JP2005102470A - 燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素ガス充填機を設けた水素ガス充填所の数が少ない現状において、水素ガスの補充を容易として、水素ガス不足による走行不能が防止できる燃料電池自動車を提供する。
【解決手段】 水素ガスを蓄える水素ボンベ（２）と、該水素ボンベ（２）に並列に設けられた補助水素貯蔵手段（７または４１）と、水素ボンベ（２、７）内の水素ガスを燃料として発電する燃料電池（３）と、該燃料電池（３）で発電された電力が供給されて走行輪（１８）を駆動するモータ（４）と、前記燃料電池（３）で発電された余剰電力を蓄電するバッテリー（５）と、前記各機器を制御する制御装置（６）が搭載されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、石油の枯渇及び公害問題から実用化されつつある燃料電池自動車に関する。

石油の枯渇及び公害問題から、水素ガスを燃料として燃料電池で発電し、燃料電池で発電された電力でモータを駆動して走行する燃料電池自動車が実用化されつつある。この燃料電池自動車の燃料となる水素ガスは引火性が高く、水素ガスの搭載量を多くして走行距離を伸ばすために高圧の水素ガスを水素ボンベに充填している。このために、水素ガス充填機は高価であり、水素ガス充填所の開設工事費も嵩むものである。しかも、水素ガスを燃料とする燃料電池自動車の普及台数は、現段階では少なく、水素ガス充填機を設けた水素ガス充填所の数も少なく、水素ガス充填所が各地に開設されるまでに相当の年月を要することになる。他方、水素ガスを充填したサブ水素ボンベは工場で安価に大量生産でき、取扱いも安全で容易であるので、ガソリン給油所等で販売できる。また、水素ガス充填機に比べて充電機は安価であるので、ガソリン給油所及び駐車場等に充電機を設置して充電所とすることが容易である。

本発明が解決しようとする問題点は、水素ガス充填機を設けた水素ガス充填所の数が少ない現状において、水素ガスの補充を容易として、水素ガス不足による走行不能が防止できる燃料電池自動車を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池自動車（１）には、水素ガスを蓄える水素ボンベ（２）と、該水素ボンベ（２）に並列に設けられた予備水素貯蔵手段（７または４１）と、水素ボンベ（２、７）内の水素ガスを燃料として発電する燃料電池（３）と、該燃料電池（３）で発電された電力が供給されて走行輪（１８）を駆動するモータ（４）と、前記燃料電池（３）で発電された余剰電力を蓄電するバッテリー（５）と、前記各機器を制御する制御装置（６）が搭載されている。

そして、前記水素ボンベ（２）には水素ガスの充填口（１２）が設けられ、前記バッテリー（５）には電力の充電コネクタ（２０）が設けられている。

また、前記充填口（１２）は充填弁（１１）を介して水素ボンベ（２）に接続され、前記制御装置（６）は水素ガス充填機（３２）の充填信号に基づいて充填弁（１１）を開閉するようになっている。

さらに、前記充電コネクタ（２０）はゲート（１９）を介してバッテリー（５）に接続され、前記制御装置（６）は充電機（３５）の充電信号に基づいてゲート（１９）を開閉するようになっている。

そして、前記水素ボンベ（２）及び予備水素貯蔵手段（７または４１）内の圧力を検知する圧力センサ（１０ａ、１０ｂ）が設けられ、前記制御装置（６）は水素ボンベ（２）の圧力低下信号を圧力センサ（１０ａ）から受けて予備水素貯蔵手段（７または４１）内の水素ガスを前記燃料電池（３）へ供給し、予備水素貯蔵手段（７または４１）の圧力低下信号を圧力センサ（１０ｂ）から受けて前記モータ（４）の駆動電力を燃料電池（３）からバッテリー（５）の電力に切替えるようになっている。

