JP2010125918A - 小型電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両本体に燃料電池と、水素燃料を貯蔵する水素ボンベと、水素ボンベから放出された水素燃料を燃料電池に供給する管路とからなる燃料電池システムを備え、燃料電池を走行用の駆動電源とした小型電動車両において、水素ボンベからの水素の放出を効率的に行う。
【解決手段】車両本体１１の後方に設けた運転シート１２の下方に、外部に対して閉鎖するトランク室１３を設け、トランク室１３は燃料電池システム２１を収納可能とされ、外気を燃料電池２２周囲の空間に導く冷却ファン１４を有する。冷却ファン１４によりトランク室１３内に導入された空気が燃料電池２２と熱交換されて温められる。温められた空気の熱によって水素ボンベ２３が温められるので、水素ボンベ２３からの水素の放出を効率良く行うことができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両本体の運転シートの下方に燃料電池システムを備え、その燃料電池システムの燃料電池を駆動電源とした小型電動車両に関する。

身障者の電動車いすや高齢者の電動カートなどの小型電動車両の駆動電源として、燃料電池システムが採用されつつある。この燃料電池システムを採用した小型電動車両は、車両本体の運転シートの下方に燃料電池システムを備え、その燃料電池システムの燃料電池を駆動電源としたものである。

この燃料電池システムは、燃料電池と、水素燃料を貯蔵、放出する水素ボンベと、水素ボンベから放出された水素燃料を燃料電池に供給する管路とからなる。この燃料電池は、水素ボンベから供給される水素燃料と大気中の酸素との電気化学反応を利用して発電するものであるが、発電時に燃料電池の温度が上昇する。

燃料電池の温度が上昇すると、電気化学反応の反応率（発電効率）が低下するため、従来から、燃料電池システムの燃料電池を冷却しながら発電させる技術が提案されている。

この技術は、燃料電池システムを備えた車両に搭載される動力源冷却装置に適用され、燃料電池システムの燃料電池の冷却水が循環する冷却水流路にバイパス流路を設け、このバイパス流路を循環する冷却水と、断熱膨張弁により断熱膨張して低温になった水素燃料との間で熱交換を行う熱交換器が設けられたものである（特許文献１ 図１参照）。
特開２００６−７３４０４号公報

この動力源冷却装置は、バイパス流路を循環し水素燃料により冷却された冷却水により燃料電池が冷却されて、燃料電池の温度上昇を抑制することができる。

ところで、燃料電池システムによる発電時に供給される水素は、水素ボンベに内蔵される水素吸蔵材料に貯蔵される。水素吸蔵材料は吸熱反応によって水素を放出するため、その放出に伴って、水素吸蔵材料およびこれを内蔵する水素ボンベの温度が低下する。

ところが、特許文献１に記載の技術は、燃料電池の冷却を目的としたものであり、水素ボンベの温度低下に対して考慮がなされていない。このため、この特許文献１に記載の技術を、燃料電池システムを備えた小型電動車両に適用した場合、水素ボンベの温度低下によっていわゆるプラトー圧が低下し、水素ボンベ内の水素を十分に放出させることが難しい。

そこで、水素の放出に伴う水素ボンベの温度低下に対応した燃料電池システムを備えた電動車いすである小型電動車両が提案されている。この小型電動車両は、車両本体の座面部下に燃料電池を設けるとともに、背もたれ部の背面に水素吸蔵材料を内蔵した水素ボンベ（燃料ボンベ）を設け、発電中、燃料電池により温められた座面部下の空気を水素ボンベに誘導する気体誘導部を備えたものである（特許文献２ 図１参照）。

この小型電動車両では、運転中、燃料電池により温められた空気は、気体誘導部によって水素ボンベに誘導され、その熱で水素ボンベを温めるので、温度低下による水素の放出量の低下を防止することができる。
特開２００７−４５３０１号公報

