JP2011100698A - ２次電池と固体酸化物型燃料電池とを備えた電動式移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２次電池のみでシステムを構成する電力式移動体、例えば電気自動車は、走行時に必要とする空調用等の熱需要に対応するために電力を消費し、走行距離を短縮化している。
【解決手段】 ２次電池と固体酸化物型燃料電池とを備え、前記電池の電力により駆動されるモータにより走行する電動式移動体において、同固体酸化物型燃料電池により室内空調用の熱エネルギ並びに前記モータ駆動用及び２次電池充電用の電力が供給されるようになした。５００℃以上という高温度に発熱する固体酸化物型燃料電池の高熱を移動体の空調に利用することができるため、従来の電動式移動体が有していた欠点の走行距離の短縮化を無くすことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２次電池と固体酸化物型燃料電池とを備えた電気自動車等の電動式移動体に関する。

近年、リチウムイオン電池の性能向上に伴い、これを利用した電気自動車の性能も向上し相当程度の市場展開が進みつつある。そして現状では、これらの電気自動車は一回のフル充電での走行距離も、ほぼ１００〜２００ｋｍが可能とされている。
自動車は本来、望む時に望む所へ人を移動させるとともに、移動中に快適な室内空間を提供する機能を備えている。特に快適な移動空間の提供は単に快適さのみでなく安全面からも必要とされる。
電気自動車も当然その機能を具備する必要があるが、そのための必要エネルギーは走行可能距離を犠牲にしつつ、２次電池システムから得ているのが現状である。

比較的小型の電気自動車の例では、一定速４０ｋｍ／ｈで走行中、ほぼ２．５ｋＷのエネルギが必要とされる。しかるに、冬季走行中は暖房を必要とするころ、その暖房エネルギーは、ヒートポンプ利用の場合でも約２．５ｋＷ程度必要とされ、よって、一回のフル充電での走行距離は大きく減少することとなる。
特に冬季の暖房は単に車室内を暖めるのみでなく、車内の水蒸気凝縮によるフロントガラスの曇りを除き、良好な視界を得るためにも必要とされる。
そこで、燃料電池車においては、モータ、インバータ等の発生熱が利用可能ではあるが、これらだけでは暖房熱としては不充分である。
また、寒冷地での早朝においては、室内のみでなくフロントガラスの霜取りも含めた停止中の暖機操作を行う時のエネルギは、数十ｋｍ走行分のエネルギに等しいものとなる。

また、夏場の冷房に要するヒートポンプによる電気エネルギはほぼ２ｋＷとされる。 特に予想の難しい街中の渋滞においては、非走行状態でも２ｋＷ程度を消費するため、その後の走行可能距離の予想がつきにくく、思わぬ走行不能の事態に遭遇するおそれがある。
熱を有効に利用する吸着冷凍技術も車内冷房への利用の可能性の高い手段ではあるが、現在の電気自動車にはこのための熱源がない。

現電気自動車のリチウムイオンベースの２次電池システムは、１００年以上の歴史を持つ内燃機関による走行システムに比較し、歴史も浅く、少なくとも全く同等の高い信頼性を持つとは言いがたい面もある。
特に懸念されるのは、２次電池の劣化による予期しない走行距離の減少である。 もちろん、２次電池駆動電気自動車にはモニタにより運転者に状況を報せるシステムが装備されているが、予期しない走行不能に対応し得る何らかの補助システムが必要とされる。
そのため、車輪を駆動する複数の駆動用モータごとに２次電池ユニットを分散配置し、いずれかの２次電池ユニットに異常が生じ、ある駆動用モータが駆動できなくなった場合でも、残りの２次電池ユニットによって残りの駆動用モータの駆動を確保して、車両の完全な停止状態を回避できるという、各駆動用モータに個別に電源供給を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。

電気自動車は走行中は二酸化炭素は排出しないが、電気自動車が必要とする駆動用の電力を作る発電所では二酸化炭素が排出される。
発電での熱効率、受電端までの送電ロス、更に電力が２次電池に注入された後のモータ、インバータ等のロスを考慮した、電気自動車の走行キロ当たりの二酸化炭素排出量は３２．６ｇＣ／ｋｍでガソリンハイブリッド車の２９．８ｇＣ／ｋｍより多いという報告もある（非特許文献１参照）
さらに、暖房等の熱エネルギーをも２次電池のエネルギで賄う場合は、二酸化炭素排出量は最新の内燃機関ベースのハイブリッド車に劣る可能性がある。