前記予備水素貯蔵手段は着脱自在に設けられたサブ水素タンク（７）である。

または、前記予備水素貯蔵手段は水素吸蔵合金（４１）である。

また、前記バッテリー（５）に並列にサブバッテリー（２５）が着脱自在に設けられている。

本発明は、以下に示す作用効果を奏する。
（１） 本発明の燃料電池自動車は、水素ボンベが空になった場合は近くの水素ガス充填所で充填して走行することができる。そして、近くに水素ガス充填所がない場合は、予備水素貯蔵手段の水素ガスで走行できる。さらに、予備水素貯蔵手段がサブ水素ボンベであれば、予備のサブ水素ボンベと交換して走行することができる。
（２） 予備水素貯蔵手段も空になった場合は、バッテリーの電力で走行できるので、水素ガス充填所もサブ水素ボンベの販売所もない場所で走行不能となった場合に対応することができる。
（３） 水素ボンベへの水素ガスの充填は制御装置によって制御されるので、引火性が高く高圧の危険な水素ガスを安全に充填することができる。
（４） バッテリーへの電力の充電は制御装置によって制御されるので、大容量の電力を安全に充電できる。
（５） 水素ボンベ内の水素ガスがなくなると自動的にバッテリーの電力で走行するので、走行性がよい燃料電池自動車となる。
（６） サブバッテリーが着脱自在に設けられているので、バッテリーの電力がなくなった場合はサブバッテリーを交換することにより、水素ガス充填所も充電所もない場所で走行不能となった場合に対応することができる。
（７） 予備水素貯蔵手段として水素吸蔵合金を使用した場合、水素ボンベと水素吸蔵合金との間に水素吸蔵合金の最大圧力に設定した減圧弁を介装すれば、水素充填時に自動的に水素吸蔵合金へ充填することができる。

図１は、本発明の燃料電池自動車の全体を示す模式図、図２は、水素ガス充填機で燃料電池自動車へ水素ガスを充填している状態の正面図、図３は、充電機で燃料電池自動車へ電力を充電している状態の正面図である。

燃料電池自動車１には、水素ガスを蓄える水素ボンベ２と、水素ボンベ２内の水素ガスを燃料として発電する燃料電池３と、燃料電池３で発電された電力で駆動されるモータ４と、燃料電池３で発電された余剰電力を蓄電するバッテリー５と、各機器を制御する制御装置６とが搭載されている。

また、水素ボンベ２と並列に予備水素貯蔵手段として着脱自在のサブ水素ボンベ７が設けられ、この予備のサブ水素ボンベ７ａは、トランク９等に積まれている。なお、サブ水素ボンベ７ａは工場で安価に大量生産でき、取扱いも安全で容易であるので、ガソリン給油所等で販売されることになる。

水素ボンベ２は、水素ガスを３５０気圧程度の高圧で蓄え、水素ボンベ２内の圧力を検知する圧力センサ１０ａの圧力信号は制御装置６へ送られる。そして、水素ボンベ２には充填弁１１を介して充填口１２が設けられ、充填弁１１は制御装置６の信号により開閉するようになっている。

図２に示すように、水素ガス充填所３１の水素ガス充填機３２の充填ノズル３３を接続したことを検知する接続センサ１３が充填口１２に設けられ、接続センサ１３の接続信号は制御装置６へ送られるようになっている。

サブ水素ボンベ７は、水素ガスを１００気圧程度の中圧で蓄え、サブ水素ボンベ７内の圧力は圧力センサ１０ｂで検知され、圧力信号は制御装置６へ送られるようになっている。

燃料電池３と水素ボンベ２とは配管１４で接続され、配管１４には開閉弁１５が介装されている。また、燃料電池３とサブ水素ボンベ７とは配管１４の分岐管１６で接続され、分岐管１６には開閉弁１７が介装されている。そして、燃料電池３は、水素ボンベ２またはサブ水素ボンベ７から送られてくる水素ガスを燃料として発電し、発電した電力は制御装置６を介してモータ４及びバッテリー５へ送られるようになっている。

モータ４は、燃料電池３で発電された電力で駆動され、走行輪１８を駆動して燃料電池自動車１が走行する。そして、水素ボンベ２及びサブ水素ボンベ７内の水素ガスがなくなったときには、バッテリー５の電力でモータ４を駆動するようになっている。