しかし、特許文献２に記載の小型電動車両では、燃料電池により温められた空気が、気体誘導部により露出した水素ボンベに誘導されるので、大気中に拡散してしまう（特許文献２ 図２、図３参照）。そのため、水素ボンベとの熱交換効率が低くなり、水素ボンベを効率良く温めることが難しく、水素ボンベから水素を十分に放出させることが難しい。

そこで、この発明は、水素吸蔵材料を内蔵する水素ボンベからの水素の放出を効率的に行うことを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明の小型電動車両は、車両本体に燃料電池と、水素燃料を貯蔵する水素ボンベと、前記水素ボンベから放出された水素燃料を前記燃料電池に供給する管路とからなる燃料電池システムを備え、前記燃料電池を走行用の駆動電源とした小型電動車両において、前記車両本体に、外部に対して閉鎖するトランク室を設け、前記トランク室は、その内部に前記燃料電池システムを備え、前記燃料電池周囲の空間に外気を導く冷却ファンを有するものとしたのである。

このようにすると、トランク室内の燃料電池と、冷却ファンによりトランク室内に導入された空気が熱交換されて、トランク室内の空気が温められ、温められた空気の熱によって水素ボンベが温められる。温められた空気は、特許文献２に記載の場合のように、大気中に拡散せず、トランク室内で水素ボンベと熱交換して水素ボンベを温めるので、水素ボンベからの水素の放出を効率良く行うことができる。

前記トランク室内において、前記トランク室内に前記燃料電池周囲の空間と前記水素ボンベ周囲の空間とを結ぶ通路を設け、その通路に前記冷却ファンにより導入される外気を前記燃料電池周囲の空間から前記水素ボンベ周囲の空間に誘導するようにすると、さらに、効率的に、水素ボンベを温めることができる。

また、前記燃料電池の温度を検知する温度センサを備え、前記温度センサの検知する燃料電池温度が予め定めた第１設定温度以上となったとき、前記冷却ファンを第１回転数で運転させ、前記燃料電池温度が前記第１設定温度未満となったとき、前記冷却ファンの回転を停止させ、かつ、前記燃料電池温度が前記第１設定温度よりも高温の第２設定温度以上となったとき、前記冷却ファンを前記第１回転数よりも高い第２回転数で運転させる制御部を有する構成を採用することができる。

このようにすると、温度センサの検知する燃料電池温度が、予め定められた第１設定温度未満であるとき、冷却ファンの回転を停止させることで、燃料電池の冷却が行われず、発電によって燃料電池の温度上昇が許容され、燃料電池温度が上昇する。

燃料電池温度が上昇し、第１設定温度を超えたときには、冷却ファンを第１回転数で運転させることで、燃料電池と外気との熱交換が行われ、燃料電池が冷却（空冷）される。この冷却によって、燃料電池温度が低下して、第１設定温度未満となったときには、冷却ファンの回転を停止させる。

このような制御を繰り返すことで、第１設定温度を基準として、上下に所要の温度幅をもった温度範囲内となるように燃料電池温度が制御され、小型電動車両の運転に適した十分な発電が行われる。

さらに、冷却ファンの運転により、燃料電池と外気との熱交換が効率良く行われるので、燃料電池により温められた空気の熱で水素ボンベが温められて、水素燃料の供給が安定して行われる。

一方、小型電動車両が坂道を登る場合、あるいは、長時間走行する場合など高い発電量が必要な場合では、発電による燃料電池での発熱量が大きくなる。その結果、燃料電池温度が前述の第１設定温度を基準とした前記の温度範囲を超え、第２設定温度以上になると、制御部が冷却ファンを第１回転数よりも高い第２回転数で運転させる。