特開平１０−０５６７０１号公報 ＯＮ ＴＨＥ ＲＯＡＤ ＩＮ ２０２０，Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｒｅｐｏｒｔ ♯ＭＩＴ ＥＬ ００−００３ Ｏｃｔｏｂｅｒ２０００

現在、２次電池のみでシステムを構成する電気自動車においては、走行時に必要とする室内空調用等の熱需要に対応するためには、走行距離を犠牲にする他はない。

冷房に関しては、一般的にはヒートポンプで行われるが、これの駆動エネルギーも２次電池システムに頼らざるを得ない。特に夏場の渋滞はその予想が難しく、２次電池の思わぬ完全放電によって走行不能に陥る危険が生じる。
そこで、冷房を電力に頼らず、熱による方式、例えば吸着冷凍方式等による場合は、そのための熱の供給源を必要とする。

さらに、リチウムイオン電池をベースとする２次電池システムはまだ歴史も浅く、１００年以上の歴史を持つ内燃機関のシステムに比較して、その信頼性には未知の部分が多い。したがって、こうした予想の難しいトラブルに対処するためリンプホーム（ｌｉｍｐ ｈｏｍｅ）機能を装備させることが必須となる。

上記のように、発電所における発電時の二酸化炭素排出量も考慮した電気自動車の実質的な二酸化炭素排出量はハイブリッド車に劣っている場合もあり、クリーンなイメージの高い電気自動車としては、この二酸化炭素排出量の低減への対応手段を設けることが求められる。
また、車輪を駆動する複数の駆動用モータごとに２次電池ユニットを分散配置する方法は、車体重量が増加するだけでなく、コスト的にも問題があった。

本発明者は、上記に鑑み鋭意研究の結果、次の手段によりこの課題を解決した。
（１）２次電池と固体酸化物型燃料電池とを備え、前記電池の電力により駆動されるモータにより走行する電動式移動体において、同固体酸化物型燃料電池により室内空調用の熱エネルギ並びに前記モータ駆動用及び２次電池充電用の電力が供給されるようになしたことを特徴とする電動式移動体。
（２）前項（１）記載の電動式移動体において、燃料改質器を装備せず、前記固体酸化物型燃料電池の燃料としてジメチルエーテルが使用されるものであることを特徴とする電動式移動体。
（３）前記固体酸化物型燃料電池からの出力電力が、前記電動式移動体市街地走行時に少なくとも必要とされる動力を賄い得るものであることを特徴とする前項（１）又は（２）に記載の電動式移動体。
（４）前記固体酸化物型燃料電池が２次電池との連携が全くない状態でも起動し、走行が可能となることを特徴とする前項（１）〜（３）のいずれか１項に記載の電動式移動体。
（５）電動式移動体の空調が、前記固体酸化物型燃料電池の発電反応による発生熱及び未反応燃焼ガスの再燃焼による発生熱を利用して行われることを特徴とする前項（１）〜（４）のいずれか１項に記載の電動式移動体。
（６）電動式移動体が、電気自動車、電動式トラック、電動式二輪車又は農業用移動体から選ばれるいずれか１種の陸上移動体であることを特徴とする前項（１）〜（５）のいずれか１項に記載の電動式移動体。
（７）電動式移動体が、電動式輸送船、電動式船舶、電動式ボート又は電動式潜水艇から選ばれるいずれか１種の水上・水中移動体であることを特徴とする前項（１）〜（５）のいずれか１項に記載の電動式移動体。
（８）電動式移動体が、電動式航空機、電動式ヘリコプタ又は電動式飛行船から選ばれるいずれか１種の空中飛行体であることを特徴とする前項（１）〜（５）のいずれか１項に記載の電動式移動体。

本発明によれば、次のような効果が発揮される。
１．２次電池に加えて固体酸化物型燃料電池を備え、固体酸化物型燃料電池の５００℃以上という高温度の発熱を移動体の空調に利用するようにしたため、従来の電動式移動体では不可能であった走行距離の延長を確保することができる。
また、固体酸化物型燃料電池の電力は走行時モータ駆動用及び２次電池充電用として使用でき、走行距離の延長化及び不側の走行トラブルにも対応できる。