バッテリー５は、燃料電池３で発電された余剰電力を蓄電し、蓄電した電力は制御装置６を介してモータ４へ送られるようになっている。また、バッテリー５にはゲート１９を介して充電コネクタ２０が設けられ、ゲート１９は制御装置６の信号により開閉するようになっている。

図３に示すように、電力充電所３４の充電機３５の充電コネクタ３６を接続したことを検知する接続センサ２１が充電コネクタ２０に設けられ、接続センサ２１の接続信号は制御装置６へ送られるようになっている。

制御装置６は、運転者が操作するアクセル２２からのアクセル信号を受け、アクセル信号に応じた電力を燃料電池３からモータ４へ送り、燃料電池３で発電された余剰電力はバッテリー５に送って蓄電する。そして、制御装置６は、圧力センサ１０ａの圧力低下信号を受けて開閉弁１５を閉じて開閉弁１７を開き、水素ガスの供給を水素ボンベ２からサブ水素ボンベ７に切替え、報知器２３を作動して水素ボンベ２が空になったことを知らせるようになっている。

さらに、制御装置６は、圧力センサ１０ｂの圧力低下信号を受けて開閉弁１７を閉じ、モータ４の駆動電力を燃料電池３からバッテリー５へ切替え、報知器２３を作動してサブ水素ボンベ７が空になったことを知らせる。そして、バッテリー５の蓄電量が低下した場合は、報知器２３を作動して知らせるようになっている。

また、制御装置６は、水素ガス充填機３２から発信される充填信号を送受信器２４で受け、水素ガス充填機３２の充填ノズル３３を充填口１２に接続したときのオン信号を接続センサ１３から受け、両信号に基づいて充填弁１１を開いて水素ガスの充填を受ける。そして、水素ガスの充填後に、充填データを送受信器２４から発信するようになっている。

さらに、制御装置６は、充電機３５から発信される充電信号を送受信器２４で受け、そして充電機３５の充電コネクタ３６を充電コネクタ２０に接続したときのオン信号を接続センサ２１から受け、両信号に基づいてゲート１９を開いて充電を受ける。そして、電力の充電後に、充電データを送受信器２４から発信するようになっている。

なお、送受信器２４としては、有料道路等で実施されている無線式自動精算のシステムを利用することができる。このシステムを利用することにより、無接触でデータの授受ができ、料金の精算がスムーズにおこなえるようになる。

次に図４のフロー図に基づいて、燃料電池自動車１の走行の態様を説明する。
燃料電池自動車１は、水素ボンベ２内の水素ガスを燃料として燃料電池３で発電し、発電された電力でモータ４を駆動して走行する。

走行中に水素ボンベ２内の水素ガスの残量が少なくなり、圧力センサ１０ａから圧力低下信号を受けると（ＳＴ１）、制御装置６は開閉弁１５を閉じかつ開閉弁１７を開き、報知器２３を作動する（ＳＴ２）。このようにして、水素ボンベ２が空になった場合は、燃料電池３への水素ガスの供給が水素ボンベ２からサブ水素ボンベ７に切替えられ、報知器２３が作動して水素ボンベ２が空になったことを知らせる。

さらに走行してサブ水素ボンベ７内の水素ガスの残量が少なくなり、圧力センサ１０ｂの圧力低下信号を受けると（ＳＴ３）、制御装置６は開閉弁１７を閉じ、モータ４の駆動電力を燃料電池３からバッテリー５に切替え、報知器２３を作動する（ＳＴ４）。このようにして、サブ水素ボンベ７が空になった場合は、モータ４の駆動電力が燃料電池３からバッテリー５に切替えられ、報知器２３が作動してサブ水素ボンベ７が空になったことを知らせる。

さらに走行してバッテリー５の蓄電量が低下すると（ＳＴ５）、報知器２３を作動して運転者へ知らせる（ＳＴ６）。このようにして、バッテリー５の蓄電量が低下した場合は、報知器２３の作動により走行できなくなることを知らせる。