より高い回転数である第２回転数で冷却ファンが運転するので、燃料電池と外気との熱交換量がさらに増大し、燃料電池に対する冷却能力が高まる。このため、燃料電池が効果的に冷却され、燃料電池温度が低下して第２設定温度未満となり、冷却ファンの運転が第１回転数での運転に移行する。このように制御部は、第１設定温度のみならず、第２設定温度を基準とした制御も行うことができる。

ここで、第１設定温度は、小型電動車両の運転に適した十分な発電を燃料電池により行うことができる温度であり、第２設定温度は、それ以上の温度に長時間保持されると燃料電池の発電効率に影響を及ぼす温度であり、燃料電池システムでの発電能力、燃料電池、車両内部の熱容量、外気温など、実験、実操業等に基づいて設定される。

また、冷却ファンの第１回転数は、小型電動車両の通常運転において、燃料電池温度を低下させる程度の回転数であり、例えば、ファンの特性によって定まる最低回転数である。また、第２回転数は、その回転数で冷却ファンが運転された場合、燃料電池温度を第２設定温度未満に低下させる程度の回転数であればよく、例えば、ファンの特性によって定まる最大回転数である。

また、水素ボンベの内圧が上昇して、水素ボンベに過大な負荷がかかることを防止するために、前記トランク室に、その内部の空気を外部に排出する排気ファンを設け、前記管路に前記水素ボンベの内圧を検知する圧力計を設け、前記制御部は、その圧力センサの検知する内圧が所定内圧以上となったとき、前記排気ファンを運転して、前記トランク室内の空気を排出させるようにすることができる。

このようにすると、排気ファンがトランク室内の空気を排出して水素ボンベと温められた空気との熱交換効率を低下させ、水素ボンベの温度を低下させて、内圧を低下させる。

ここで、所定内圧は、水素ボンベの温度上昇に伴って内圧が上昇した際、それ以上内圧が上昇すれば水素ボンベの安全弁が作動する内圧であり、この内圧は法律により定められている。

トランク室内の水素ボンベの取り付け、取り外しを容易にするために、前記水素ボンベは、前記トランク室内に設けたボンベケースに着脱可能に保持され、前記トランク室は、その内部に前記水素ボンベを出し入れ可能とする開閉するカバーを備えた構成としてもよい。

以上のように、この発明の小型電動車両は、外部に対して閉鎖され燃料電池システムを備えたトランク室に冷却ファンを設け、冷却ファンによりトランク室内に導入された空気を燃料電池との熱交換で温め、温められた空気によって水素ボンベを温めるようにしたので、水素ボンベからの水素の放出を効率良く行うことができる。

この発明の小型電動車両の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。
この小型電動車両は、図１に示すように、小型の電動カート型電動車両本体１１（以下、車両本体１１と略す。）と、この車両本体１１の運転シート１２の下方に設けられた燃料電池システム２１とを備える。

運転シート１２の下方にはトランク室１３が設けられ、そのトランク室１３は、外部に対して閉鎖し、その内部に燃料電池システム２１を備えている。トランク室１３には、外気をトランク室１３内に導入する冷却ファン１４と、トランク室１３内の空気をトランク室１３外に排出する排気ファン１５が設けられている。
ここで、閉鎖とは、トランク室１３内に導入した外気が滞留する程度に仕切られていることをいい、必ずしも密閉されることを要しない。

トランク室１３の後方には、開閉するカバー１６が設けられ、カバー１６を開けてトランク室１３内に、燃料電池システム２１の水素ボンベ２３を取り付けたり、取り外したりして交換することができる。

トランク室１３内の燃料電池システム２１は、燃料電池２２（燃料電池スタック）と、水素燃料を貯蔵、放出する水素ボンベ２３と、水素ボンベ２３から放出された水素燃料を燃料電池２２に供給する管路２４とからなる。水素ボンベ２３から供給された水素燃料と大気中の酸素とを燃料電池２２において電気化学反応させることにより発電し、この燃料電池２２を走行用の駆動電源としている。