２．冷暖房共に空調エネルギーを固体酸化物型燃料電池に頼ることで、渋滞などによる予測不可能な２次電池システムの完全放電が避けられ、走行可能距離の予測精度が上がり電動式移動体としての信頼性を高め得る。

３．ジメチルエーテルを燃料とする固体酸化物型燃料電池では、その内部が極めて高温であるため、それにジメチルエーテルが接触すると直ちに低分子の反応性ガスに分解される。そのため、従来の燃料電池が備えていた燃料改質器を備える必要がなくなり、簡素な構成となし得る。
また、燃料のジメチルエーテルはカセット交換による供給が可能となり、簡便な燃料システムが構築できる。

４．固体酸化物型燃料電池においては、熱及び発電の合計の効率はほぼ８５％となり、本電熱併給システムの利用により、発電所側での二酸化炭素排出量を低減する効果を持つ。
ヒートポンプによる冷房の場合は、固体酸化物型燃料電池の発電効率は４０％、系統電力の受電端効率も４０％と、ほぼ同一であり、特に固体酸化物型燃料電池により、二酸化炭素排出量が増加することはない。
また、吸着冷凍等の熱による冷房の場合は、暖房と同じく発電所側での二酸化炭素排出量の低減に寄与できる。

本発明実施例の２次電池システムと固体酸化物燃料電池システムを備えた電気自動車の概念説明図。 一般的な電気自動車の２次電池システム構成概要説明図。 本発明実施例の固体酸化物型燃料電池システムの概念説明図。

本発明を実施するための形態を図に基づいて詳細に説明する。
本発明実施例は、現在定置用として開発されつつある固体酸化物型燃料電池を、移動体に適した形に改良して、これを電動式移動体の一種である電気自動車に搭載し、暖房等の熱エネルギ及び電気の供給源として使用するものである。
本発明実施例の電気自動車の構成及び機能を図面に基づき説明する。

まず、図２にベースとなる一般的な電気自動車の２次電池システム１０の構成概要を示す。
図において、実線は主として電力供給回線であり、点線は信号・制御回線を示すものとする。
２次電池システム１０を搭載した電気自動車においては、２次電池オン・オフスイッチ１０−１２及びモータ駆動インバータオン・オフスイッチ１０−１３を投入することにより、２次電池１０−１の電力によって、モータ１０−２が駆動されその駆動力で車は走行する。運転者の加速、減速の意図はスロットル１０−１０からの信号によりＰＣＵ（パワーコントロールユニット）１０−８に伝えられ、ここで、駆動力制御信号としてモータ駆動インバータ１０−４に伝えられ、加速、減速が行われる。

１０−３は空調システムを示す。これも温度設定レバー１０−９の操作に従い、ＰＣＵ１０−８からの信号により空調システム制御インバータ１０−５で空調システム１０−３は制御される。

この電気自動車の空調システム１０−３は、この例ではヒートポンプを内蔵しており、運転者が温度設定レバー１０−９を操作することによって発生する信号がＰＣＵ１０−８に伝えられ、ＰＣＵ１０−８から空調システム制御インバータ１０−５に送られる信号によって、空調システム１０−３が制御されることとなる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０−６は、高圧な２次電源から車内補機１０−１４を駆動する１２Ｖ電源１０−７を構成するためのものである。１０−１５は１２Ｖ用バッテリーである。２次電池１０−１の状態はバッテリーセンサ１０−１１で常時モニタされ結果は運転者に示される。

図３に本発明実施例に係る固体酸化物燃料電池システム図を示す。
図において、実線は主として電力供給回線であり、点線は信号・制御回線、太い実線は空気・燃料配送管を示すものとする。
３０−１が固体酸化物燃料電池である。燃料は燃料カセット３０−２から供給される。 燃料コントロールバルブＡ３０−３及び燃料コントロールバルブＢ３０−４を経て固体酸化物燃料電池３０−１に向かう。本図では燃料はカセット入りのジメチルエーテルを採用しており、燃料改質器は配置されていない。
空気は吸気ファン３０−１２で吸い込まれ、熱交換器３０−１０、起動時加熱機３０−８を通って固体酸化物燃料電池３０−１に向かう。