ステップＳＴ２の報知器２３の作動により、運転者は水素ボンベ２が空になったことを知り、最寄りの水素ガス充填所３１で水素ガスの充填を受けることになる。また、ステップＳＴ４の報知器２３の作動により、運転者はサブ水素ボンベ７が空になったことを知り、安全な所に停車してサブ水素ボンベ７を予備のサブ水素ボンベ７ａと交換することになる。

なお、サブ水素ボンベ７及びバッテリー５では短距離だけの走行となるので、最寄りの水素ガス充填所３１で水素ガスの充填を受けるか、電力充電所３４で電力の充電を受けることになる。

次に図５のフロー図に基づいて、燃料電池自動車１への水素ガスの充填の態様を説明する。
水素ガス充填所３１において、水素ガス充填機３２の充填エリアに燃料電池自動車１を停車し、水素ガス充填機３２の充填ノズル３３を充填口１２へ接続すると、水素ガス充填機３２から充填信号が発信され、接続センサ１３からオン信号が出力される。

送受信器２４を介して水素ガスの充填信号を受信し（ＳＴ１１）、接続センサ１３からオン信号を受け（ＳＴ１２）、制御装置６は充填弁１１へ開弁信号を出力し（ＳＴ１３）、充填弁１１が開いて水素ガスの充填が開始される。水素ガスの充填が終わり充填ノズル３３を充填口１２から外し、接続センサ１３からオフ信号を入力すると（ＳＴ１４）、制御装置６は充填弁１１へ閉弁信号を出力し、水素ガスの充填データを送受信器２４から出力する（ＳＴ１５）。この充填データを受けた水素ガス充填所３１のＰＯＳは充填伝票を発行し、充填料金が精算されて水素ガスの充填作業が終わる。なお、充填料金の精算は銀行決済とすることにより、精算がスムーズとなる。

次に図６のフロー図に基づいて、燃料電池自動車１への電力の充電の態様を説明する。
電力充電所３４において、充電機３５の充電エリアに燃料電池自動車１を停車し、充電機３５の充電コネクタ３６を充電コネクタ２０へ接続すると、充電機３５から充電信号が発信され、接続センサ２１からオン信号が出力される。

送受信器２４を介して電力の充電信号を受信し（ＳＴ２１）、接続センサ２１からオン信号を受け（ＳＴ２２）、制御装置６はゲート１９へ開信号を出力し（ＳＴ２３）、ゲート１９が開いて充電が開始される。充電が終わり充電コネクタ３６を充電コネクタ２０から外し、接続センサ２１からオフ信号を入力すると（ＳＴ２４）、制御装置６はゲート１９へ閉信号を出力し、電力の充電データを送受信器２４から出力する（ＳＴ２５）。この充電データを受けた電力充電所３４のＰＯＳは充電伝票を発行し、充電料金が精算されて電力の充電作業が終わる。なお、充電料金の精算は銀行決済とすることにより、精算がスムーズとなる。

図７は、本発明の燃料電池自動車の他の実施の形態を示す模式図である。
この実施の形態では、バッテリー５と並列にサブバッテリー２５が着脱自在に設けられている。このサブバッテリー２５は、バッテリー５の電力が消費された場合に使用されるもので、モータ４を駆動して燃料電池自動車１を短距離の間走行することができる能力を有するものである。なお、予備のサブバッテリー２５ａをトランク９等に入れておけば、サブバッテリー２５の電力も消費されたときに交換して走行できるので、水素ガス充填所も電力充電所もない場所でも対応することができる。その他は、上述した機器と同様の働きをするので、同一符号を付して説明は省略する。

図８は、本発明の燃料電池自動車のさらに他の実施の形態を示す模式図である。
この実施の形態では、予備水素貯蔵手段として水素吸蔵合金４１が備えられている。そして、水素ボンベ２および予備水素貯蔵手段としての水素吸蔵合金４１から燃料電池３への配管（１４、１６）関係は前記実施の形態と基本的には同様であるが、前例が配管１４および分岐管１６のそれぞれに開閉弁１５、１７を介装しているのに対し三方弁４２によって切替えており、また、水素ボンベ２から水素吸蔵合金４１へ、減圧弁４３を介装した配管４４が設けられている。