燃料電池２２は、トランク室１３内の冷却ファン１４の近傍に配置され、その冷却ファン１４の運転により、トランク室１３内に導入された外気（空気）に接触する。さらに燃料電池２２には、その温度（燃料電池温度）ｔを検知する温度センサ２７を備えている。

水素ボンベ２３は、水素吸蔵材料が内蔵され、水素吸蔵材料により水素燃料を吸蔵（貯蔵）、放出可能であり、トランク室１３内に設けられたボンベケース２５に着脱可能に収納される。ボンベケース２５に水素ボンベ２３を装着したとき、水素ボンベ２３の先端部が管路２４に接続され、燃料電池２２に水素燃料が供給される。管路２４には水素ボンベ２３の内圧を検知する圧力センサ２８が設けられている。

トランク室１３内において、燃料電池２２周囲の空間と水素ボンベケース２５周囲の空間とを結ぶ通路２６が設けられており、この通路２６によって、冷却ファン１４の運転により導入される外気（空気ａ）を燃料電池２２周囲の空間を経て水素ボンベケース２５内の水素ボンベ２３の周囲の空間に誘導する（図１中矢印ａ参照）。

排気ファン１５は、トランク室１３の水素ボンベケース２５近傍に設けられ、水素ボンベ２３に誘導した空気ａを排気ファン１５の運転により、トランク室１３外に排出する。

冷却ファン１４の運転により、外気をトランク室１３内に導入し、導入された空気ａは、燃料電池２２と水素ボンベ２３に接触し、燃料電池２２と熱交換するとともに、水素ボンベ２３とも熱交換する。このとき、温度センサ２７および圧力センサ２８により燃料電池温度ｔおよび内圧ｐを検知する。

この燃料電池温度ｔおよび内圧ｐに基づいて制御部３１は、冷却ファン１４、排気ファン１５の運転を制御し、燃料電池２２における反応率と水素ボンベ２３による水素燃料の放出量を維持させる。

この制御部３１による、具体的な制御について図２の制御ブロック図、図７のタイミングチャートに基づいて説明する。
小型電動車両は、図２に示す制御部３１（ＥＰＵ：電子制御ユニット）を備え、制御部３１は、内部メモリに小型電動車両の運転全般を制御する制御機能を有するプログラムを記憶し、燃料電池温度ｔを検知する温度センサ２７からの検知信号、および水素ボンベ２３の内圧ｐを検知する圧力センサ２８からの検知信号を受信する。

制御部３１は、冷却ファン１４を駆動する冷却ファンモータ駆動部３２、および排気ファン１５を駆動する排気ファンモータ駆動部３３に接続し、温度センサ２７、および圧力センサ２８からの検知信号に基づいて、冷却ファン１４、排気ファン１５のモータの回転数を制御する。

制御部３１は、温度センサ２７により検知した燃料電池温度ｔを検知信号として受信し、この燃料電池温度ｔが予め定めた第１設定温度Ｔｍｉｎ以上であるか否かを判断する。ここで、第１設定温度Ｔｍｉｎは、燃料電池システム２１での発電能力、燃料電池２２、外気温などに基づいて設定される。

燃料電池温度ｔが第１設定温度Ｔｍｉｎ未満である場合、制御部３１は冷却ファンモータ駆動部３２に制御信号を送信し、冷却ファン１４の運転を停止させる。冷却ファン１４の運転が停止しているので、図３に示すように、燃料電池２２の外気による冷却が行われず、燃料電池２２の発電による温度上昇が許容され、燃料電池温度ｔが上昇する。

燃料電池温度ｔが上昇して第１設定温度Ｔｍｉｎ以上となると、制御部３１は、冷却ファンモータ駆動部３２に制御信号を送信して冷却ファン１４を予め定めた第１回転数で運転させる。ここで、第１回転数は、小型電動車両の通常運転において、燃料電池温度を低下させる程度の回転数であり、例えば、冷却ファン１４の特性によって定まる最低回転数である。

