【図4】図4は、図1のエンジンを備える車両の第2実
施形態の概略的平面図である。
【図5】図5は、図4の概略側面図である。
【符号の説明】
8 車両 10 電気化学的エンジン 12 燃料電池スタック 14 個々の燃料電池 16 水素配給ライン 17 空気生成器 18 酸化剤ライン 19 水素排出ライン 20 排出バルブ 21 カソード排出ライン 22 (第1の)貯蔵タンク 22b 第2の貯蔵タンク 24 熱管理システム 26 放熱器 28 冷却剤リザーバー 30 主要冷却剤ポンプ 32 主要冷却剤流体回路 34 冷却剤分配バルブ 36 バイパス冷却剤流れライン 38 導管 40 電気加熱エレメント 42 熱生成器 44 過熱冷却剤ループ 46 バイパスバルブ 48 第2のポンプ 60 後部底下車室 61 後部フレームレール 62 車両床 63 トランク床部 64 トランク床部 65 車両の長さ方向軸 66 スタック軸 68 後部車軸 70 駆動システム 72 電気駆動モータ 74 前車輪 76 後車輪 78 乗員車室 80 後部貯蔵空間 82 前部レール車室 84 前部車軸
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・エイ・ストラットン アメリカ合衆国ニューヨーク州14624,ロ チェスター,チェスナット・ドライブ 93 (72)発明者 ジェームズ・ブイ・マクマニス アメリカ合衆国ニューヨーク州14020,バ タビア,フィッシャー・パーク 22

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 車両の電気化学的エンジンであって、 水素及び酸素が与えられて電気を生成するように作動可
    能な、スタック軸を画定する燃料電池スタックと、酸素
    を前記燃料電池スタックに供給するための空気生成器
    と、解放温度にまで加熱したとき、蓄えられた水素を前
    記燃料電池スタックに解放する水素保有材料を含む第1
    の貯蔵タンクと、を含み、前記電気化学的エンジンは、
    車両床部の下方の車両の後部底下車室内に配置され、前
    記第1の貯蔵タンクは、前記スタック軸の第1の側に、
    前記燃料電池スタックに近接して配置され、前記空気生
    成器は、前記スタック軸の第2の側に、前記燃料電池ス
    タックに近接して配置される、電気化学的エンジン。
  2. 【請求項2】 前記第1の貯蔵タンク内の前記水素保有
    材料のための熱を生成する熱生成器を更に含み、該熱生
    成器及び前記第1の貯蔵タンクは前記燃料電池スタック
    の長さ方向前方に配置され、前記空気生成器は前記燃料
    電池スタックの長さ方向後方に配置されている、請求項
    1に記載の電気化学的エンジン。
  3. 【請求項3】 前記燃料電池の前記スタック軸は、前記
    車両の後部車軸に平行であり、前記燃料電池スタックは
    前記後部車軸の長さ方向前方に配置される、請求項2に
    記載の電気化学的エンジン。
  4. 【請求項4】 第2の貯蔵タンクを更に含み、前記熱生
    成器は、前記第1の貯蔵タンク及び前記第2の貯蔵タン
    クの間に、これらのタンクに隣接して配置される、請求
    項2に記載の電気化学的エンジン。
  5. 【請求項5】 前記燃料電池スタックを冷却するため、
    前記車両床部の上方の後部貯蔵空間の外側寄りの側に放
    熱器を更に含む、請求項2に記載の電気化学的エンジ
    ン。
  6. 【請求項6】 車両の電気化学的エンジンであって、 水素及び酸素が与えられて電気を生成するように作動可
    能な、スタック軸を画定する燃料電池スタックと、酸素
    を前記燃料電池スタックに供給するための空気生成器
    と、解放温度にまで加熱したとき、蓄えられた水素を前
    記燃料電池スタックに解放する水素保有材料を含む第1
    の貯蔵タンクと、を含み、前記電気化学的エンジンは、
    前記車両の前部レール車室内に配置され、前記第1の貯
    蔵タンクは、前記スタック軸の第1の側に、前記燃料電
    池スタックに近接して配置され、前記空気生成器は、前
    記スタック軸の第2の側に、前記燃料電池スタックに近
    接して配置される、電気化学的エンジン。
  7. 【請求項7】 前記第1の貯蔵タンク内の前記水素保有
    材料のための熱を生成する熱生成器を更に含み、該熱生
    成器及び前記第1の貯蔵タンクは前記燃料電池スタック
    の長さ方向後方に配置され、前記空気生成器は前記燃料
    電池スタックの長さ方向前方に配置されている、請求項
    6に記載の電気化学的エンジン。
  8. 【請求項8】 前記スタック軸は、前記燃料電池が前記
    車両の前部車軸に平行に配向されるように該前部車軸に
    平行であり、前記燃料電池スタックは前記前部車軸の長
    さ方向後方に配置される、請求項7に記載の電気化学的
    エンジン。
  9. 【請求項9】 第2の貯蔵タンクを更に含み、前記熱生
    成器は、前記第1の貯蔵タンク及び前記第2の貯蔵タン
    クの間に、これらのタンクに隣接して配置される、請求
    項7に記載の電気化学的エンジン。
  10. 【請求項10】 前記燃料電池スタックを冷却するた
    め、前記空気生成器の長さ方向前方に配置された放熱器
    を更に含む、請求項7に記載の電気化学的エンジン。
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