すなわち、この実施の形態においては、通常走行時には、三方弁４２は水素ボンベ２から燃料電池３へ連通し、水素ボンベ２内の圧力低下が検知されると、三方弁４２は、水素吸蔵合金４１から燃料電池３へ連通するように切替えられる。
また、水素ボンベ２と水素吸蔵合金４１との間の減圧弁４３は、水素吸蔵合金４１の最大圧力に設定されており、水素充填時には、三方弁４２は閉じられ、そして、水素吸蔵合金４１側が前記最大圧力以下の場合に減圧弁４３を介して充填が行われる。なお、報知器の設定は、前例と同様であり、また、その他の各機器も同様の働きをし、ここでは同一符号を付して説明は省略する。

本発明の燃料電池自動車の全体を示す模式図。 燃料電池自動車へ水素ガスを充填している状態の正面図。 燃料電池自動車へ電力を充電している状態の正面図。 燃料電池自動車の走行の態様を説明するフロー図。 燃料電池自動車へ水素ガスを充填する態様を説明するフロー図。 燃料電池自動車へ電力を充電する態様を説明するフロー図。 燃料電池自動車の他の実施の形態を示す模式図。 燃料電池自動車のさらに他の実施の形態を示す模式図。

符号の説明

１・・・燃料電池自動車
２・・・水素ボンベ
３・・・燃料電池
４・・・モータ
５・・・バッテリー
６・・・制御装置
７、７ａ・・・サブ水素ボンベ
９・・・トランク
１０ａ、１０ｂ・・・圧力センサ
１１・・・充填弁
１２・・・充填口
１３・・・接続センサ
１４・・・配管
１５、１７・・・開閉弁
１６・・・分岐管
１８・・・走行輪
１９・・・ゲート
２０・・・充電コネクタ
２１・・・接続センサ
２２・・・アクセル
２３・・・報知器
２４・・・送受信器
２５、２５ａ・・・サブバッテリー
３１・・・水素ガス充填所
３２・・・水素ガス充填機
３３・・・充填ノズル
３４・・・電力充電所
３５・・・充電機
３６・・・充電コネクタ
４１・・・水素吸蔵合金
４２・・・三方弁
４３・・・減圧弁
４４・・・配管

Claims (8)

1. 水素ガスを蓄える水素ボンベと、該水素ボンベに並列に設けられた予備水素貯蔵手段と、水素ボンベ内の水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、該燃料電池で発電された電力が供給されて走行輪を駆動するモータと、前記燃料電池で発電された余剰電力を蓄電するバッテリーと、前記各機器を制御する制御装置とが搭載されていることを特徴とする燃料電池自動車。
2. 前記水素ボンベには水素ガスの充填口が設けられ、前記バッテリーには電力の充電コネクタが設けられている請求項１に記載の燃料電池自動車。
3. 前記充填口は充填弁を介して水素ボンベに接続され、前記制御装置は水素ガス充填機の充填信号に基づいて充填弁を開閉する請求項１又は２に記載の燃料電池自動車。
4. 前記充電コネクタはゲートを介してバッテリーに接続され、前記制御装置は充電機の充電信号に基づいてゲートを開閉する請求項２又は３に記載の燃料電池自動車。
5. 前記水素ボンベ及び予備水素貯蔵手段内の圧力を検知する圧力センサが設けられ、前記制御装置は水素ボンベの圧力低下信号を圧力センサから受けて予備水素貯蔵手段内の水素ガスを前記燃料電池へ供給し、予備水素貯蔵手段の圧力低下信号を圧力センサから受けて前記モータの駆動電力を燃料電池からバッテリーの電力に切替える請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池自動車。
6. 前記予備水素貯蔵手段は着脱自在に設けられたサブ水素タンクである請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池自動車。
7. 前記予備水素貯蔵手段が水素吸蔵合金である請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池自動車。
8. 前記バッテリーに並列にサブバッテリーが着脱自在に設けられている請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池自動車。

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