この冷却ファン１４の運転により、燃料電池２２と外気との熱交換が行われ、燃料電池２２を冷却（空冷）する。この冷却によって、燃料電池温度ｔが低下して、第１設定温度Ｔｍｉｎ未満となったときには、制御部３１は、冷却ファン１４の回転を停止させる。

また、燃料電池２２の冷却によって、図４に示すように、燃料電池２２との熱交換により温められた空気ａが、トランク室１３内に溜まり、その空気ａの熱で水素ボンベ２３が温められ、水素燃料を安定して放出する。

このような制御を繰り返すことにより、燃料電池温度ｔが第１設定温度Ｔｍｉｎを基準として上下に所要の温度幅をもった設定温度範囲内となるように制御され、小型電動車両の運転に適した十分な発電が行われる（図７中の左側部分参照）。

一方、冷却ファン１４が第１回転数で運転される状態において、小型電動車両が坂道を登る場合、あるいは、長時間走行する場合など高い発電量が必要な場合では、発電による燃料電池２２での発熱量が大きくなる。その結果、燃料電池温度ｔが前述の第１設定温度Ｔｍｉｎを基準とした前記の温度範囲を超え、第２設定温度Ｔｍａｘ以上になると、制御部３１が冷却ファン１４を第１回転数よりも高い第２回転数で運転させる（図７中の右側部分参照）。

より高い回転数である第２回転数で冷却ファン１４が運転するので、図５に示すように、燃料電池２２と外気との熱交換量が増大し、燃料電池２２に対する冷却（空冷）が促進される。このため、燃料電池２２が効果的に冷却され、燃料電池温度ｔが低下して第２設定温度Ｔｍａｘ未満となり、冷却ファン１４の運転が第１回転数での運転に移行する。

ここで、第２設定温度Ｔｍａｘは、それ以上の温度に長時間保持されると燃料電池２２の発電効率に影響を及ぼす温度であり、燃料電池システム２１での発電能力、燃料電池２２、車両内部の熱容量、外気温など、実験、実操業等に基づいて設定される。また、第２回転数は、その回転数で冷却ファン１４が運転された場合、燃料電池温度ｔを第２設定温度Ｔｍａｘ未満に低下させる程度の回転数であればよく、例えば、ファンの特性によって定まる最大回転数である。

このように、小型電動車両の運転中には、燃料電池温度ｔが第１設定温度Ｔｍｉｎを基準とした温度範囲内となるように冷却ファン１４の回転数が制御され、小型電動車両の運転に適した十分な発電が行われる。また、冷却ファン１４の運転により、燃料電池２２と外気との熱交換が効率良く行われるので、燃料電池２２により温められた空気ａの熱で水素ボンベ２３が温められて、水素燃料の供給が安定して行われる。

また、小型電動車両の運転中において、制御部３１は、圧力センサ２８により検知した水素ボンベ２３の内圧ｐを検知信号として受信し、この内圧ｐが予め定めた所定内圧Ｐよりも大きいか否かを判断する。圧力センサ２８の検知する内圧ｐが所定内圧Ｐを超えた場合、排気ファン１５を運転させる。ここで、所定内圧Ｐは、水素ボンベ２３の温度上昇に伴って内圧が上昇した際、それ以上内圧が上昇すれば安全弁が作動する内圧であり、一般に法律により定められている。

この運転により、図６に示すように、トランク室１３内の空気が排出され、燃料電池２２により温められた空気ａと水素ボンベ２３との熱交換が抑制される。その結果、水素ボンベ２３の温度上昇が抑制され、内圧が低下して、安全弁が作動しない。

小型電動車両において、制御部３１による冷却ファン１４の回転数は、燃料電池温度ｔに基づいて制御していたが、この制御によると、例えば、冬季は外気温が低いため、燃料電池２２を急激に冷却し過ぎる場合があり、一方、夏季では外気温が高いため、燃料電池２２の冷却が不十分となる場合がある。そこで、燃料電池温度ｔの制御を外気温に基づいて制御しても良い。