熱交換器３０−１０は、吸気を固体酸化物燃料電池３０−１からの排熱によって、固体酸化物燃料電池３０−１内に入る前に加熱するものである。この効率の良い熱交換による吸気加熱は発電効率を向上させる。
固体酸化物燃料電池の起動時には、吸気ファン３０−１２でシステム内に取り込まれた空気は、まず前記熱交換機３０−１０を経由して起動時加熱器３０−８に入る。起動時加熱器３０−８では、起動時に開かれる加熱器燃料コントロールバルブ３０−５から送り込まれる燃料を、前記起動時加熱機３０−８内のノズル３０−８−２から噴出させ、イグナイタ３０−８−１で着火し、加熱した空気を固体酸化物燃料電池３０−１内に送る。

固体酸化物燃料電池３０−１内温度が目標にまで上昇した時点で、燃料コントロールバルブＢ３０−４を開き、また、加熱器燃料コントロールバルブ３０−５を閉じて発電を開始する。
固体酸化物燃料電池３０−１の燃料利用率が１００％でない場合、未燃燃料を燃焼させるために酸化触媒３０−９−１を内蔵する燃焼器３０−９を固体酸化物燃料電池３０−１出口に設け、排ガスを通過させることで完全に燃焼させる。
燃焼器３０−９からの排ガスは熱交換機３０−１０を介し、ホットエア制御バルブ３０−１１を経て、排出ロ３０−１３から大気に排出される。

ＦＣＣＵ（フューエルセルコントロールユニット）３０−６は起動、固体酸化物燃料電池３０−１の起動、運転に伴う作動機器の制御、センサ一類のモニタを行う。

２次電池システム１０と組み合わせる時の連結ポートは、ホットエア供給３０−１４、電力供給３０−１５、共通アース３０−１６及びＦＣＣＵ３０−６を通してのデータ授受ポート３０−１７、３０−１８であり、ＰＣＵ１０−８（図２参照）と連結される。

図１に本発明の実施例である、２次電池システム１０と固体酸化物型燃料電池システム３０の連結システム４０の例を示す。
図において、実線は主として電力供給回線であり、点線は信号・制御回線、太い実線は空気・燃料配送管を示すものとする。
暖房時の固体酸化物型燃料電池３０−１からの熱は、ＰＣＵ１０−８から熱の供給要求をＦＣＣＵ３０−６が受け、ＦＣＣ３０−６によりホットエア制御バルブ３０−１１を制御することでホットエアの供給熱は３０−１４（図３参照）を経て、空調システム１０−３に送られる。
冷房が、空調システム１０−３内のヒートポンプで行われる場合はホットエアはホットエア制御バルブ３０−１１を経て排出口３０−１３（図３参照）から大気中に排出される。
冷房が空調システム１０−３内の吸着冷凍機（図示せず）で行われる場合は、暖房時と同じくホットエアの供給熱は空調システム１０−３に送られる。なおこの場合は、インバータ１０−５は不要となる。

固体酸化物型燃料電池３０−１の出力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０−１により固体酸化物燃料電池３０−１側の電圧を常時２次電池１０−１側電圧より僅かに高く設定し、常に２次電池１０−１側に電力が供給されるようにする。
ここでは、固体酸化物燃料電池３０−１の出力は、例えば１ｋＷ、２ｋＷ、及び２００Ｗの３段階とし、２次電池側の熱需要及び電力需要により、最適なモードをＰＣＵ１０−８により選定し、結果はＦＣＣＵ３０−６に送られる。
ＦＣＣＵ３０−６はその指示に従い燃料流量、空気量等が目標値となるよう、各種設定を行う。
動力の伝達・制御方法は図１の説明に準ずる。

本例の固体酸化物型燃料電池３０−１の出力設定では、常時充電をしながらの走行は難しく、２次電池１０−１の完全放電の場合に、リンプホーム状態で、２次電池オン・オフスイッチ１０−１２をオフとし、固体酸化物型燃料電池の出力をモータ１０−２をはじめ電気自動車内の走行に「必要な機能部に供給するのに必要な電力を賄うことになる。
なお、運転者の意図により走行中に変動する駆動電力が、その時に選択されている前記段階の固体酸化物燃料電池３０−１の発電電力より小さい場合は、その差分だけの電力が充電制御インバータ４０−２を経由して２次電池１０−１に充電されるものとされる。
本例では、２ｋＷでほぼ３５〜４０ｋｍ／ｈの走行が可能と推定される。電気出力が２ｋＷの時は、発電効率４０％とすると３ｋＷの熱が同時に生じ、計５ｋＷ分の燃料が消費される。１ｋｇのジメチルエーテルはほぼ８ｋＷｈのエネルギーを有しているので、電気出力が２ｋＷの場合、カセットの燃料質量が１ｋｇとすれば１時間半の走行が可能である。