さらに、制御部３１による冷却ファン１４の運転の制御を、第１、第２回転数により制御する代わりに、ＯＮ／ＯＦＦの切り替えによる制御としてもよい。すなわち、燃料電池温度ｔが第１設定温度Ｔｍｉｎ未満である場合、冷却ファン１４の運転を停止（ＯＦＦ）し、第２温度設定Ｔｍａｘを超えている場合、冷却ファン１４を所要の回転数で運転（ＯＮ）するようにしてもよい。

実施形態の小型電動車両を示す側面図 同上の制御構成ブロック図 同上の冷却ファンの第１回転数での運転状態を示す説明図 同上の冷却ファンの第１回転数での運転継続状態を示す説明図 同上の冷却ファンの第２回転数での運転状態を示す説明図 同上の排気ファンの運転状態を示す説明図 同上の制御部による作用説明図

符号の説明

１１ 車両本体
１２ 運転シート
１３ トランク室
１４ 冷却ファン
１５ 排気ファン
１６ カバー
２１ 燃料電池システム
２２ 燃料電池
２３ 水素ボンベ
２４ 管路
２５ ボンベケース
２６ 通路
２７ 温度センサ
２８ 圧力センサ
３１ 制御部
３２ 冷却ファンモータ駆動部
３３ 排気ファンモータ駆動部

Claims (5)

1. 車両本体(１１)に燃料電池(２２)と、水素燃料を貯蔵する水素ボンベ(２３)と、前記水素ボンベ(２３)から放出された水素燃料を前記燃料電池(２２)に供給する管路(２４)とからなる燃料電池システム(２１)を備え、前記燃料電池(２２)を走行用の駆動電源とした小型電動車両において、
   前記車両本体(１１)に、外部に対して閉鎖するトランク室(１３)を設け、前記トランク室(１３)は、その内部に前記燃料電池システム(２１)を備え、前記燃料電池(２２)周囲の空間に外気を導く冷却ファン(１４)を有することを特徴とする小型電動車両。
2. 前記トランク室(１３)内に前記燃料電池(２２)周囲の空間と前記水素ボンベ(２３)周囲の空間とを結ぶ通路(２６)を設け、その通路(２６)に前記冷却ファン(１４)により導入される外気を前記燃料電池(２２)周囲の空間から前記水素ボンベ(２３)周囲の空間に誘導することを特徴とする請求項１に記載の小型電動車両。
3. 前記燃料電池(２２)の温度を検知する温度センサ(２７)を備え、前記温度センサ(２７)の検知する燃料電池温度が予め定めた第１設定温度以上となったとき、前記冷却ファン(１４)を第１回転数で運転させ、前記燃料電池温度が前記第１設定温度未満となったとき、前記冷却ファン(１４)の回転を停止させ、かつ、前記燃料電池温度が前記第１設定温度よりも高温の第２設定温度以上となったとき、前記冷却ファン(１４)を前記第１回転数よりも高い第２回転数で運転させる制御部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の小型電動車両。
4. 前記トランク室(１３)に、その内部の空気を外部に排出する排気ファン(１５)を設け、前記管路(２４)に前記水素ボンベ(２３)の内圧を検知する圧力センサ(２８)を設け、前記制御部は、その圧力センサ(２８)の検知する内圧が所定内圧以上となったとき、前記排気ファンを運転させ、前記トランク室内の空気を排出させることを特徴とする請求項３に記載の小型電動車両。
5. 前記水素ボンベ(２３)は、前記トランク室(１３)内に設けたボンベケースに着脱可能に保持され、前記トランク室は、その内部に前記水素ボンベ(２３)を出し入れ可能とする開閉するカバー(１６)を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の小型電動車両。

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