２次電池１０−１のフル充電直後は、過充電防止のために２００Ｗモードで走行する。 そして、熱需要があるときは１ｋＷモードで走り、電力と排熱の両方を熱として使うことも提案される。

以上においては、２次電池と固体酸化物燃料電池を備えた電気自動車の例を説明したが、該発明は下記のごとき全ての電動式移動体に適用可能である。
（１）電気自動車、電動式トラック、電動式二輪車又は農業用移動体から選ばれるいずれか１種の陸上移動体。
（２）電動式輸送船、電動式船舶、電動式ボート又は電動式潜水艇から選ばれるいずれか１種の水上・水中移動体。
（３）電動式航空機、電動式ヘリコプタ又は電動式飛行船から選ばれるいずれか１種の空中飛行体。

１０：一般的な電気自動車の２次電池システム
１０−１：２次電池
１０−２：モータ
１０−３：空調システム
１０−４：モータ駆動インバータ
１０−５：空調システム制御インバータ
１０−６：ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０−７：補機駆動用１２Ｖ電源
１０−８：ＰＣＵ
１０−９：温度設定レバー
１０−１０：スロットル信号
１０−１１：バッテリーセンサ
１０−１２：２次電池オン・オフスイッチ
１０−１３：モータ駆動インバータオン・オフスイッチ
３０：固体酸化物型燃料電池システム
３０−１：固体酸化物燃料電池
３０−２：燃料カセット
３０−３：燃料コントロールバルブＡ
３０−４：燃料コントロールバルブＢ
３０−５：加熱器燃料コントロールバルブ
３０−６：ＦＣＣＵ
３０−８：起動時加熱器
３０−８−１：イグナイタ
３０−８−２：ノズル
３０−９：燃焼器
３０−９−１：酸化触媒
３０−１０：熱交換機
３０−１１：ホットエア制御バルブ
３０−１２：吸気ファン
３０−１３：排出口
３０−１４：ホットエヤ供給
３０−１５：電力供給
３０−１６：共通アース
３０−１７：データの授受ポート
３０−１８：データの授受ポート
４０：電気自動車の２次電池システム１０と固体酸化物型燃料電池システム３０の連結システム
４０−１：ＤＣ−ＤＣコンバータ
４０−２：充電制御インバータ

Claims (8)

1. ２次電池と固体酸化物型燃料電池とを備え、前記電池の電力により駆動されるモータにより走行する電動式移動体において、同固体酸化物型燃料電池により室内空調用の熱エネルギ並びに前記モータ駆動用及び２次電池充電用の電力が供給されるようになしたことを特徴とする電動式移動体。
2. 請求項１記載の電動式移動体において、燃料改質器を装備せず、前記固体酸化物型燃料電池の燃料としてジメチルエーテルが使用されるものであることを特徴とする電動式移動体。
3. 前記固体酸化物型燃料電池からの出力電力が、前記電動式移動体市街地走行時に少なくとも必要とされる動力を賄い得るものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動式移動体。
4. 前記固体酸化物型燃料電池が２次電池との連携が全くない状態でも起動し、走行が可能となることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動式移動体。
5. 電動式移動体の空調が、前記固体酸化物型燃料電池の発電反応による発生熱及び未反応燃焼ガスの再燃焼による発生熱を利用して行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動式移動体。
6. 電動式移動体が、電気自動車、電動式トラック、電動式二輪車又は農業用移動体から選ばれるいずれか１種の陸上移動体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動式移動体。
7. 電動式移動体が、電動式輸送船、電動式船舶、電動式ボート又は電動式潜水艇から選ばれるいずれか１種の水上・水中移動体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動式移動体。
8. 電動式移動体が、電動式航空機、電動式ヘリコプタ又は電動式飛行船から選ばれるいずれか１種の空中飛行体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動式移動体。
   

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